嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)測(cè)試和可靠性評(píng)估

1、嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)測(cè)試和可靠性評(píng)估摘要：引入多種嵌入式系統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)試方法；根據(jù)ISO 9000國(guó)際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，提出一種切實(shí)可行的可靠性評(píng)估方案，并使它們應(yīng)用于嵌入式產(chǎn)品測(cè)試中，測(cè)試效果良好。最后，通過兩個(gè)測(cè)試實(shí)例說明嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)測(cè)試過程和分析。 關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 系統(tǒng)測(cè)試 測(cè)試方法 可靠性評(píng)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(shì)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(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試和進(jìn)行質(zhì)量評(píng)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(cè)試定義，是將開發(fā)

2、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(duì)整個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行的全面測(cè)試。嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)測(cè)試比PC系統(tǒng)軟件測(cè)試要困難得多，主要體現(xiàn)如下：測(cè)試軟件功能依賴不需編碼的硬件功能，快速定位軟硬件錯(cuò)誤困難；強(qiáng)壯性測(cè)試、可知性測(cè)試很難編碼實(shí)現(xiàn)；交叉測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試用例、測(cè)試結(jié)果上載困難；基于消息系統(tǒng)測(cè)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(cuò)和對(duì)時(shí)間的要求；性能測(cè)試、確定性能瓶頸困難；實(shí)施測(cè)試自動(dòng)化技術(shù)困難。1 測(cè)試方法根據(jù)Goodenough和Gerhart提出的軟件測(cè)試充分性準(zhǔn)則可知，軟件測(cè)試具有非復(fù)合性的特點(diǎn)，也就是說，即

3、使以軟件所有成分都進(jìn)行了充分的測(cè)試，也并不意味著整個(gè)軟件的測(cè)試已經(jīng)充分。所以，即使通過了需求測(cè)試、設(shè)計(jì)測(cè)試、編碼測(cè)試，并不意味著已經(jīng)完全了充分的測(cè)試，還要進(jìn)行軟硬件全面測(cè)試，即系統(tǒng)測(cè)試。正確的系統(tǒng)測(cè)試方法能設(shè)計(jì)出良好的測(cè)試事例，而良好的測(cè)試事例是測(cè)試成功的關(guān)鍵。測(cè)試事例質(zhì)量特性主要有以下幾點(diǎn)。*檢驗(yàn)性：檢測(cè)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(cè)試多項(xiàng)內(nèi)容，減少測(cè)試事例的數(shù)量。*開銷：測(cè)試事例的執(zhí)行、分析和調(diào)試是否經(jīng)濟(jì)。*修改性：每次軟件修改后對(duì)測(cè)試事例的維護(hù)成本。測(cè)試方法不僅要保證測(cè)試事例具有發(fā)現(xiàn)缺陷的高可移植性，而且還要保證測(cè)試事例設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)有效。因此，在

4、實(shí)際測(cè)試工作中，將嵌入式系統(tǒng)的測(cè)試方法分類如下：根據(jù)測(cè)試是否動(dòng)態(tài)運(yùn)行被測(cè)程序分為靜態(tài)測(cè)試方法和動(dòng)態(tài)測(cè)試方法；根據(jù)測(cè)試階段分為需求測(cè)試方法、設(shè)計(jì)測(cè)試方法、編碼測(cè)試（單元測(cè)試、集成測(cè)試）方法及系統(tǒng)測(cè)試方法；根據(jù)測(cè)試目的分為功能測(cè)試、性能測(cè)試、可靠性測(cè)試（容錯(cuò)性、可恢復(fù)性、成熟度測(cè)試*及信息安全保護(hù)等測(cè)試。參看表1嵌入式軟件測(cè)試方法對(duì)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(cè)試方法的側(cè)重也很不相同。本文后面將對(duì)一個(gè)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(cè)試方法詳細(xì)說明。表1 嵌入式軟件測(cè)試方法及階段對(duì)照表測(cè)試方法分類

