嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)測試和可靠性評估
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 系統(tǒng)測試 測試方法 可靠性評估
引言
隨著嵌入式系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)的變化，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢向嵌入式系統(tǒng)高端，即嵌入式軟件系統(tǒng)轉(zhuǎn)移，具體體現(xiàn)在嵌入式操作系統(tǒng)趨于多樣和應(yīng)用軟件日漸復(fù)雜。由于嵌入式系統(tǒng)軟硬件功能界限模糊，研究如何進行系統(tǒng)測試和進行質(zhì)量評估來保證嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。
首先，這里明確嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)測試定義，是將開發(fā)的軟件系統(tǒng)（包括嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應(yīng)用軟件）、硬件系統(tǒng)和其它相關(guān)因素（如人員的操作、數(shù)據(jù)的獲取等）綜合起來，對整個產(chǎn)品進行的全面測試。嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)測試比PC系統(tǒng)軟件測試要困難得多，主要體現(xiàn)如下：
①測試軟件功能依賴不需編碼的硬件功能，快速定位軟硬件錯誤困難；
②強壯性測試、可知性測試很難編碼實現(xiàn)；
③交叉測試平臺的測試用例、測試結(jié)果上載困難；
④基于消息系統(tǒng)測試的復(fù)雜性，包括線程、任務(wù)、子系統(tǒng)之間的交互，并發(fā)、容錯和對時間的要求；
⑤性能測試、確定性能瓶頸困難；
⑥實施測試自動化技術(shù)困難。
1 測試方法
根據(jù)Goodenough和Gerhart提出的軟件測試充分性準則可知，軟件測試具有非復(fù)合性的特點，也就是說，即使以軟件所有成分都進行了充分的測試，也并不意味著整個軟件的測試已經(jīng)充分。所以，即使通過了需求測試、設(shè)計測試、編碼測試，并不意味著已經(jīng)完全了充分的測試，還要進行軟硬件全面測試，即系統(tǒng)測試。正確的系統(tǒng)測試方法能設(shè)計出良好的測試事例，而良好的測試事例是測試成功的關(guān)鍵。測試事例質(zhì)量特性主要有以下幾點。
*檢驗性：檢測軟件缺陷的有效性，是否能發(fā)現(xiàn)缺陷或至少可能發(fā)現(xiàn)缺陷。
*可仿效性：可以支持測試多項內(nèi)容，減少測試事例的數(shù)量。
*開銷：測試事例的執(zhí)行、分析和調(diào)試是否經(jīng)濟。
*修改性：每次軟件修改后對測試事例的維護成本。
測試方法不僅要保證測試事例具有發(fā)現(xiàn)缺陷的高可移植性，而且還要保證測試事例設(shè)計的經(jīng)濟有效。因此，在實際測試工作中，將嵌入式系統(tǒng)的測試方法分類如下：根據(jù)測試是否動態(tài)運行被測程序分為靜態(tài)測試方法和動態(tài)測試方法；根據(jù)測試階段分為需求測試方法、設(shè)計測試方法、編碼測試（單元測試、集成測試）方法及系統(tǒng)測試方法；根據(jù)測試目的分為功能測試、性能測試、可靠性測試（容錯性、可恢復(fù)性、成熟度測試*及信息安全保護等測試。參看表1嵌入式軟件測試方法對照。其中“√”代表相關(guān)性。所有這些方法的具體定義這里不一一介紹。由于不同的嵌入式系統(tǒng)面向的應(yīng)用不同，測試方法的側(cè)重也很不相同。本文后面將對一個具體的便攜式信息處理嵌入式系統(tǒng)（PDA、便攜式翰林電子書）的系統(tǒng)測試方法詳細說明。
表1 嵌入式軟件測試方法及階段對照表
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測試方法分類 |
需求測試 | 設(shè)計測試 | 編碼測試 | 系統(tǒng)測試 | |
