武控计算机软件测试平台的研制及测试

　　摘要

　　嵌入式系统是计算机、通信、自动化控制等技术高度整合而且产生的产物.本文以我院承制的武控计算机软件测试需求为背景,主要研究武控计算机软件测试平台的研制及武控计算机软件测试过程中的关键问题.主要有以下5点想法:

　　第1点:研究分析当前通用软件测试过程模型的优缺点,结合嵌入式武控计算机软件本身的特性,提炼出适用于嵌入式武控计算机软件的测试过程模型,不但能保证测试质量,而且提高工作效率.

　　第2点:结合武控计算机软件自身的特点,研究分析了软件内存缺陷测试的问题,找到嵌入式武控计算机软件内存泄漏的出处且分析出原因,提出了解决之法.

　　第3点:本课题从实际应用出发,使用自动化静态测试技术,研究分析了静态测试中使用的各种度量元(包括基本复杂度、扇入扇出数、圈复杂度等)对于嵌入式软件的影响,提出如何有效的降低部分重要的软件静态质量度元并且提高软件的质量.

　　第4点:武控计算机软件由两大部分组成控制逻辑与数学模型(包括目标拦截排序、目标数据滤波及目标杀伤区数学模型等),如何实现对武控计算机软件中数学模型的实现进行有效验证,也是此课题的难点之一.

　　第5点:本课题分析了武控计算机软件覆盖率测试的需求和难点,配置McCabe软件和硬件测试环境,尽可能有效地获得覆盖率历史数据,实现嵌入式武控计算机软件覆盖率测试自动化.

　　关键词:静态分析;内存泄漏测试;覆盖率测试

　　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

　　目录

　　第1章前言

　　1.1 选题的背景

　　某型号武控计算机软件是B级关键性软件,作为导弹武器系统中的核心控制软件,武控计算机软件安装在武控台内,主要完成对外信息交换、目标信息处理、目标威胁判断、射击通道组织、射击诸元解算、射击方式确定以及导弹发射控制等作战控制功能.其可靠性和安全性直接关系到整个导弹武器系统的作战效能.

　　本课题是以我单位研制的武控计算机软件为背景,武控计算机软件运行在军用加固计算机上,采用Compact PCI总线,采用Vxworks实时操作系统,以满足高实时性、高可靠性的要求.为了更加有效的、充分的完成武控计算机软件的测试,提高软件的质量,搭建一套独立的第三方武控计算机软件测试台是必不可少的.在该测试环境下输入测试用例,对武控计算机软件的功能需求、性能需求、接口需求、安全性需求、边界需求及系统工作余量需求等进行测试,同时可直接观察测试结果并且进行覆盖率分析,找出软件的各种BUG,进而避免当系统交付使用后由于潜在的BUG而造成频繁的软件维护.

　　1.2 课题的国内外研究现状

　　从目前国内外的研究现状来看,对于嵌入式软件的测试工作,大部分集中在关注嵌入式软件的调试工作或者是软件测试的某些方面,如《基于PolySpace的嵌入式软件内存测试》、《嵌入式软件更改黑盒测试的方法》等,很少有全面的、系统的进行相关测试测试研究.例如文献[2-7]主要研究了通用平台的软件测试技术方法.文献[5]与[6]重点介绍了关于软件静态测试方面的研究成果等.

　　目前国内外软件测试技术领域内的研究热点有嵌入式软件测试、面向对象软件测试、软件测试过程模型、集成测试、单元测试充分性标准、软件质量和复杂度度量、自动化测试数据生成、选择性回归测试技术、自动化测试工具开发和测试管理工具开发等.

　　国外的科研机构与大学在软件测试领域的研究相对于国内的科研机构一直处于领先地位,例如GeorgeMosan的研究方向是基于规范的测试自动生成与面向对象的测试技术研究; Carnegie Mellon大学则侧重于C/S 系统测试技术和回归测试的研究;而NSTL主要从事测试规范和标准的制定.