5、需求測(cè)試設(shè)計(jì)測(cè)試編碼測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試靜態(tài)測(cè)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(cè)試檢查并評(píng)估動(dòng)態(tài)測(cè)試方法；基本思想控制流測(cè)試語(yǔ)句測(cè)試路徑測(cè)試條件測(cè)試數(shù)據(jù)流測(cè)試數(shù)據(jù)定義引用分域測(cè)試劃分子域測(cè)試功能測(cè)試劃分功能測(cè)試隨機(jī)測(cè)試不限定范圍2 可靠性評(píng)估可靠性是嵌入式系統(tǒng)最重要的質(zhì)量指標(biāo)。ISO9000國(guó)示質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（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(shí)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(cuò)性、易恢復(fù)性三個(gè)基本子特性來度量。根據(jù)我們?cè)谠u(píng)估嵌入式系統(tǒng)中的成功經(jīng)驗(yàn)，一般采取以下簡(jiǎn)單有效的評(píng)估方法（可以采用百分制

6、或十分制）。（1）成熟性度量錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率DDP（Defect Detection Percentage）。在測(cè)試中查找出來的錯(cuò)誤越多，實(shí)際應(yīng)用中出錯(cuò)的機(jī)會(huì)就越小，軟件也就越成熟。DDP=測(cè)試發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤數(shù)量/已知的全部錯(cuò)誤數(shù)量已知的全部錯(cuò)誤數(shù)量是測(cè)試已發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤數(shù)量加上可能會(huì)發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤數(shù)量之和。測(cè)試覆蓋率度量。測(cè)試的覆蓋率，可以用測(cè)試項(xiàng)目的數(shù)量和內(nèi)容進(jìn)行度量。除此之外，如果測(cè)試軟件的數(shù)量較大，還要考慮數(shù)據(jù)量。測(cè)試的覆蓋率，可以根據(jù)表2所示在測(cè)試指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過檢查這些指標(biāo)達(dá)到的程度，就可以度量出測(cè)試內(nèi)容的覆蓋程度。表2 測(cè)試覆蓋程度表測(cè)試覆蓋項(xiàng)測(cè)試覆蓋率指標(biāo)測(cè)試描述測(cè)試結(jié)果界面覆蓋符合需求（所有

7、界面圖標(biāo)、信息區(qū)、狀態(tài)區(qū)）靜態(tài)功能覆蓋功能滿足需求動(dòng)態(tài)功能覆蓋所有功能的轉(zhuǎn)換功能正確正常測(cè)試覆蓋所有硬件軟件正常時(shí)處理異常測(cè)試覆蓋硬件或軟件異常時(shí)處理（不允許的操作）測(cè)試結(jié)束判斷表3 可信度測(cè)試表測(cè)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(duì)于最大值與最小值的差值超過5的情況，應(yīng)該重新測(cè)試響應(yīng)功能。（2）容錯(cuò)性評(píng)估容錯(cuò)性評(píng)估分為控制容錯(cuò)性評(píng)估、數(shù)據(jù)容錯(cuò)性評(píng)估、硬件故障恢復(fù)容錯(cuò)性評(píng)估：容錯(cuò)性=以下各條款評(píng)分之和條款數(shù)控制容錯(cuò)性度量對(duì)并發(fā)處理的控制能力；錯(cuò)誤的可修正性和處理可繼續(xù)進(jìn)行能力。數(shù)據(jù)容錯(cuò)性度量非法輸入數(shù)據(jù)的容錯(cuò)；對(duì)相互沖突的要求和非法組合容錯(cuò)；輸出數(shù)據(jù)是否合理容

