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                        武控計算機軟件測試平臺的研制及測試

                        添加時間:2020/05/18 來源:華東理工大學 作者:高賽軍
                        本課題是以我單位研制的武控計算機軟件為背景,武控計算機軟件運行在軍用加固計算機上,采用Compact PCI總線,采用Vxworks實時操作系統,以滿足高實時性、高可靠性的要求.
                        以下為本篇論文正文:

                          摘要

                          嵌入式系統是計算機、通信、自動化控制等技術高度整合而且產生的產物.本文以我院承制的武控計算機軟件測試需求為背景,主要研究武控計算機軟件測試平臺的研制及武控計算機軟件測試過程中的關鍵問題.主要有以下5點想法:

                          第1點:研究分析當前通用軟件測試過程模型的優缺點,結合嵌入式武控計算機軟件本身的特性,提煉出適用于嵌入式武控計算機軟件的測試過程模型,不但能保證測試質量,而且提高工作效率.

                          第2點:結合武控計算機軟件自身的特點,研究分析了軟件內存缺陷測試的問題,找到嵌入式武控計算機軟件內存泄漏的出處且分析出原因,提出了解決之法.

                          第3點:本課題從實際應用出發,使用自動化靜態測試技術,研究分析了靜態測試中使用的各種度量元(包括基本復雜度、扇入扇出數、圈復雜度等)對于嵌入式軟件的影響,提出如何有效的降低部分重要的軟件靜態質量度元并且提高軟件的質量.

                          第4點:武控計算機軟件由兩大部分組成控制邏輯與數學模型(包括目標攔截排序、目標數據濾波及目標殺傷區數學模型等),如何實現對武控計算機軟件中數學模型的實現進行有效驗證,也是此課題的難點之一.

                          第5點:本課題分析了武控計算機軟件覆蓋率測試的需求和難點,配置McCabe軟件和硬件測試環境,盡可能有效地獲得覆蓋率歷史數據,實現嵌入式武控計算機軟件覆蓋率測試自動化.

                          關鍵詞:靜態分析;內存泄漏測試;覆蓋率測試

                          Abstract

                          The embedded system is a product of technologies highly integrated in computer,communication and automatic control, etc. This dissertation is based on the software testingrequirement for the weapon-control computer which is produced by our academy, and themain point is to take research on developing the software testing platform for theweapon-control computer, and also to take research on solving the key problems occurred inprocedures of the weapon-control computer's software testing. These are the following ideas:

                          1:This dissertation analyses the advantages and disadvantages of the common softwaretesting models currently used. Considering the particularities of the weapon-control computer,this dissertation comes to a software testing procedure model suitable for embeddedweapon-control computer, which can not only ensure the testing quality, but also increase theworking efficiency.

                          2:This dissertation studies the problems in memory deficiency testing for software,and also analyses the cause of memory leaking and comes to a solution.

                          3:This topic is based on practical application, and it uses automatic static testingtechniques to analyses several kinds of measurements, including basic complexity, the numberof fan-in and fan-out, cyclomatic complexity, and to analyses the affections to the softwareitself. It comes to an idea on how to decrease some important measurements and raise thequality of the software.

                          4:The software on weapon-control computer consists of two main parts: thecontroling logic part and the mathematic part, which includes object blocking sorting model,object data filtering model and object damaging area model. It's a special dificulty to find out how to validate the mathematic models in the software effectively.

                          5:This dissertation analyses the requirements and difficulties in coverage testing of theweapon-control computer software. It also configures McCabe software and hardwareenvironment, and gets the historic coverage data as effective as possible. It comes to anautomatic method for coverage testing of the weapon-control computer software.

                          Key word: Static analysis; Memory leaking testing; Coverage testing

                          目錄

                          第1章前言

                          1.1 選題的背景

                          某型號武控計算機軟件是B級關鍵性軟件,作為導彈武器系統中的核心控制軟件,武控計算機軟件安裝在武控臺內,主要完成對外信息交換、目標信息處理、目標威脅判斷、射擊通道組織、射擊諸元解算、射擊方式確定以及導彈發射控制等作戰控制功能.其可靠性和安全性直接關系到整個導彈武器系統的作戰效能.