　　国内针对软件测试技术进行深入研究的科研机构比较少.例如中国软件测评中心,航天工业集团204所,北京航空航天大学软件工程研究所,总参61所和国防科工委系统所等.西北工业大学主面的研究方向主要集中在航空软件仿真测试,C/S 系统测试以及并行软件综合测试平台等方面.北京航空航天大学主要研究的方向则是进行一系列的测试工具和软件分析的研究与开发,其主要成果为一系列的测试工具和程序理解工具.南京大学与航空计算机研究所的主要研究方向集中在嵌入式系统测试方向,并且开发了一系列测试用例自动生成工具和静态分析工具.例如文献[33-35]主要是软件自动化测试工具的应用与研究,搭建嵌入式软件动态测试平台,使用软件自动化测试工具RTInsight和TestBed实现嵌入式软件的动态覆盖率测试与性能测试等.

　　1.3嵌入武控计算机软件测试所面临的问题.

　　(1)建立武控计算机软件过程测试模型

　　如何根据嵌入式的测试模型特征与通用软件测试模型的优缺点,合理地建立灵活高效的过程测试模型,正确地指导整个测试过程.

　　(2)建立武控计算机软件仿真测试平台

　　上海航天软件评测中心在使用武控计算机软件测试平台,一般情况下,由于任务的紧迫性与频繁性,一般都是使用设计方实装环境.但是实装环境有诸多约束,比如外围的软硬件都为正常设置,不易修改,导致一些异常的、失效性的等安全性方面的测试用例无法正常注入,这使得测试的充分性得不到保障.

　　(3)解决嵌入式武控计算机软件内存泄漏测试难题

　　在嵌入式武控计算机软件中,运行的内存是有限的,内存泄漏将对系统产生影响,最坏的情况可能导致系统崩溃.导致内存泄漏的源代码检查,仅仅依靠人工检查的方式进行,不但工作量非常大,而且不能动念监视内存分配,所以测试不充分.借助测试工具监视系统运行中的内存动态分配和释放.

　　(4)解决嵌入式武控计算机软件的静态测试难题

　　静态测试是对源代码进行规则性、各个度量元检查,经过静念分析软件产生的分析结果可能存在一些误差,需要结合人工进行进一步的分析与确认.测试人员在这个过程中不断的积累典型案例,总结经验,对代码检查单进行进-步的完善与改进.

　　(5)解决武控计算机软件中数学模型验证难题

　　数学模型的验证一直以来都是软件测试验证的难题,数学模型中大量的使用复杂的数学公式与数值计算,而且定义大量的全局与局部变量,如何保证这些复杂运算的正确性及变量使用的合理性,是数学模型验证急需解决的一个难题.

　　(6)解决武控计算机软件覆盖率测试难题

　　嵌入式武控计算机系统要求是一个高可靠性、高安全性的系统.为了能够保障系统的高质量,就要求测试必须充分.怎么才能保证测试的充分性,测试用例的用例的执行,保证尽可能多的程序语句与分支被执行,即保证软件测试的覆盖率.尽可能保证所有的代码都被执行过,最大限度的发现潜藏在软件中的BUG.如果存在某些源代码的语句或分支未被执行,则就可能存在一定的风险.要分析确定测试用例注入完成后软件的覆盖率,就要通过覆盖率测试工具软件来完成.首先,覆盖率是通过对源代码进行插装来实现的,但是通过人工手动对其插装工作量非常大,而且可能存在疏漏,同时覆盖率分析工作也存在巨大的困难,怎样借助覆盖率测试工具米实现代码的自动插装和覆盖率分析是问题的关键.其次,出于武控计算机软件源代码在插桩后程序膨胀,有可能导致编译报错,插桩后的程序无法下载执行,如何解决程序插桩后膨胀也能正常编译运行也是研制测试平台关键要解决的问题.

　　1.4 本课题的主要研究内容

　　(1)详细地分析描述了目前存在的软件测试过程模型的优点和缺点,结合嵌入式武控计算机软件的特点,建立嵌入式武控计算机软件测试过程模型.

　　(2)详细地分析目前在设计师真实环境下进行测试的优点和缺点,结合嵌入式的特点,搭建嵌入式武控计算机软件仿真测试平台.

　　(3)嵌入式武控计算机软件属于装备软件,测试依据文件为装备软件实施细则,该文档对质量度量指标都有明确的要求,根据其特点,建立嵌入式武控计算机软件静态分析模型,总结出其要求与TestBed编码规则项对照表,着重解决静态分析质量度量指标中函数的圈复杂度、基本复杂度、扇入/扇出数在超过标准值,如何准确地量化地排除其影响.

