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《嵌入式软件测试与实践》系统论述嵌入式软件测试的技术体系架构,讲述嵌入式软件及测试技术的关键部
分,阐述嵌入式软件特性、嵌入式软件测试技术、嵌入式软件测试工具与应用等方面,从嵌入式软件测试基础、嵌入式软件测试方法与技术、基于FPGA 的嵌入式软件测试等方面对嵌入式软件测试进行了详细论述,将技术分析与应用指导融为一体。可以说这是一本反映嵌入式软件主流测试需求、集各类嵌入式软件测试技术及应用为一体的软件测试专业书
籍,对嵌入式软件测试从业人员及有志于学习研究嵌入式软件测试的读者大有裨益。
内容简介
《嵌入式软件测试与实践》反映嵌入式软件主流测试需求,将技术分析与应用指导完美融为一体,技术先进,内容丰富。《嵌入式软件测试与实践》浓墨重彩地描述嵌入式软件测试基本概念、特点、分类、需求、体系架构和实用技术,介绍嵌入式软件的编码规范、质量度量、软件工程化、安全认证等相关标准,详述自动化测试、可靠性测试、安全性测试等重要技术,最后深入讲解FPGA软件的设计规范、测试标准、测试流程和测试方法。
作者简介
赵国亮,特聘教授、硕士研究生导师、研究员、航天中认软件测评科技有限责任公司总经理、中国航天软件评测中心副主任,从事软件工程与软件评测相关工作近20年,具有扎实的理论基础和丰富的实践经验,负责过载人航天工程、探月工程、2008北京奥运安保系统等大型工程软件测评工作。目前担任国家科技专家库专家,国家认监委检测认证技术委员会委员,中国广核集团有限公司软件质量保证专家咨询委员会委员,中国航天科工集团706所科技委委员。主要研究方向包括:软件工程、嵌入式及分布式软件测试、虚拟化测试、代码可靠性测试、云测试等,曾撰写《软件代码可靠性测试实践》等专著,在中文核心期刊及学术会议发表学术论文10余篇。
目录
目 录
第1章 嵌入式软件测试概述 1
1.1 嵌入式软件及其特性 2
1.1.1 嵌入式软件概述 2
1.1.2 嵌入式软件设计方法 3
1.1.3 嵌入式软件测试的意义
和要求 8
1.2 嵌入式软件测试基础 11
1.2.1 嵌入式软件静态测试 12
1.2.2 嵌入式软件动态测试 12
1.2.3 嵌入式软件测试管理 13
习题与思考题 22
第2章 国内外嵌入式软件相关
重要标准及规范介绍 23
2.1 国外标准及规范 23
2.1.1 嵌入式软件编码规范 23
2.1.2 软件工程化标准 32
2.1.3 软件安全认证标准 37
2.1.4 软件测试标准 40
2.2 国内标准及规范 42
2.2.1 嵌入式软件质量度量 43
2.2.2 嵌入式软件编码规范 46
2.2.3 软件工程化标准及规范 51
2.2.4 嵌入式软件测试指南 65
习题与思考题 69
第3章 嵌入式软件静态测试 70
3.1 嵌入式软件质量度量 70
3.1.1 嵌入式软件质量模型 71
3.1.2 嵌入式软件质量模型的
度量元 87
3.2 嵌入式软件静态分析 95
3.2.1 编码规则检查 95
3.2.2 安全性检查 115
3.3 嵌入式软件代码分析 119
3.3.1 错误检测主要内容 120
3.3.2 运行时错误检测 121
3.4 软件代码审查 132
3.5 静态测试工具实践 136
3.5.1 软件静态测试工具 136
3.5.2 代码分析工具 140
习题与思考题 146
第4章 嵌入式软件动态测试 147
4.1 嵌入式软件测试技术 147
4.1.1 嵌入式软件黑盒测试 147
4.1.2 嵌入式软件白盒测试 151
4.2 嵌入式软件测试级别 156
4.2.1 单元测试 156
4.2.2 集成测试 161
4.2.3 配置项测试 175
4.2.4 系统测试 178
4.3 嵌入式软件动态测试工具 189
4.3.1 白盒测试工具 189
4.3.2 黑盒测试工具 208
