关于仿真器的嵌入式测试平台相关软件比较论文

关于仿真器的嵌入式测试平台相关软件比较论文

　　仿真器是指以某一系统复现另一系统的功能。与计算机模拟系统(Computer Simulation)的区别在于，仿真器致力于模仿系统的外在表现、行为，而不是模拟系统的抽象模型。以下是学习啦小编今天为大家精心准备的：关于仿真器的嵌入式测试平台相关软件比较相关论文。内容仅供阅读与参考!

　　关于仿真器的嵌入式测试平台相关软件比较全文如下：

　　1 纯硬件形式

　　常见的有在线仿真器和逻辑分析仪。在线仿真器可以完全仿真目标芯片的行为，准确度高，运行速度快，但工艺设计复杂，价格昂贵。逻辑分析仪通过监控和采样总线数据执行测试，完备性受限于采样频率，而提高采样频率则会大幅提高成本。基于硬件的测试工具通常用于计算机硬件的设计和测试，很少用于嵌入式软件的测试。

　　2 纯软件形式

　　包括插桩和软件仿真两种典型方法。插桩向被测程序的特定位置插入探针，据此获得程序的运行信息。优点是实现简单，缺点是改变了被测程序，无法得到被测程序的精确执行轨迹和执行时间。软件仿真通过构建目标机的虚拟仿真环境，在宿主机上加载待测程序执行测试(目标机指嵌入式软件的运行环境，宿主机指嵌入式软件的开发环境，下同)。优点是可获得待测程序的精确执行轨迹，缺点是速度较慢。

　　3 软硬结合形式

　　综合了纯硬件和纯软件形式的特点，代表工具是 CodeTEST。测试环境接近于真实环境，准确性较高。缺点是硬件依赖性强，灵活性及可移植性差，成本昂贵。

　　理论上讲，嵌入式软件测试应在目标机进行，毕竟软件最终运行在目标机上。但嵌入式系统多采用软硬件协同开发，在软件开发过程中，目标机环境很有限，甚至不可用，无法满足软件测试的需要。此外，由于目标机的专用性，目标机下的测试工具比宿主机下的同类工具往往昂贵得多。考虑到上述因素，应将尽可能多的测试工作放在宿主机进行。但由于体系结构的差异，目标机软件一般不能在宿主机直接运行，这就需要建立目标机的仿真环境，即通过软件仿真进行测试。

　　软件仿真是一种经济灵活的测试策略，可在没有目标机硬件的情况下测试，准确性高，可以获取精确的运行时间，能灵活控制程序的运行状态。采用软件仿真测试也可以避免将程序烧录到目标机 ROM 造成的测试困难，降低开发成本。

　　3.1 当前嵌入式测试工具的不足

　　不少嵌入式测试工具采用软件仿真测试。传统仿真工具的测试流程是：编译获得被测程序的可执行程序，加载到仿真器运行，获得测试结果。这些工具对集成测试和系统测试支持较好，对单元测试的支持不佳，看一个具体例子。

　　通过例 1 可得到以下结论：单元测试时很多模块尚未编写完毕，若采用传统的嵌入式软件测试方法，需要编写大量的桩函数，工作量大。

　　测试者需熟悉嵌入式软件的开发语言，这样才能编写桩函数。软件开发者通常会参与单元测试，这类人员可满足要求。但为提高软件质量，一般需安排专门的测试人员测试。嵌入式开发通常采用汇编等底层语言，种类繁多且较难学习，对测试者要求较高。修改桩函数和外部变量后，需重新编译生成可执行程序，重新加载到仿真器测试。每做一点修改，均需重复上述步骤，测试过程繁琐。测试的针对性不强，只能加载整个可执行程序测试，无法针对特定的关注单元测试。

　　以航天某院为例，尽管购置了CodeTEST、Logiscope等昂贵的测试工具，但上述测试问题仍非常突出，其它工具也普遍存在类似的局限性。

　　本文介绍了一种新的嵌入式软件测试方法，可以弥补上述不足。其特色和创新体现在三方面：

　　1) 通过自行构建链接器，而不采用缺省的链接器完成链接，生成“内存映像”(此处的“内存映像”与可执行程序类似，但并不完全一致，本文采用该术语以区分二者)，可在程序代码不完备的情况下执行测试，能更好地支持单元测试。

　　2) 构建软件仿真器，加载内存映像测试。除具备传统仿真测试的优点外，还增加了交互式脚

　　本处理能力，运行过程中可直接修改桩函数和变量，无需频繁地编译、加载，测试更加便捷。普通测试人员可以通过高级脚本语言编写测试用例，无需精通嵌入式平台的专用开发语言。

　　3) 能对指定的关注单元进行测试，支持设定源代码断点，支持设定仿真的起止范围，测试更有针对性，测试效率较高。

　　2 基于仿真器的嵌入式测试平台

　　1) 编译被测程序生成目标文件(x86 平台的.obj 文件就属于典型的目标文件)和链接描述文件(link description file，后文简称 LDF 文件)。

　　2)利用自行构建的链接器分析目标文件和库文件，提取符号表、数据段、代码段、可重定位段、行号信息等，按照 LDF 文件的说明进行链接，生成内存映像、总符号表和行号信息表。

　　3) 将内存映像加载到仿真器测试。测试过程中，可以修改内存变量、寄存器值、桩函数等。结合测试用例注入，可实现单元测试和动态测试。

　　3.2 链接器构造

　　链接器根据 LDF 文件的说明，提取并拼装目标文件中的各个段，得到内存映像、符号表和行号信息表(图 3)。其中，内存映像和可执行程序功能类似;符号表定义了各个符号(包括函数、变量、标号等)的名称、地址、文件、作用域等信息;行号信息定义了源文件中行号与内存映像中地址的映射关系。关于行号信息的更多介绍，请参考2.3节。