                          本課題是以我單位研制的武控計算機軟件為背景,武控計算機軟件運行在軍用加固計算機上,采用Compact PCI總線,采用Vxworks實時操作系統,以滿足高實時性、高可靠性的要求.為了更加有效的、充分的完成武控計算機軟件的測試,提高軟件的質量,搭建一套獨立的第三方武控計算機軟件測試臺是必不可少的.在該測試環境下輸入測試用例,對武控計算機軟件的功能需求、性能需求、接口需求、安全性需求、邊界需求及系統工作余量需求等進行測試,同時可直接觀察測試結果并且進行覆蓋率分析,找出軟件的各種BUG,進而避免當系統交付使用后由于潛在的BUG而造成頻繁的軟件維護.

                          1.2 課題的國內外研究現狀

                          從目前國內外的研究現狀來看,對于嵌入式軟件的測試工作,大部分集中在關注嵌入式軟件的調試工作或者是軟件測試的某些方面,如《基于PolySpace的嵌入式軟件內存測試》、《嵌入式軟件更改黑盒測試的方法》等,很少有全面的、系統的進行相關測試測試研究.例如文獻[2-7]主要研究了通用平臺的軟件測試技術方法.文獻[5]與[6]重點介紹了關于軟件靜態測試方面的研究成果等.

                          目前國內外軟件測試技術領域內的研究熱點有嵌入式軟件測試、面向對象軟件測試、軟件測試過程模型、集成測試、單元測試充分性標準、軟件質量和復雜度度量、自動化測試數據生成、選擇性回歸測試技術、自動化測試工具開發和測試管理工具開發等.

                          國外的科研機構與大學在軟件測試領域的研究相對于國內的科研機構一直處于領先地位,例如GeorgeMosan的研究方向是基于規范的測試自動生成與面向對象的測試技術研究; Carnegie Mellon大學則側重于C/S 系統測試技術和回歸測試的研究;而NSTL主要從事測試規范和標準的制定.

                          國內針對軟件測試技術進行深入研究的科研機構比較少.例如中國軟件測評中心,航天工業集團204所,北京航空航天大學軟件工程研究所,總參61所和國防科工委系統所等.西北工業大學主面的研究方向主要集中在航空軟件仿真測試,C/S 系統測試以及并行軟件綜合測試平臺等方面.北京航空航天大學主要研究的方向則是進行一系列的測試工具和軟件分析的研究與開發,其主要成果為一系列的測試工具和程序理解工具.南京大學與航空計算機研究所的主要研究方向集中在嵌入式系統測試方向,并且開發了一系列測試用例自動生成工具和靜態分析工具.例如文獻[33-35]主要是軟件自動化測試工具的應用與研究,搭建嵌入式軟件動態測試平臺,使用軟件自動化測試工具RTInsight和TestBed實現嵌入式軟件的動態覆蓋率測試與性能測試等.

                          1.3嵌入武控計算機軟件測試所面臨的問題.

                          (1)建立武控計算機軟件過程測試模型

                          如何根據嵌入式的測試模型特征與通用軟件測試模型的優缺點,合理地建立靈活高效的過程測試模型,正確地指導整個測試過程.

                          (2)建立武控計算機軟件仿真測試平臺

                          上海航天軟件評測中心在使用武控計算機軟件測試平臺,一般情況下,由于任務的緊迫性與頻繁性,一般都是使用設計方實裝環境.但是實裝環境有諸多約束,比如外圍的軟硬件都為正常設置,不易修改,導致一些異常的、失效性的等安全性方面的測試用例無法正常注入,這使得測試的充分性得不到保障.

                          (3)解決嵌入式武控計算機軟件內存泄漏測試難題

                          在嵌入式武控計算機軟件中,運行的內存是有限的,內存泄漏將對系統產生影響,最壞的情況可能導致系統崩潰.導致內存泄漏的源代碼檢查,僅僅依靠人工檢查的方式進行,不但工作量非常大,而且不能動念監視內存分配,所以測試不充分.借助測試工具監視系統運行中的內存動態分配和釋放.