习题与思考题 212
第5章 嵌入式软件测试过程 213
5.1 嵌入式软件测试过程模型 213
5.1.1 软件测试过程模型 213
5.1.2 软件代码可靠性测试
Z模型 219
5.2 嵌入式软件测试过程
管理工具SQATest-TM 222
5.2.1 SQATest-TM简介 222
5.2.2 SQATest-TM测试过程
管理功能 224
习题与思考题 229
第6章 嵌入式软件测试自动化 230
6.1 嵌入式软件测试自动化
技术 230
6.1.1 嵌入式软件测试自动化
过程模型 230
6.1.2 嵌入式软件自动化测试
工作原理 232
6.2 嵌入式软件自动化
测试框架 233
6.2.1 “黑盒”测试的自动化 234
6.2.2 单元测试的自动化 237
6.3 嵌入式软件自动化
工具ETest 238
习题与思考题 245
第7章 嵌入式软件可靠性测试 246
7.1 软件可靠性分析 251
7.1.1 软件失效模式及影响分析 252
7.1.2 软件故障树分析 257
7.2 软件可靠性测试 260
7.2.1 软件可靠性增长测试 262
7.2.2 软件可靠性验证测试 263
7.2.3 软件可靠性摸底测试 266
7.2.4 软件可靠性测试用例
设计方法 266
7.3 软件可靠性评估 273
7.3.1 软件可靠性评估参数 273
7.3.2 软件可靠性模型 274
7.3.3 操作剖面的构造 277
7.4 军工软件可靠性工程 281
习题与思考题 283
第8章 嵌入式软件安全性测试 284
8.1 嵌入式软件安全性分析 284
8.1.1 嵌入式软件安全性需求 284
8.1.2 嵌入式软件安全性定义 286
8.2 嵌入式软件安全性测试要求 288
8.2.1 嵌入式软件安全性过程 288
8.2.2 嵌入式软件安全性
测试类型 292
8.3 嵌入式软件安全性测试
技术及方法 294
8.3.1 嵌入式软件安全性
测试技术 294
8.3.2 嵌入式软件安全性
测试方法 300
8.4 安全装备软件认证 303
8.4.1 安全装备软件定义 303
8.4.2 安全装备软件认证及
方法 304
习题与思考题 308
第9章 嵌入式软件测试平台及环境 309
9.1 全实物仿真测试 309
9.1.1 全实物仿真测试概念 310
9.1.2 全实物仿真测试应用 310
9.2 全数字仿真测试 311
9.2.1 全数字仿真测试
技术及环境 311
9.2.2 全数字仿真测试开发
支持 312
9.3 半实物仿真测试 314
9.3.1 半实物仿真测试
技术及环境 314
9.3.2 半实物仿真开环测试 316
9.3.3 半实物仿真闭环测试 317
9.3.4 半实物仿真测试的
技术发展 317
9.4 仿真测试策略 318
9.4.1 基于仿真环境的测试
策略 318
9.4.2 基于交叉调试的测试
策略 321
9.5 基于虚拟仪器的嵌入式
软件测试 324
9.5.1 虚拟仪器的概念 324
9.5.2 虚拟仪器技术在测试中的
应用 327
9.6 基于虚拟样机的嵌入式
系统仿真测试 332
9.6.1 虚拟样机技术的概念 332
9.6.2 虚拟样机及虚拟测试 333
9.7 嵌入式仿真测试工具 335
9.7.1 全数字仿真测试工具 335
9.7.2 嵌入式应用仿真工具 342
习题与思考题 346
第10章 基于FPGA的嵌入式
软件测试基础 347
10.1 FPGA介绍 347
10.1.1 FPGA原理 347
10.1.2 FPGA应用基础 348
10.1.3 FPGA系统开发过程 349
10.1.4 FPGA系统开发工具
支持 353
10.2 FPGA设计规范要求 361
10.2.1 语法设计要求 361
10.2.2 通用设计要求 363
10.2.3 跨时钟域设计要求 367
10.2.4 常见设计缺陷 368
