什么是在環(huán)測試

嵌入式系統軟件是一個(gè)競爭優(yōu)勢。軟件可以使得已經(jīng)舒適的乘坐更具吸引力，比競爭性交通工具更好。它還可減少駕駛室噪音，或降低燃油消耗?？奢p松地配置嵌入式軟件，以符合用戶(hù)的喜好 – 只需按一下開(kāi)關(guān)便可將舒適的公路汽車(chē)變?yōu)楦哌\動(dòng)特色的交通工具。

當然也可在硬件中實(shí)現那些可以通過(guò)軟件獲得的功能，但是這樣做會(huì )相應地增加制造成本和產(chǎn)品價(jià)格。嵌入式軟件還可實(shí)現重復利用，并且可更加頻繁地更新，以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的需求。

圖1，在環(huán)測試示意圖

所有這些以及其他更多原因造成了嵌入式軟件應用的復雜性。很難測試和驗證復雜嵌入式軟件的功能。驗證和確認費用、解決缺陷的成本以及沒(méi)有及時(shí)發(fā)現的缺陷問(wèn)題會(huì )抹殺掉軟件功能具有的所有優(yōu)勢。

嵌入式軟件開(kāi)發(fā)行業(yè)意識到這一點(diǎn)，并基于圖形化模型進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，以應對不斷增長(cháng)的復雜性。圖形化的產(chǎn)品功能還具有仿真能力，可提高驗證和確認方法。本文簡(jiǎn)要概述通過(guò)基于模型的設計的關(guān)鍵軟件測試方法。

1 通過(guò)模型開(kāi)發(fā)和測試嵌入式軟件

建模是設計和開(kāi)發(fā)中的一個(gè)重要步驟，它發(fā)生在收集高層需求之后以及進(jìn)行任何實(shí)現之前。模型還允許在開(kāi)發(fā)的同時(shí)，進(jìn)行持續地進(jìn)行測試和驗證。

圖2，建模是設計和開(kāi)發(fā)中的一個(gè)重要步驟

在早期的設計階段，開(kāi)發(fā)者可開(kāi)發(fā)純粹的行為模型，以闡明并定義軟件的詳細要求。

雖然此類(lèi)模型已經(jīng)具備了基本解決方案的輪廓，但是它們依然獨立于目標平臺。這些目標獨立的行為模型將用于設計驗證和早期的需求確認。

用于捕獲關(guān)鍵需求、在仿真中展示正確行為以及展示對高層需求可追溯性的模型通常被稱(chēng)為“可執行規范”。

對可執行規范的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和具體實(shí)現可產(chǎn)生代表最終實(shí)現的模型的定義。這就是用于產(chǎn)品代碼生成的模型。通常，這些模型會(huì )對代碼生成做優(yōu)化;它將從數據類(lèi)型、目標架構以及要求的代碼風(fēng)格。所有這些變更需要一個(gè)驗證過(guò)程，確保產(chǎn)品代碼生成模型中引入的變更不會(huì )改變軟件的行為。確認生產(chǎn)代碼生成模型以及生成代碼的正確行為的測試為代碼驗證。

把驗證分布在設計驗證和代碼驗證階段允許我們更早地開(kāi)始驗證工作，更多的關(guān)注在測試上和更短的時(shí)間去修復在測試中檢測到的錯誤。在本文的其余部分，我將介紹兩個(gè)設計驗證方法：

·模型在環(huán)測試

·軟件在環(huán)測試

以及用于代碼驗證的兩個(gè)方法：

·處理器在環(huán)測試

·硬件在環(huán)測試

2 設計驗證

設計驗證的主要目的是確認所有關(guān)鍵要求和設計概念是否已正確體現在設計模型中。

·模型在環(huán)測試

與“靜態(tài)”的書(shū)面設計不同，可在仿真過(guò)程中評估可執行規范。通常，通過(guò)改變一組模型參數或輸入信號，或通過(guò)查看輸出結果或模型的響應，來(lái)完成這一操作。依據模型執行的仿真順序也稱(chēng)為模型在環(huán)測試。

模型在環(huán)測試的測試數據可來(lái)自測試矢量數據庫，或來(lái)自實(shí)際系統的模型，在后一種情況下，我們討論閉環(huán)控制系統。

可執行規范通常不僅僅包含功能設計模型和軟件邏輯，還包括設備和環(huán)境模型、高層需求的鏈接以及其他文件。它通常還包括用于自動(dòng)化仿真結果評估的驗證數據。

模型在環(huán)測試的結果可用于驗證軟件行為是否正確，并確認開(kāi)發(fā)流程的初始需求。通過(guò)仿真收集的信息會(huì )成為代碼驗證的基準。