                          (4)解決嵌入式武控計算機軟件的靜態測試難題

                          靜態測試是對源代碼進行規則性、各個度量元檢查,經過靜念分析軟件產生的分析結果可能存在一些誤差,需要結合人工進行進一步的分析與確認.測試人員在這個過程中不斷的積累典型案例,總結經驗,對代碼檢查單進行進-步的完善與改進.

                          (5)解決武控計算機軟件中數學模型驗證難題

                          數學模型的驗證一直以來都是軟件測試驗證的難題,數學模型中大量的使用復雜的數學公式與數值計算,而且定義大量的全局與局部變量,如何保證這些復雜運算的正確性及變量使用的合理性,是數學模型驗證急需解決的一個難題.

                          (6)解決武控計算機軟件覆蓋率測試難題

                          嵌入式武控計算機系統要求是一個高可靠性、高安全性的系統.為了能夠保障系統的高質量,就要求測試必須充分.怎么才能保證測試的充分性,測試用例的用例的執行,保證盡可能多的程序語句與分支被執行,即保證軟件測試的覆蓋率.盡可能保證所有的代碼都被執行過,最大限度的發現潛藏在軟件中的BUG.如果存在某些源代碼的語句或分支未被執行,則就可能存在一定的風險.要分析確定測試用例注入完成后軟件的覆蓋率,就要通過覆蓋率測試工具軟件來完成.首先,覆蓋率是通過對源代碼進行插裝來實現的,但是通過人工手動對其插裝工作量非常大,而且可能存在疏漏,同時覆蓋率分析工作也存在巨大的困難,怎樣借助覆蓋率測試工具米實現代碼的自動插裝和覆蓋率分析是問題的關鍵.其次,出于武控計算機軟件源代碼在插樁后程序膨脹,有可能導致編譯報錯,插樁后的程序無法下載執行,如何解決程序插樁后膨脹也能正常編譯運行也是研制測試平臺關鍵要解決的問題.

                          1.4 本課題的主要研究內容

                          (1)詳細地分析描述了目前存在的軟件測試過程模型的優點和缺點,結合嵌入式武控計算機軟件的特點,建立嵌入式武控計算機軟件測試過程模型.

                          (2)詳細地分析目前在設計師真實環境下進行測試的優點和缺點,結合嵌入式的特點,搭建嵌入式武控計算機軟件仿真測試平臺.

                          (3)嵌入式武控計算機軟件屬于裝備軟件,測試依據文件為裝備軟件實施細則,該文檔對質量度量指標都有明確的要求,根據其特點,建立嵌入式武控計算機軟件靜態分析模型,總結出其要求與TestBed編碼規則項對照表,著重解決靜態分析質量度量指標中函數的圈復雜度、基本復雜度、扇入/扇出數在超過標準值,如何準確地量化地排除其影響.

                          (4)研究解決武控計算機軟件中的目標攔截排序、目標數據濾波及目標殺傷區數學模型的驗證.

                          (5)建立嵌入式武控計算機軟件覆蓋率測試和內存泄漏測試的軟件和硬件測試環境,使用McCabe和CodeTEST自動化測試工具,實現嵌入式武控計算機軟件覆蓋率測試和內存泄漏測試自動化,分析覆蓋率測試和內存泄漏測試結果,分析軟件覆蓋測試結果及總結軟件內存泄漏的原因,從而提高嵌入式武控計算機軟件測試的質量及可靠性.

                          第2章 軟件測試的基本理論與獨立半仿真測試平臺的建立

                          2.1 軟件測試的基本理論

                          2.1.1 軟件測試的定義

                          軟件測試的經典定義是在規定條件下對程序進行操作,以發現錯誤,對軟件質量進行評估[1].軟件測試就是利用測試工具按照一定的測試方案和流程對軟件產品進行功能、性能、接口及安全性測試,甚至根據需要編寫不同的測試工具,設計和維護測試系統,對測試方案可能出現的問題進行分析和評估,執行測試用例后,需要跟蹤故障,以確保開發產品符合需求.IEE軟件工程標準術語,軟件測試定義為:"使用人工或自動化手段來運行或測試某個系統的過程,其目的在于檢驗它是否滿足規定的需求或弄清楚預期結果與實際結果之間的差別".可見不管如何定義,軟件測試的核心就是"檢驗軟件與需求的一致性".