| 靜態(tài)測試方式； | 基本思想 | ||||
| Yourdon的結(jié)構(gòu)化走通 | 結(jié)構(gòu)化審閱 | √ | √ | √ | |
| Fagan檢查測試 | 檢查并評估 | √ | √ | √ | |
| 動態(tài)測試方法； | 基本思想 | ||||
| 控制流測試 | 語句測試 | √ | √ | ||
| 路徑測試 | √ | ||||
| 條件測試 | √ | ||||
| 數(shù)據(jù)流測試 | 數(shù)據(jù)定義引用 | √ | √ | ||
| 分域測試 | 劃分子域測試 | √ | √ | √ | |
| 功能測試 | 劃分功能測試 | √ | √ | ||
| 隨機測試 | 不限定范圍 | √ | |||
2 可靠性評估
可靠性是嵌入式系統(tǒng)最重要的質(zhì)量指標。ISO9000國示質(zhì)量標準（ISO/IEC 9126-1991）規(guī)定，軟件產(chǎn)品的可靠性含義是：在規(guī)定的一段時間和條件下，軟件能維持其性能水平的能力有關(guān)的一組屬性，可用成熟性、容錯性、易恢復(fù)性三個基本子特性來度量。根據(jù)我們在評估嵌入式系統(tǒng)中的成功經(jīng)驗，一般采取以下簡單有效的評估方法（可以采用百分制或十分制）。
（1）成熟性度量
①錯誤發(fā)現(xiàn)率DDP（Defect Detection Percentage）。在測試中查找出來的錯誤越多，實際應(yīng)用中出錯的機會就越小，軟件也就越成熟。
DDP=測試發(fā)現(xiàn)的錯誤數(shù)量/已知的全部錯誤數(shù)量
已知的全部錯誤數(shù)量是測試已發(fā)現(xiàn)的錯誤數(shù)量加上可能會發(fā)現(xiàn)的錯誤數(shù)量之和。
②測試覆蓋率度量。測試的覆蓋率，可以用測試項目的數(shù)量和內(nèi)容進行度量。除此之外，如果測試軟件的數(shù)量較大，還要考慮數(shù)據(jù)量。測試的覆蓋率，可以根據(jù)表2所示在測試指標進行評價。通過檢查這些指標達到的程度，就可以度量出測試內(nèi)容的覆蓋程度。
表2 測試覆蓋程度表
| 測試覆蓋項 | 測試覆蓋率指標測試描述 | 測試結(jié)果 |
| 界面覆蓋 | 符合需求（所有界面圖標、信息區(qū)、狀態(tài)區(qū)） | |
| 靜態(tài)功能覆蓋 | 功能滿足需求 | |
| 動態(tài)功能覆蓋 | 所有功能的轉(zhuǎn)換功能正確 | |
| 正常測試覆蓋 | 所有硬件軟件正常時處理 | |
| 異常測試覆蓋 | 硬件或軟件異常時處理（不允許的操作） | 測試結(jié)束判斷 |
表3 可信度測試表
| 測試功能 | 甲 | 乙 | 丙 | 丁 | 平均 | 最大值-最小值 |
| 功能1 | ||||||
| 功能2 | ||||||
| 功能3 | ||||||
| 功能4 | ||||||
| 功能5 |
注意，對于最大值與最小值的差值超過5的情況，應(yīng)該重新測試響應(yīng)功能。
（2）容錯性評估
容錯性評估分為控制容錯性評估、數(shù)據(jù)容錯性評估、硬件故障恢復(fù)容錯性評估：
容錯性=以下各條款評分之和÷條款數(shù)
控制容錯性度量
①對并發(fā)處理的控制能力；
②錯誤的可修正性和處理可繼續(xù)進行能力。
數(shù)據(jù)容錯性度量
①非法輸入數(shù)據(jù)的容錯；
②對相互沖突的要求和非法組合容錯；
③輸出數(shù)據(jù)是否合理容錯。
硬件故障中恢復(fù)容錯性度量
故障后恢復(fù)能力容錯。
（3）易恢復(fù)性度量
與易恢復(fù)性緊密相關(guān)的測試是強度測試和健壯測試。強度測試又稱為力度測或極限測試，主要測試系統(tǒng)對空間強度和時間強度的容忍極限；健壯測試又稱異常測試，是很重要的可靠性測試項目。通過易恢復(fù)性測試，一方面使系統(tǒng)具有異常情況的抵抗能力，另一方面使系統(tǒng)測試質(zhì)量可控制。
易恢復(fù)性=以下各條款評分之和÷條款數(shù)
①空間強度可恢復(fù)；
②時間強度可恢復(fù)；
③數(shù)據(jù)強度可恢復(fù)；
④異常通信可恢復(fù)；
⑤數(shù)據(jù)破壞可恢復(fù)；
⑥電池極限可恢復(fù)。
（4）測試可信度評估