10.3 FPGA相关标准规范 370
10.3.1 Actel器件编码规范 371
10.3.2 Altera器件编码规范 374
习题与思考题 375
第11章 基于FPGA的嵌入式
软件测试技术 376
11.1 FPGA测试流程及
基本方法 376
11.2 FPGA静态测试 378
11.2.1 FPGA编码错误检测 379
11.2.2 静态时序分析方法 379
11.2.3 时序约束分析 381
11.2.4 功耗分析测试 384
11.2.5 逻辑资源分析测试 385
11.2.6 静态测试工具介绍 385
11.3 FPGA仿真测试 396
11.3.1 FPGA仿真测试技术
介绍 396
11.3.2 FPGA仿真测试验证
方法 396
11.3.3 测试激励及测试脚本
要求 397
11.3.4 仿真测试内容与测试
工具 398
11.3.5 仿真测试工作准备 401
11.3.6 仿真测试工作步骤 401
11.3.7 仿真测试工具使用流程 403
11.4 FPGA软件形式验证 407
11.4.1 FPGA软件形式
验证介绍 407
11.4.2 形式验证内容与
验证工具 407
11.4.3 形式验证测试条件与
测试准备 408
11.4.4 等价性检查工作步骤 410
11.4.5 等价性检查工具
使用流程 410
11.5 SOC系统验证 416
习题与思考题 417
参考文献 418
前言/序言
前 言
2015年5月国务院发布了《中国制造2025》行动纲领,明确提出了实施高端装备创新工程,高端装备主要包括国防装备、航空航天装备、先进轨道交通装备等。智能制造是高端装备的有效支撑,包括高端数控机床、工业机器人、增材制造以及工业互联网等。高端装备和智能制造已结合为一个有机整体,其中,规模庞大的高安全、高可靠嵌入式软件系统对高端装备和智能制造行业给予了有力支撑,如A380中的软件规模超过了1000万行,我国轨道交通中仅第三代列车控制系统CTCS3的软件规模就达到60万行。因此保障高端装备和智能制造中的嵌入式软件质量显得异常重要。
航天中认软件测评科技(北京)有限责任公司是在国家推动军民融合发展,加快推进经济发展方式转变和信息化与工业化融合,提升中国软件产业质量和效率的背景下,由中国航天科工集团第二研究院七〇六所(航天软件评测中心)、中国质量认证中心、中国家用电器研究院和北京航天科工军民融合科技成果转化创业投资基金合资建立。自成立以来,致力于将高标准、高可靠性要求的航天军用软件测评技术应用于民用软件市场,保障高端装备和智能制造业的嵌入式软件质量,提高软件水平。
《嵌入式软件测试与实践》力求从嵌入式软件测试的实际应用需求出发,借鉴赵国亮编写的《软件代码可靠性测试实践》以及蔡建平编写的《嵌入式软件测试实用技术》,对两《嵌入式软件测试与实践》中的嵌入式测试相关内容进行了整理,同时结合航天中认实际项目实验,在此基础上描述了嵌入式软件测试的解决方案和相关知识。
《嵌入式软件测试与实践》涉及三大方面内容,第一方面讲述嵌入式软件测试的基础知识,描述嵌入式软件特性及相关概念,针对国内外嵌入式软件编码规范、质量度量、软件工程化、软件测试等相关标准进行了详解;第二方面重点描述和分析嵌入式软件的测试方法和技术,包括静态测试和动态测试的测试技术、测试类型和测试工具实践,还涵盖了典型测试过程模型、测试自动化技术、可靠性测试、安全性测试相关的测试内容、测试方法和测试工具,此外针对嵌入式软件常用的测试平台和环境也进行了讲解;第三方面讲述基于FPGA的嵌入式软件测试,包括FPGA软件的设计规范和测试标准,以及测试过程中用到的测试技术方法和手段。
《嵌入式软件测试与实践》配套网站提供电子教案。读者可访问http://www.tupwk.com.cn/downpage/,输入《嵌入式软件测试与实践》中文书名或ISBN下载,也可直接扫描《嵌入式软件测试与实践》封底的二维码下载。