                          2.1.2 軟件測試的目的

                          一直以來,人們對軟件測試的目的存在著兩種不同的認識.一種觀點認為軟件測試的目的就是盡最大可能發現軟件中存在的BUG;另一種觀點認為軟件測試的目的就是驗證軟件的正確性.

                          如何進行組織測試決定于軟件測試的目的.如果測試的目的是為了上述第一種觀點,那么測試就應該有針對性,對軟件中非常復雜的或者比較容易出錯的地方進行測試.如果測試目的是為了上述第二種觀點,那么測試就應該直接針對軟件對于需求的實現上進行相關測試.

                          在談到關于軟件測試的目的時,許多人都引用Grenford J. Myers 在《The Art of Software Testing》一書中的觀點[2]:

                          軟件測試就是對軟件過程按一定方案實現進而發現錯誤;

                          測試是為了證明程序有錯,而不是證明程序無錯誤;

                          一個好的測試用例就是在于它能發現至今未被發現的錯誤;

                          一次成功的測試是發現了至今未被發現的錯誤的測試.

                          文獻[3]提出了測試目的不僅是為了發現軟件中的錯誤與缺陷,而且也是對軟件質量進行評估和度量,從而不斷提高軟件的質量.

                          軟件測試的目的就是以最少的人力、物力和時間消耗找出潛藏在軟件中的各種缺陷和錯誤,通過修正發現的各種缺陷和錯誤來不斷提高軟件質量,規避軟件發布后由于潛藏在軟件中的各種錯誤和缺陷造成的隱患所帶來的商業風險.同時,軟件測試是以對一個軟件或者系統進行評價為目的的活動,對被測試軟件的質量進行評估,以驗證軟件滿足用戶所提需求的程度,從而為用戶接受該軟件提供一定的依據.

                          此外通過不斷的分析測試中發現的錯誤產生的原因,從而幫助發現當前軟件開發所使用的軟件過程的缺陷,實現軟件過程的不斷改進.同時,通過對測試產生的結果進行整理分析,為軟件的可靠性提供一定的依據.

                          2.1.3 軟件測試的分類

                          軟件測試種類繁多,常用的分類方法主要有以下幾種:

                          (1)按測試過程階段分類

                          軟件測試可分為單元測試,部件集成測試,部件確認測試,配置項組裝測試、配置項確認測試、系統綜合測試,系統驗收測試.

                          (2)按測試方式分類

                          軟件測試可分為靜態測試與動態測試.

                          (3)按測試專題分類

                          軟件測試可分為功能測試、性能測試、接口測試、余量測試、邊界測試、安全性測試、強度測試及安裝性測試等.

                          (4)按測試對象分類

                          軟件測試可分為文檔測試(包括需求規格說明書、概要設計規格說明書、詳細設計規格說明書、接口協議、數學模型及用戶手冊等文檔)、代碼測試和配置項測試等.

                          (5)按實施組織分類

                          軟件測試可分為:開發方測試(a測試),用戶測試(β測試),第三方測試(Y測試).

                          軟件測試的分類是多樣性的,在實際工作中并非使用單一的軟件測試技術,如使用比較頻繁白盒測試和黑盒測試,靜態測試和動態測試.在這一次的操作過程中我們還使用了結構測試和靜態分析的原理,在下文中將會作也解釋.