　　(4)研究解决武控计算机软件中的目标拦截排序、目标数据滤波及目标杀伤区数学模型的验证.

　　(5)建立嵌入式武控计算机软件覆盖率测试和内存泄漏测试的软件和硬件测试环境,使用McCabe和CodeTEST自动化测试工具,实现嵌入式武控计算机软件覆盖率测试和内存泄漏测试自动化,分析覆盖率测试和内存泄漏测试结果,分析软件覆盖测试结果及总结软件内存泄漏的原因,从而提高嵌入式武控计算机软件测试的质量及可靠性.

　　第2章 软件测试的基本理论与独立半仿真测试平台的建立

　　2.1 软件测试的基本理论

　　2.1.1 软件测试的定义

　　软件测试的经典定义是在规定条件下对程序进行操作,以发现错误,对软件质量进行评估[1].软件测试就是利用测试工具按照一定的测试方案和流程对软件产品进行功能、性能、接口及安全性测试,甚至根据需要编写不同的测试工具,设计和维护测试系统,对测试方案可能出现的问题进行分析和评估,执行测试用例后,需要跟踪故障,以确保开发产品符合需求.IEE软件工程标准术语,软件测试定义为:"使用人工或自动化手段来运行或测试某个系统的过程,其目的在于检验它是否满足规定的需求或弄清楚预期结果与实际结果之间的差别".可见不管如何定义,软件测试的核心就是"检验软件与需求的一致性".

　　2.1.2 软件测试的目的

　　一直以来,人们对软件测试的目的存在着两种不同的认识.一种观点认为软件测试的目的就是尽最大可能发现软件中存在的BUG;另一种观点认为软件测试的目的就是验证软件的正确性.

　　如何进行组织测试决定于软件测试的目的.如果测试的目的是为了上述第一种观点,那么测试就应该有针对性,对软件中非常复杂的或者比较容易出错的地方进行测试.如果测试目的是为了上述第二种观点,那么测试就应该直接针对软件对于需求的实现上进行相关测试.

　　在谈到关于软件测试的目的时,许多人都引用Grenford J. Myers 在《The Art of Software Testing》一书中的观点[2]:

　　软件测试就是对软件过程按一定方案实现进而发现错误;

　　测试是为了证明程序有错,而不是证明程序无错误;

　　一个好的测试用例就是在于它能发现至今未被发现的错误;

　　一次成功的测试是发现了至今未被发现的错误的测试.

　　文献[3]提出了测试目的不仅是为了发现软件中的错误与缺陷,而且也是对软件质量进行评估和度量,从而不断提高软件的质量.

　　软件测试的目的就是以最少的人力、物力和时间消耗找出潜藏在软件中的各种缺陷和错误,通过修正发现的各种缺陷和错误来不断提高软件质量,规避软件发布后由于潜藏在软件中的各种错误和缺陷造成的隐患所带来的商业风险.同时,软件测试是以对一个软件或者系统进行评价为目的的活动,对被测试软件的质量进行评估,以验证软件满足用户所提需求的程度,从而为用户接受该软件提供一定的依据.

　　此外通过不断的分析测试中发现的错误产生的原因,从而帮助发现当前软件开发所使用的软件过程的缺陷,实现软件过程的不断改进.同时,通过对测试产生的结果进行整理分析,为软件的可靠性提供一定的依据.

　　2.1.3 软件测试的分类

　　软件测试种类繁多,常用的分类方法主要有以下几种:

　　(1)按测试过程阶段分类

　　软件测试可分为单元测试,部件集成测试,部件确认测试,配置项组装测试、配置项确认测试、系统综合测试,系统验收测试.

　　(2)按测试方式分类

　　软件测试可分为静态测试与动态测试.

　　(3)按测试专题分类

　　软件测试可分为功能测试、性能测试、接口测试、余量测试、边界测试、安全性测试、强度测试及安装性测试等.

　　(4)按测试对象分类

　　软件测试可分为文档测试(包括需求规格说明书、概要设计规格说明书、详细设计规格说明书、接口协议、数学模型及用户手册等文档)、代码测试和配置项测试等.