測試可信度是對測試質(zhì)量的有效評估，是保證質(zhì)量的必要步驟。目前雖然很難有量化的指標，但我們采取積分的方式顯示可信度。例如，請4個人員（甲、乙、丙、?。ο到y(tǒng)5個功能打一個從0（不信任）到10（完全信任）之間的分數(shù)，那么，可信度度量可以用表3進行計算。
3 測試實例
（1）電流測試
電流測試是嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)測試中首先要進行的重要測試，也是最容易被忽視的測試。主要是測試系統(tǒng)的工作電流、待機電流。人們一般把它當成與系統(tǒng)測試無關(guān)的硬件測試。但是對于嵌入式系統(tǒng)，軟件與硬件不可能清晰地劃分，硬件的性能直接影響軟件的運行。實例1說明了電流測試對系統(tǒng)運行的影響及不可替代的作用。
測試現(xiàn)象描述：進行同一廠商PDA系統(tǒng)測試，有幾臺PDA在名片子系統(tǒng)、行程子程序的操作過程中隨機死機。
我們當時的錯誤分析定位是：①懷疑操作系統(tǒng)中斷處理錯誤；②懷疑內(nèi)存泄漏，堆棧溢出；③懷疑應(yīng)用程序錯誤。
在軟件開發(fā)人員為解決這個問題檢查軟件時，硬件開發(fā)人員提出應(yīng)首先測試一下這幾臺機器的工作電流。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PDA的工作電流低于正常工作電流。加電容調(diào)整后隨機死機問題消失。
由此例還可以看出，嵌入式系統(tǒng)測試的軟硬件測試不可分性。絕對的將硬件測試和軟件測試區(qū)分開來的測試思想是不正確的。我們在系統(tǒng)測試時的電流測試設(shè)計如表4。
表4 電流測試
| 測試電流項目 | 測試結(jié)果（不同的產(chǎn)品對電流要求不同） | 備 注 | |
| 預(yù)期值 | 實測值 | ||
| 待機電流/mA | 關(guān)機后電流測試 | ||
| 啟動電流/mA | 開機瞬間電流測試 | ||
| 工作電流/mA | 正常工作電流測試 | ||
（2）兼容性測試
考慮到嵌放式系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)成本高于通用PC系統(tǒng)，因此，提高軟件對硬件的兼容及軟件升級版本的兼容性極為重要。表5是便攜林翰林電子書升級版本兼容性測試實例。
表5 兼容性測試
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兼容性測試分類 |
硬件兼容性 | 操作系統(tǒng)兼容性 | 應(yīng)用軟件兼容性 | PC制書軟件兼容性 |
| BIOS兼容測試 | ||||
| BIOSV1.0 | ||||
| BIOSV2.0 | ||||
| 操作系統(tǒng)兼容測試 | ||||
| VOLF V.1.0 | ||||
| VOLF V.2.0 | ||||
| 應(yīng)用軟件兼容測試 | ||||
| READER V.1.0 | ||||
| READER V.2.0 | ||||
| PC制書軟件兼容測試 | ||||
| PCREADRE V1. | ||||
| PCREADER V2. |
實例2：現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)一般分為硬件層、BIOS層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用系統(tǒng)層。有的還需要通用PC應(yīng)用軟件支持。因此，嵌入式系統(tǒng)的兼容性測試要考慮硬件兼容性、BIOS兼容性、操作系統(tǒng)兼容性，還需考慮與相應(yīng)PC應(yīng)用軟件的兼容性。
結(jié)語
本文的測試方法和評估方法在具體的嵌入式系統(tǒng)測試中，獲得很好的效果。這是一項很有意義的工作，不僅要求嵌入式系統(tǒng)的測試人員具有很全面的軟硬件知識，還需結(jié)合測試理論、統(tǒng)計方法，面對不同的系統(tǒng)進行測試方法、工具、過程評價及質(zhì)量評估。隨著嵌入式系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)測試研究將繼續(xù)深入。
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