·軟件在環(huán) (SIL)

在許多情況下，在目標環(huán)境中部署軟件之前，確保所設計的系統的軟件組件能夠按預期運行，這一點(diǎn)非常重要。

圖3，軟件在環(huán)(軟件算法測試)

軟件算法的測試(在主機上的聯(lián)合仿真中評估生成的函數或手寫(xiě)的代碼)稱(chēng)為“軟件在環(huán)”。與模型在環(huán)測試類(lèi)似，輸入測試矢量可來(lái)自于測試數據庫或來(lái)自設備模型，并且可與 MIL 測試共享。

當軟件組件包含需要在目標平臺上執行的生成代碼(例如，更新控制器邏輯以滿(mǎn)足新要求)和手寫(xiě)代碼(例如，現有驅動(dòng)程序和數據適配器)的組合時(shí)，此類(lèi)驗證尤其有用。

通常利用軟件在環(huán)測試來(lái)驗證圖形化模型中現有算法的重新實(shí)現?？赡芎茈y或需要花費較多成本來(lái)維護一些舊的但是正確的代碼，這對于在建模環(huán)境中重新實(shí)現及驗證而言意義重大。在這種情

況下，仿真成為比較新模型實(shí)現和舊代碼中已有算法的輸出的環(huán)境。

3 代碼驗證

驗證設計質(zhì)量及其對現有的需求的兼容性之后，我們可專(zhuān)注于代碼驗證。代碼驗證的關(guān)鍵目標是確保軟件行為匹配在仿真中捕獲的模型行為。

·處理器在環(huán) (PIL)

從概念上來(lái)說(shuō)，處理器在環(huán) (PIL) 測試類(lèi)似于軟件在環(huán)測試。關(guān)鍵的差別在于 PIL 代碼在嵌入式處理器硬件或指令集仿真器上執行，以便該驗證可考慮在目標處理器上執行的算法的特定具體條件。在模型與部署的目標代碼之間傳遞的數據通過(guò) CAN 或串行設備之間通過(guò)真正的輸入輸出來(lái)完成。

圖4，處理器在環(huán)

用于 MIL 和 PIL 的模型現在可用作處理器板的測試框架。通過(guò)處理器在環(huán)，我們仍然可在主機上運行模型，并使用它對軟件組件輸入生成實(shí)際數據。除此之外，我們還可使用調試器分析代碼(已編譯的代碼)逐步說(shuō)明裝配級別說(shuō)明，就像在完全嵌入式系統中那樣進(jìn)行鏈接和部署。

通過(guò) PIL，我們還可查看代碼函數的執行順序，并確認操作系統函數的調用或在目標上執行時(shí)所需的其他庫，以及在執行驗證方案過(guò)程中監控內存容量。

在一些項目中，PIL 可在符合相同規范當來(lái)自不同廠(chǎng)商的處理器板上比較算法行為。

正如 SIL 一樣，此驗證方法并不用于非實(shí)時(shí)分析。

·硬件在環(huán) (HIL)

目前提到的所有測試方法不能用于實(shí)時(shí)地驗證設計。仿真以及與目標板通信的負荷不允許算法的實(shí)時(shí)測試。

圖5，硬件在環(huán)

為了重新利用為前面描述的測試方法創(chuàng )建的數據，并繼續使用該結果作為實(shí)時(shí)測試的指導和基準，我們?yōu)槟Ｐ蜕纱a并在實(shí)時(shí)環(huán)境中部署它。此類(lèi)配置可降低在實(shí)際且通常較昂貴的設備上的測試風(fēng)險，但是它允許我們驗證算法的實(shí)時(shí)方面。

此類(lèi)型的驗證要求尖端的信號調節和電力電子技術(shù)，以便正確地模擬輸入并接收目標硬件的輸出。HIL通常在系統集成和現場(chǎng)測試之前，作為最后一個(gè)實(shí)驗室測試步驟。

4 結論

嵌入式系統開(kāi)發(fā)的技術(shù)為提升驗證和確認方法提供了一次絕好的機會(huì )。通過(guò)仿真建模以及代碼生成使快速原型和更加系統的測試和早期驗證成為可能。

上述的每個(gè)在環(huán)測試方法解決了特定類(lèi)型的問(wèn)題，并且具有某些優(yōu)勢。本文中描述的不同方法在嚴格的開(kāi)發(fā)過(guò)程中均出現過(guò)，每個(gè)方法有助于將巨大的驗證挑戰分為更小、更易管理的驗證和確認活動(dòng)。