                          2.2 軟件測試技術

                          2.2.1軟件靜態測試技術

                          2.2.2軟件動態測試技術

                          2.2.3軟件覆蓋率測試技術

                          2.3嵌入式武控計算機軟件測試

                          2.3.1嵌入式軟件測試環境

                          2.3.2嵌入式軟件測試特點

                          2.3.3嵌入式軟件測試方法

                          2.4軟件測試過程模型

                          2.4.1嵌入式武控計算機軟件的特點

                          2.4.2典型軟件測試過程模型

                          2.4.3嵌入式武控計算機軟件測試過程模型

                          3.4.4嵌入式武控計算機軟件測試過程模型的優點

                          2.5嵌入式武控計算機軟件半實裝仿真測試平臺的建立

                          2.5.1半實裝仿真測試平臺主要功能與技術指標

                          2.5.2半實裝仿真測試平臺結構與組成

                          2.5.3半實裝仿真測試平臺校驗及測試

                          2.6 本章小節
                         

                          第3章嵌入式武控計算機軟件靜態測試

                          3.1嵌入式武控計算機軟件靜態測試的相關概念

                          3.2嵌入式武控計算機軟件靜態測試需求與難點

                          3.3嵌入式武控計算機軟件靜態測試技術

                          3.3.1嵌入式武控計算機軟件靜態分析過程

                          3.3.2嵌入式武控計算機軟件靜態測試技術分析

                          3.4 本章小節
                         

                          第4章嵌入式武控計算機軟件數學模型驗證

                          4.1嵌入武控計算機軟件數學模型的特點

                          4.2嵌入式武控計算機軟件數學模型驗證方法

                          4.2.1嵌入式武控計算機軟件數學模型測試方法實現

                          4.2.2嵌入式武控計算機軟件數學模型測試方法的有效性與充分性分析

                          4.3嵌入式武控計算機軟件數學模型測試試驗

                          4.4本章小節
                         

                          第5章嵌入式武控計算機軟件內存泄漏測試

                          5.1內存泄漏相關概念

                          5.2嵌入式武控計算機軟件內存泄漏測試的難點

                          5.3內存泄漏分析

                          5.4內存泄漏監視的基本思想

                          5.5內存泄漏監視算法

                          5.6內存泄漏算法設計與實現

                          5.7本章小節
                         

                          第6章嵌入式武控計算機軟件邏輯覆蓋率測試

                          6.1嵌入武控計算機軟件邏輯測試的相關概念

                          6.2嵌入式武控計算機軟件邏輯覆蓋測試的需求與難點

                          6.3嵌入式武控計算機軟件邏輯覆蓋自動化測試工具

                          6.3.1邏輯覆蓋率測試工具的選擇

                          6.3.2 Macabe 測試工具技術原理

                          6.4嵌入式武控計算機軟件覆蓋測試技術

                          6.4.1測試環境配置

                          6.4.2嵌入式武控計算機軟件覆蓋率測試過程

                          6.4.3嵌入式武控計算機軟件覆蓋率測試結果分析

                          6.5本章小節

                          第7章 結論

                          航天相關型號的軟件,特別是作為軍用軟件,對軟件的實時性、安全性及可靠性等要求非常高,而且運行在具有特殊條件的工作環境中,這就給軟件測試帶來了極大的困難,在普通環境與平臺上可以使用的測試技術和方法,對于這些軟件很難適用.本課題便是針對這一類高實時性的嵌入式軟件的測試,提出了一些有效可行的解決方案.最終提高嵌入式武控計算機軟件測試的有效性、獨立性和充分性.

                          本課題的主要工作和研究成果在于以下幾點:

                          (1)詳細分析總結以往的軟件測試理論方面的成果,針對嵌入式軟件的本身的各項特點,通過學習比較并且深入分析國內外相關學者提出的典型軟件測試過程模型,分析各個典型模型的優點和缺點,通過結合嵌入式武控計算機軟件的相關特性,提出適用于嵌入式武控計算機軟件的測試的過程模型.

                          (2)詳細地介紹了嵌入式武控計算機軟件獨立仿真平臺的主要功能及具體技術指標,描述此平臺的具體構成,分析比較了半實裝仿真測試平臺與全實裝測試環境下測試結果,通過半實裝仿真測試平臺的使用提高了第三方測試的的有效性、獨立性和充分性.