《嵌入式软件测试与实践》的完成得益于许多人的奉献及参与,赵国亮和叶东升对书籍的整体架构、思想及方向进行了把控,并对《嵌入式软件测试与实践》进行了审阅、修改和定稿。书中各章内容由董丽、赵琪、周健和辛中臣完成,第1章、第4章、第5章、第6章由董丽负责资料收集、起草和编写,第3章、第7章由赵琪负责资料收集、起草和编写,第2章、第8章、第9章由周健负责资料收集、起草和编写,第10章、第11章由辛中臣负责资料收集、起草和编写。《嵌入式软件测试与实践》很多内容是对学术论文、其他书籍和互联网资料改编的结果,读者可以从参考文献中发现,《嵌入式软件测试与实践》参考、整理、借鉴和引用了大量文献,但很多网上资料由于转载或引用频繁无法找到原出处,在参考文献中无法明确标注。最后,我们感谢在书籍编著过程中对我们提供帮助及支持的单位。
《嵌入式软件测试与实践》面向嵌入式软件开发和测试相关人员以及想要深入学习嵌入式软件测试内容的人员。《嵌入式软件测试与实践》也是航天中认软件测试工程的一项重要成果。目前国内关于嵌入式软件测试方面的书不多,很多都是翻译或者培训用的,里面讲的仍是普通软件测试的内容。《嵌入式软件测试与实践》以传统的软件工程化思想为主,在大量嵌入式软件测试实例的基础上,系统介绍嵌入式软件测试的基本概念、相关标准、测试思想、测试技术方法和测试工具,力图反映嵌入式软件测试领域的最新发展和当前测试技术内容,深入浅出,使读者更容易理解和学习掌握。
《嵌入式系统深度剖析:从硬件到应用的全方位解析》 引言 在这个万物互联、智能渗透的时代,嵌入式系统已不再是遥不可及的黑匣子,而是我们生活中不可或缺的组成部分。从智能手机、智能家居到工业自动化、汽车电子,再到医疗设备和航空航天,嵌入式系统无处不在,它们以极高的集成度和专业的性能,驱动着现代社会的运转。然而,嵌入式系统的开发与调试,尤其是其软件部分的可靠性与稳定性,一直是行业内的挑战。本书《嵌入式系统深度剖析:从硬件到应用的全方位解析》旨在打破传统教学的局限,以一种更加贴近实际开发、更具深度和广度的视角,带领读者全面深入地理解嵌入式系统的精髓,掌握从底层硬件交互到上层应用实现的完整技术链条。 本书不同于市面上许多侧重于单一技术点或浅尝辄止的教材,它将嵌入式系统的学习视为一个有机整体,强调理论与实践的紧密结合。我们相信,只有深刻理解了嵌入式系统的软硬件协同工作原理,才能真正解决开发过程中遇到的复杂问题,并设计出高性能、高可靠性的产品。因此,本书将涵盖嵌入式系统设计的各个关键环节,从最基础的硬件原理、处理器架构,到核心的操作系统机制、驱动程序开发,再到丰富的应用层开发技术,以及贯穿始终的调试与优化策略。 第一篇:嵌入式系统基础与硬件交互 本篇将为读者奠定坚实的嵌入式系统理论基础,并深入探究嵌入式系统与底层硬件的交互机制。 第一章:嵌入式系统概述与发展趋势 深入解析“嵌入式系统”的定义、核心特征(如实时性、资源受限、专用性等)及其在不同领域的广泛应用。 回顾嵌入式技术的发展历程,重点分析当前及未来的主要发展趋势,如物联网(IoT)、人工智能(AIoT)、边缘计算、低功耗设计、安全性增强等,帮助读者把握行业脉搏。 探讨不同类型的嵌入式处理器(MCU、MPU、DSP等)及其适用场景,为后续硬件选型和设计提供指导。 介绍嵌入式系统开发所需的关键技能和知识体系,为读者规划学习路径。 第二章:核心处理器架构与指令集 深入剖析主流嵌入式处理器架构(如ARM Cortex-M、Cortex-A系列)的内部结构,包括CPU流水线、缓存机制、内存管理单元(MMU)、中断控制器等。 详细讲解RISC与CISC指令集的区别与联系,重点关注ARM指令集的特点、寻址方式、指令编码以及常用的汇编指令。 学习如何阅读和理解处理器的数据手册(Datasheet),掌握获取硬件信息和理解硬件工作原理的方法。 介绍处理器的工作模式(如用户模式、特权模式、低功耗模式)及其切换机制,为理解操作系统和驱动程序的工作原理打下基础。 