8、錯(cuò)。硬件故障中恢復(fù)容錯(cuò)性度量故障后恢復(fù)能力容錯(cuò)。（3）易恢復(fù)性度量與易恢復(fù)性緊密相關(guān)的測(cè)試是強(qiáng)度測(cè)試和健壯測(cè)試。強(qiáng)度測(cè)試又稱為力度測(cè)或極限測(cè)試，主要測(cè)試系統(tǒng)對(duì)空間強(qiáng)度和時(shí)間強(qiáng)度的容忍極限；健壯測(cè)試又稱異常測(cè)試，是很重要的可靠性測(cè)試項(xiàng)目。通過易恢復(fù)性測(cè)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(cè)試質(zhì)量可控制。易恢復(fù)性=以下各條款評(píng)分之和條款數(shù)空間強(qiáng)度可恢復(fù)；時(shí)間強(qiáng)度可恢復(fù)；數(shù)據(jù)強(qiáng)度可恢復(fù)；異常通信可恢復(fù)；數(shù)據(jù)破壞可恢復(fù)；電池極限可恢復(fù)。（4）測(cè)試可信度評(píng)估測(cè)試可信度是對(duì)測(cè)試質(zhì)量的有效評(píng)估，是保證質(zhì)量的必要步驟。目前雖然很難有量化的指標(biāo)，但我們采取積分的方式顯示可信度。例如，請(qǐng)4個(gè)人員

9、（甲、乙、丙、丁）對(duì)系統(tǒng)5個(gè)功能打一個(gè)從0（不信任）到10（完全信任）之間的分?jǐn)?shù)，那么，可信度度量可以用表3進(jìn)行計(jì)算。3 測(cè)試實(shí)例（1）電流測(cè)試電流測(cè)試是嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)測(cè)試中首先要進(jìn)行的重要測(cè)試，也是最容易被忽視的測(cè)試。主要是測(cè)試系統(tǒng)的工作電流、待機(jī)電流。人們一般把它當(dāng)成與系統(tǒng)測(cè)試無關(guān)的硬件測(cè)試。但是對(duì)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(yùn)行。實(shí)例1說明了電流測(cè)試對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響及不可替代的作用。測(cè)試現(xiàn)象描述：進(jìn)行同一廠商PDA系統(tǒng)測(cè)試，有幾臺(tái)PDA在名片子系統(tǒng)、行程子程序的操作過程中隨機(jī)死機(jī)。我們當(dāng)時(shí)的錯(cuò)誤分析定位是：懷疑操作系統(tǒng)中斷處理錯(cuò)誤；懷疑內(nèi)存泄漏，堆

10、棧溢出；懷疑應(yīng)用程序錯(cuò)誤。在軟件開發(fā)人員為解決這個(gè)問題檢查軟件時(shí)，硬件開發(fā)人員提出應(yīng)首先測(cè)試一下這幾臺(tái)機(jī)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(jī)死機(jī)問題消失。由此例還可以看出，嵌入式系統(tǒng)測(cè)試的軟硬件測(cè)試不可分性。絕對(duì)的將硬件測(cè)試和軟件測(cè)試區(qū)分開來的測(cè)試思想是不正確的。我們?cè)谙到y(tǒng)測(cè)試時(shí)的電流測(cè)試設(shè)計(jì)如表4。表4 電流測(cè)試測(cè)試電流項(xiàng)目測(cè)試結(jié)果（不同的產(chǎn)品對(duì)電流要求不同）備 注預(yù)期值實(shí)測(cè)值待機(jī)電流/mA關(guān)機(jī)后電流測(cè)試啟動(dòng)電流/mA開機(jī)瞬間電流測(cè)試工作電流/mA正常工作電流測(cè)試（2）兼容性測(cè)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(duì)硬件的兼容及軟件升級(jí)版本的兼容性極為重要。表5是便攜林翰林電子書升級(jí)版本兼容性測(cè)試實(shí)例。表5 兼容性測(cè)試兼容性測(cè)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(cè)試BIOSV1.0BIOSV2.0操作系統(tǒng)兼容測(cè)試VOLF V.1.0VOLF V.2.0應(yīng)用軟件兼容測(cè)試READER V.1.0READER V.2.0PC制書軟件兼容測(cè)試PCREADRE V1.PCREADER V2.實(shí)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(cè)試要考慮硬件兼容性、BIOS兼容性、操作系