　　(5)按实施组织分类

　　软件测试可分为:开发方测试(a测试),用户测试(β测试),第三方测试(Y测试).

　　软件测试的分类是多样性的,在实际工作中并非使用单一的软件测试技术,如使用比较频繁白盒测试和黑盒测试,静态测试和动态测试.在这一次的操作过程中我们还使用了结构测试和静态分析的原理,在下文中将会作也解释.

　　2.2 软件测试技术

　　2.2.1软件静态测试技术

　　2.2.2软件动态测试技术

　　2.2.3软件覆盖率测试技术

　　2.3嵌入式武控计算机软件测试

　　2.3.1嵌入式软件测试环境

　　2.3.2嵌入式软件测试特点

　　2.3.3嵌入式软件测试方法

　　2.4软件测试过程模型

　　2.4.1嵌入式武控计算机软件的特点

　　2.4.2典型软件测试过程模型

　　2.4.3嵌入式武控计算机软件测试过程模型

　　3.4.4嵌入式武控计算机软件测试过程模型的优点

　　2.5嵌入式武控计算机软件半实装仿真测试平台的建立

　　2.5.1半实装仿真测试平台主要功能与技术指标

　　2.5.2半实装仿真测试平台结构与组成

　　2.5.3半实装仿真测试平台校验及测试

　　2.6 本章小节
 

　　第3章嵌入式武控计算机软件静态测试

　　3.1嵌入式武控计算机软件静态测试的相关概念

　　3.2嵌入式武控计算机软件静态测试需求与难点

　　3.3嵌入式武控计算机软件静态测试技术

　　3.3.1嵌入式武控计算机软件静态分析过程

　　3.3.2嵌入式武控计算机软件静态测试技术分析

　　3.4 本章小节
 

　　第4章嵌入式武控计算机软件数学模型验证

　　4.1嵌入武控计算机软件数学模型的特点

　　4.2嵌入式武控计算机软件数学模型验证方法

　　4.2.1嵌入式武控计算机软件数学模型测试方法实现

　　4.2.2嵌入式武控计算机软件数学模型测试方法的有效性与充分性分析

　　4.3嵌入式武控计算机软件数学模型测试试验

　　4.4本章小节
 

　　第5章嵌入式武控计算机软件内存泄漏测试

　　5.1内存泄漏相关概念

　　5.2嵌入式武控计算机软件内存泄漏测试的难点

　　5.3内存泄漏分析

　　5.4内存泄漏监视的基本思想

　　5.5内存泄漏监视算法

　　5.6内存泄漏算法设计与实现

　　5.7本章小节
 

　　第6章嵌入式武控计算机软件逻辑覆盖率测试

　　6.1嵌入武控计算机软件逻辑测试的相关概念

　　6.2嵌入式武控计算机软件逻辑覆盖测试的需求与难点

　　6.3嵌入式武控计算机软件逻辑覆盖自动化测试工具

　　6.3.1逻辑覆盖率测试工具的选择

　　6.3.2 Macabe 测试工具技术原理

　　6.4嵌入式武控计算机软件覆盖测试技术

　　6.4.1测试环境配置

　　6.4.2嵌入式武控计算机软件覆盖率测试过程

　　6.4.3嵌入式武控计算机软件覆盖率测试结果分析

　　6.5本章小节

　　第7章 结论

　　航天相关型号的软件,特别是作为军用软件,对软件的实时性、安全性及可靠性等要求非常高,而且运行在具有特殊条件的工作环境中,这就给软件测试带来了极大的困难,在普通环境与平台上可以使用的测试技术和方法,对于这些软件很难适用.本课题便是针对这一类高实时性的嵌入式软件的测试,提出了一些有效可行的解决方案.最终提高嵌入式武控计算机软件测试的有效性、独立性和充分性.

　　本课题的主要工作和研究成果在于以下几点:

　　(1)详细分析总结以往的软件测试理论方面的成果,针对嵌入式软件的本身的各项特点,通过学习比较并且深入分析国内外相关学者提出的典型软件测试过程模型,分析各个典型模型的优点和缺点,通过结合嵌入式武控计算机软件的相关特性,提出适用于嵌入式武控计算机软件的测试的过程模型.