第三章:存储器体系与接口设计 系统梳理嵌入式系统中常见的存储器类型,包括RAM(SRAM, DRAM)、ROM(FLASH, EEPROM)及其特性、性能指标和应用场景。 深入讲解内存映射(Memory Mapping)的概念,以及CPU如何通过地址总线访问不同类型的存储器。 详细介绍嵌入式系统中常用的外设接口技术,如GPIO(通用输入输出)、UART(通用异步收发传输器)、SPI(串行外设接口)、I2C(集成电路总线)、ADC(模数转换器)、DAC(数模转换器)、PWM(脉冲宽度调制)等。 通过实例演示如何配置和使用这些接口,实现与传感器、执行器、外部设备的数据交换。 探讨高速接口技术(如SDIO, USB, Ethernet)的基本原理及其在嵌入式系统中的应用。 第四章:中断与异常处理机制 深入理解中断(Interrupt)和异常(Exception)在嵌入式系统中的重要性,它们是实现实时响应和处理错误的关键。 详细讲解中断的产生、中断向量表、中断服务程序(ISR)的设计与实现。 分析不同类型的中断源(硬件中断、软件中断)及其优先级管理。 探讨异常处理机制,包括非法指令、除零、访存错误等异常的触发条件和处理流程。 学习如何编写高效、简洁且安全的中断服务程序,避免潜在的死锁和竞态条件。 介绍中断嵌套、中断延时等关键概念及其优化方法。 第二篇:嵌入式软件开发核心技术 本篇将聚焦于嵌入式软件开发的各个关键环节,从底层驱动到操作系统,再到上层应用,提供深入的技术讲解和实战指导。 第五章:驱动程序开发基础 讲解驱动程序的概念、作用以及在嵌入式系统中的地位,它是连接硬件与操作系统的桥梁。 深入分析Linux和RTOS(实时操作系统)下设备驱动程序的设计模型和框架。 重点讲解字符设备驱动、块设备驱动和网络设备驱动的开发要点。 学习如何使用I/O端口、内存映射、DMA(直接内存访问)等技术进行硬件访问。 介绍中断处理在驱动程序中的应用,以及如何编写健壮的驱动代码。 通过实例演示如何开发常见外设的驱动程序,如LED、按键、串口、SPI/I2C设备。 第六章:实时操作系统(RTOS)原理与应用 深入剖析实时操作系统(RTOS)的核心概念,包括任务(Task)、调度器(Scheduler)、信号量(Semaphore)、互斥锁(Mutex)、消息队列(Message Queue)、事件标志(Event Flag)等。 详细讲解RTOS的各种调度算法(如固定优先级、轮转、优先级继承、优先级天花板)及其适用场景。 探讨任务间通信(IPC)和同步机制的原理与设计,如何有效避免多任务环境下的竞态条件和死锁。 介绍RTOS的内存管理、中断管理和定时器管理。 通过实际项目演示如何使用主流RTOS(如FreeRTOS, RT-Thread)进行嵌入式应用的开发,包括任务创建、调度、通信和同步。 第七章:嵌入式Linux系统开发 详细介绍嵌入式Linux系统的组成,包括引导加载程序(Bootloader)、Linux内核(Kernel)和根文件系统(Root Filesystem)。 讲解Bootloader(如U-Boot)的作用、工作流程以及开发中的关键点。 深入解析Linux内核的编译、配置与裁剪,以及如何为特定硬件平台编译内核。 介绍设备树(Device Tree)的概念、语法和在内核中的作用,以及如何编写和修改设备树。 探讨嵌入式Linux的用户空间开发,包括应用程序的编写、交叉编译和部署。 介绍常用嵌入式Linux开发工具链(如Buildroot, Yocto Project)的使用。 第八章:网络通信与协议栈 深入理解嵌入式系统中的网络通信原理,包括TCP/IP协议栈的基本概念、分层模型和常用协议(如IP, TCP, UDP, HTTP, MQTT)。 讲解嵌入式设备如何实现有线(Ethernet)和无线(Wi-Fi, Bluetooth, LoRa)网络连接。 