　　目标文件中的未定义符号在链接时会以UNDEF 标记，只分析本文件无法解析，需要进一步分析其它文件。如果在所有文件中都没有找到该符号，该符号就无法解析，使用标准的链接器无法链接，不能生成可执行程序进行仿真测试。

　　SimAD 自行设计了链接器，可以有效控制链接过程。对于未定义符号，自动分配特殊的内存地址，使得这些符号可以通过“解析”，进而构造可被仿真器执行的内存映像。这是实现本文测试方法的关键所在。这样的设计思路有以下优点：1) 单元测试时很多模块不完备，可避免使用嵌入式开发语言编写大量桩函数。即使存在未定义符号，也可以正常链接，提升了测试效率。

　　仿真器执行时可以检测到未定义符号，并检查是否定义了桩函数或者进行了变量赋值。这样，就把桩函数和外部变量的绑定由编译期调整到了运行期。这带来了两个好处：可通过脚本语言设计桩函数，进行变量赋值，避免了学习嵌入式开发语言的代价。 可实现交互式的桩函数声明和变量赋值，避免了传统的“修改桩函数和外部变量→编译→加载运行”的繁琐测试流程。

　　3.3 仿真器实现

　　仿真器完成对目标机的模拟，其基本特征是行为等价，注重对目标机行为功能的仿真，对内部结构的仿真要求不高。重点关注：真实性、全面性、运行速度、通用性和可扩展性等指标。

　　SimAD 仿真器实现了以下模拟：①译码：包括运算指令译码，移位指令译码，地址寄存器译码，通用寄存器译码等;②运算模拟：包括加法器模拟、乘法器模拟及移位器模拟;③控制流处理：包括中断、循环、跳转、调用等;④ 地址产生模拟; 内存访问模拟; ⑤ 模拟：包括外部内存方式和串口 DMA 方式;定时器模拟。

　　在实现功能模拟的同时，仿真器还提供了测试接口和外部交互接口，包括内存映像的加载接口、内存和寄存器的查看/修改接口、桩函数的设定/修改接口、数据的输入/

　　输出接口等。

　　对单元测试的良好支持是 SimAD 仿真器的特色之一。单元测试中不可避免地会用到桩函数，仿真器提供了 setstub 桩函数设置接口。设置桩函数后，仿真器查询其内存地址，连同函数名一并保存到桩函数表中。在运行过程中，仿真器检查调用的函数名是否存在于桩函数表中，若存在则不执行内存映像中的函数代码，而转去执行测试脚本中设定的桩函数。为便于理解上述过程，看一下例2。.......

　　4 SimAD 测试工具介绍

　　本文方法已在 SimAD 测试工具中实现。该工具目前支持 AD21060 和 AD21020两类芯片，可实现静态分析和动态测试。已实现的功能包括：集成测试环境(图 6)、链接器、仿真器、测试脚本解释执行、测试报表生成等。

　　图6 SimAD 集成测试环境对测试脚本的良好支持是 SimAD 的特色。

　　支持新建和保存测试脚本，双击运行测试脚本(图5 中的右侧窗口)，批量执行测试脚本，从而提高了回归测试[10]的执行效率。SimAD 还提供了控制台交互窗口，支持在仿真过程中输入交互式的测试命令，即时控制测试过程。

　　图7 交互式执行测试命令SimAD 还支持其它测试功能，如语句覆盖率报表、控制流着色、函数调用图生成等，这些措施对提高测试效果也有裨益。

　　5 相关系统比较

　　在嵌入式软件测试领域，国内外使用较多的测试工具是 CodeTEST和 Logiscope。它们与SimAD 的比较见表。

　　3 种工具中 CodeTEST 功能最强。动态内存分析和性能分析是其主要特点，采用软硬件结合形式实现，准确度较高，缺点是价格昂贵。使用CodeTEST 必须具备目标机硬件，必须生成执行程序，对单元测试的支持不佳。

　　Logiscope 主要用于软件的质量分析和测试，其突出特点是对软件全生命周期的支持。采用插装方式测试，对执行速度和运行结果会造成一定影响，无法获得精确的执行时间和运行轨迹。

　　SimAD 通过软件仿真测试，不依赖目标机硬件，自行构造的链接器可处理未定义符号，可通过高级语言脚本编写测试用例和桩函数，对单元测试的支持较好。.....

　　6 结 论

　　目前的嵌入式软件测试工具对单元测试的支持不佳，本文对此进行了研究和探索，提出了相应的解决思路，相关方法已在 SimAD 测试工具中实现，并在航天某院的项目测试中得到实际应用，得到了该院的高度评价。与成熟的嵌入式软件测试工具相比，SimAD仍有很多地方需要完善。

　　未来的主要工作包括：完善仿真器和测试框架的接口，方便第三方仿真器接入，以支持更多的嵌入式平台软件测试;针对 COFF、PE 等常用目标文件开发链接器，使之能分析链接多种平台的目标文件;增加自动生成测试脚本功能，目前纯手工编写脚本，使用不太方便;增强覆盖率分析。目前只支持语句覆盖，需进一步支持判定覆盖、条件覆盖等。

　　参考文献(References)：

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　　研究[J]. 航空学报, 2012, 33(4): 722-733

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