　　(2)详细地介绍了嵌入式武控计算机软件独立仿真平台的主要功能及具体技术指标,描述此平台的具体构成,分析比较了半实装仿真测试平台与全实装测试环境下测试结果,通过半实装仿真测试平台的使用提高了第三方测试的的有效性、独立性和充分性.

　　(3)简要介绍了静态测试的相关概念,结合嵌入式武控计算机软件本身的特点,提出了适用于嵌入式武控计算机软件的静态测试过程.根据《装备软件测试细则》与《装备软件质量管理办法》对于武控计算机软件的各项编码规则要求,总结出了装备软件静态分析技术要求与Logiscope编码规则项对照.结合装备软件质量度量指标的相关要求,阐述了软件圈复杂度、基本复杂度及扇入/扇出数的算法,解决了如何量化地排除switch、case语句结构给软件圈复杂度、基本复杂度及扇入/扇出数带来的影响.

　　(4)详细地分析了嵌入式武控计算机软件数学模型的特点,提出了适用于嵌入式武控计算机软件数学模型验证的方法,并且通过与传统数学模型验证方法进行试验比较,从而更有力的证明此方法的可行性与高效性.

　　(5)简要的介绍了内存泄漏的相关概念,详细地分析了嵌入式武控计算机软件内存泄漏测试的需求与难点,针对嵌入式武控计算机软件运行环境的特殊性,提出了适用于嵌入式武控计算机软件的内存泄漏监视算法,提高嵌入式软件质量和安全性.

　　(6)简要的介绍了逻辑测试的相关概念,详细地阐述了嵌入式武控计算机软件逻辑覆盖率测试的需求与难点,通过试验分析比较覆盖率测试工具Testbed和Macabe工具的对源码进行插桩后的空间与时间膨胀率,为测试工具的选择提供依据.最终选择Macabe测试工具,分析了Macabe测试工具的技术原理,配置嵌入式武控计算机软件逻辑覆盖率测试的软件和硬件测试环境,构建嵌入式武控计算机软件逻辑覆盖率测试过程.介绍了嵌入式武控计算机软件逻辑覆盖测试的全过程,详细地分析和研究了覆盖率测试的结果.

　　虽然本课题解决了嵌入式武控计算机软件测试目前存在的某些问题,但是由于各方面条件的限制,在整个课题的研究过程中仍然存在一些尚未解决的问题有待于进一步研究解决:

　　(1)嵌入式武控计算机软件覆盖率测试和内存泄漏测试都要求对源代码进行是在代码插装的环境下进行的,源代码插装后将对系统的运行性能有着一定影响,研究解决新的软件覆盖率测试与内存泄漏测试方法,使之完全不影响软件运行性能.

　　(2)静态分析存在的最重要的问题是分析问题精确度不够,往往出现误报与漏报的情况,而且静态分析形成的报告结果需要人工进行进一步的分析和确认.因此需要测试人员不断的积累经验与相关的典型案例,有针对性的完善代码检查单,使之更加有针对性,更加全面而且有效,如何将完善后的代码检查单的内容进行分析评估,抽象出可检查的规则,加入相应静态分析工具中,也是需要我们进行不断深入探索研究的问题.

　　致谢

　　本课题在选题及研究过程中得到了过弋老师的悉心指导,过老师无论在我论文最初开题,论文的撰写过程、论文的修改还是最终论文的定稿,他全程给予了我极大的帮助,帮我开拓了思路.虽然他自身工作也很繁忙,但是过老师总能及时将修改意见告知我,并多次当面指导我的论文.过老师严谨踏实的作风、渊博的知识、孜孜不倦的诲人,都给我留下了深深的印象,也深深地影响了我.

　　对于该项目的研究,我还要感谢秦嘉萍研究员的支持使得该项目得以实施,其次要感谢项目组成员施小敏、尤志坚等人的协助配合,使得该项目得以完成.

　　感谢王永孟副主任在繁忙的工作之中,给于了我细心地帮助和指导.在此表示深深的谢意.

　　最后,感谢在我攻读软件工程工程硕士期间教导过我的老师,以及我的家人和朋友.

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