介绍嵌入式Linux下的网络编程接口(Socket API)及其使用。 探讨嵌入式系统中常用的通信协议,如MQTT、CoAP等,及其在物联网应用中的实现。 通过实例演示如何实现嵌入式设备之间的通信,以及与云平台的数据交互。 第九章:嵌入式GUI设计与开发 介绍嵌入式图形用户界面(GUI)的重要性及其在人机交互中的作用。 讲解嵌入式GUI的挑战与特点,如资源受限、实时性要求、低功耗等。 介绍主流嵌入式GUI框架,如LittlevGL(LVGL)、Qt for Embedded、TouchGFX等,分析其优缺点和适用场景。 详细演示如何使用其中一个或多个GUI框架进行界面设计、控件应用、事件处理和动画实现。 探讨嵌入式GUI的性能优化和资源管理策略。 第三篇:嵌入式系统调试、优化与工程实践 本篇将带领读者掌握嵌入式系统开发中至关重要的调试、优化和工程实践方法,确保项目能够高效、稳定地完成。 第十章:嵌入式系统调试技术 深入讲解嵌入式系统调试的通用原则和方法,包括代码审查、日志打印、断点调试等。 详细介绍不同类型的调试工具,如JTAG/SWD调试器、逻辑分析仪、示波器等,以及它们在硬件级和软件级调试中的应用。 重点讲解使用GDB(GNU Debugger)进行远程调试,包括连接调试器、设置断点、单步执行、查看变量和内存等。 探讨嵌入式Linux下的调试工具,如strace, gprof, perf等。 学习如何利用仿真器(Emulator)和模拟器(Simulator)进行早期开发和测试。 分析常见的嵌入式系统故障模式(如死机、跑飞、内存泄露)及其定位方法。 第十一章:性能分析与代码优化 介绍嵌入式系统性能分析的重要性,包括CPU占用率、内存使用率、响应时间、功耗等关键指标。 讲解常用的性能分析工具和技术,如剖析(Profiling)、性能计数器(Performance Counters)等。 深入探讨代码优化策略,包括算法优化、数据结构选择、编译器优化选项的应用、指令集优化、汇编语言优化等。 重点关注嵌入式系统中的内存优化(如堆栈大小调整、内存池管理)和功耗优化。 通过实际案例展示如何对关键代码段进行性能分析和优化,显著提升系统性能。 第十二章:嵌入式系统安全基础 深入探讨嵌入式系统面临的安全威胁,包括物理攻击、软件漏洞、通信安全等。 介绍嵌入式系统安全设计的基本原则,如最小权限原则、纵深防御等。 讲解常见的安全技术,如加密算法(AES, RSA)、数字签名、安全启动(Secure Boot)、可信执行环境(TEE)等。 介绍嵌入式Linux下的安全机制,如SELinux/AppArmor。 探讨固件更新(Firmware Update)的安全问题及其解决方案。 通过案例分析,指导读者如何在设计和开发阶段融入安全考虑。 第十三章:项目实战与案例分析 本书将精选多个不同领域、不同复杂度的高质量嵌入式系统项目案例,涵盖从简单到复杂的完整开发过程。 案例将涵盖但不限于:智能传感器节点、嵌入式Web服务器、实时数据采集与控制系统、低功耗无线通信终端等。 每个案例都将详细讲解需求分析、硬件选型、软件架构设计、关键模块实现、调试过程和性能优化。 通过对真实项目的深入剖析,帮助读者融会贯通本书所学的知识,并掌握实际开发中的问题解决思路和工程实践经验。 鼓励读者动手实践,将理论知识转化为解决实际问题的能力。 结语 《嵌入式系统深度剖析:从硬件到应用的全方位解析》不仅仅是一本技术手册,更是一本引导读者成为优秀嵌入式系统工程师的指南。我们力求通过理论的深度、技术的广度以及实践的指导,帮助您构建起完整的嵌入式系统知识体系。本书的编写旨在激发您对嵌入式系统开发的浓厚兴趣,培养您独立解决复杂技术问题的能力,并最终能够设计出高性能、高可靠性、安全可靠的嵌入式产品。我们相信,掌握了本书中的知识和技能,您将能自信地应对嵌入式系统开发领域的各种挑战,在蓬勃发展的智能时代,开创属于自己的精彩篇章。