                          (3)簡要介紹了靜態測試的相關概念,結合嵌入式武控計算機軟件本身的特點,提出了適用于嵌入式武控計算機軟件的靜態測試過程.根據《裝備軟件測試細則》與《裝備軟件質量管理辦法》對于武控計算機軟件的各項編碼規則要求,總結出了裝備軟件靜態分析技術要求與Logiscope編碼規則項對照.結合裝備軟件質量度量指標的相關要求,闡述了軟件圈復雜度、基本復雜度及扇入/扇出數的算法,解決了如何量化地排除switch、case語句結構給軟件圈復雜度、基本復雜度及扇入/扇出數帶來的影響.

                          (4)詳細地分析了嵌入式武控計算機軟件數學模型的特點,提出了適用于嵌入式武控計算機軟件數學模型驗證的方法,并且通過與傳統數學模型驗證方法進行試驗比較,從而更有力的證明此方法的可行性與高效性.

                          (5)簡要的介紹了內存泄漏的相關概念,詳細地分析了嵌入式武控計算機軟件內存泄漏測試的需求與難點,針對嵌入式武控計算機軟件運行環境的特殊性,提出了適用于嵌入式武控計算機軟件的內存泄漏監視算法,提高嵌入式軟件質量和安全性.

                          (6)簡要的介紹了邏輯測試的相關概念,詳細地闡述了嵌入式武控計算機軟件邏輯覆蓋率測試的需求與難點,通過試驗分析比較覆蓋率測試工具Testbed和Macabe工具的對源碼進行插樁后的空間與時間膨脹率,為測試工具的選擇提供依據.最終選擇Macabe測試工具,分析了Macabe測試工具的技術原理,配置嵌入式武控計算機軟件邏輯覆蓋率測試的軟件和硬件測試環境,構建嵌入式武控計算機軟件邏輯覆蓋率測試過程.介紹了嵌入式武控計算機軟件邏輯覆蓋測試的全過程,詳細地分析和研究了覆蓋率測試的結果.

                          雖然本課題解決了嵌入式武控計算機軟件測試目前存在的某些問題,但是由于各方面條件的限制,在整個課題的研究過程中仍然存在一些尚未解決的問題有待于進一步研究解決:

                          (1)嵌入式武控計算機軟件覆蓋率測試和內存泄漏測試都要求對源代碼進行是在代碼插裝的環境下進行的,源代碼插裝后將對系統的運行性能有著一定影響,研究解決新的軟件覆蓋率測試與內存泄漏測試方法,使之完全不影響軟件運行性能.

                          (2)靜態分析存在的最重要的問題是分析問題精確度不夠,往往出現誤報與漏報的情況,而且靜態分析形成的報告結果需要人工進行進一步的分析和確認.因此需要測試人員不斷的積累經驗與相關的典型案例,有針對性的完善代碼檢查單,使之更加有針對性,更加全面而且有效,如何將完善后的代碼檢查單的內容進行分析評估,抽象出可檢查的規則,加入相應靜態分析工具中,也是需要我們進行不斷深入探索研究的問題.

                          致謝

                          本課題在選題及研究過程中得到了過弋老師的悉心指導,過老師無論在我論文最初開題,論文的撰寫過程、論文的修改還是最終論文的定稿,他全程給予了我極大的幫助,幫我開拓了思路.雖然他自身工作也很繁忙,但是過老師總能及時將修改意見告知我,并多次當面指導我的論文.過老師嚴謹踏實的作風、淵博的知識、孜孜不倦的誨人,都給我留下了深深的印象,也深深地影響了我.

                          對于該項目的研究,我還要感謝秦嘉萍研究員的支持使得該項目得以實施,其次要感謝項目組成員施小敏、尤志堅等人的協助配合,使得該項目得以完成.

                          感謝王永孟副主任在繁忙的工作之中,給于了我細心地幫助和指導.在此表示深深的謝意.

                          最后,感謝在我攻讀軟件工程工程碩士期間教導過我的老師,以及我的家人和朋友.

                          參考文獻
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