王 偉，吳麗媛，謝劍斌，陸志肖

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

隨著社會的不斷進(jìn)步和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機及軟件在社會生活和國民經(jīng)濟等方面的應(yīng)用越來越廣泛和深入，在航空航天領(lǐng)域同樣也起著舉足輕重的作用。而軟件失效可能引起巨大損失，例如美國航天局火星登陸事故，歐洲航天局火箭發(fā)射失敗等事件[1,2]。為進(jìn)一步改善傳統(tǒng)的機電子系統(tǒng)龐雜的結(jié)構(gòu)，逐步減輕直升機的重量，減少機體體積、裝機設(shè)備數(shù)量和降低連線的復(fù)雜性，機電綜合管理系統(tǒng)綜合化、整體化，處理機多余度，成為直升機機電管理專業(yè)致力的重要內(nèi)容，是機電綜合管理的必然發(fā)展方向。圖1為符合直升機發(fā)展要求的一種機電綜合管理系統(tǒng)架構(gòu)。直升機機電綜合管理系統(tǒng)的發(fā)展勢必會使系統(tǒng)軟件相應(yīng)地復(fù)雜?？紤]軟件失效的問題，我們設(shè)計了適合的軟件測試方法來解決。

1 軟件測試

1.1 軟件測試的目標(biāo)

軟件測試的目標(biāo)是提供信息改進(jìn)被測軟件的質(zhì)量，改善開發(fā)和測試的過程能為項目管理者和軟件開發(fā)者提供信息并預(yù)防軟件缺陷。

圖1 直升機機電綜合管理系統(tǒng)未來架構(gòu)

軟件測試是貫穿軟件開發(fā)全過程的關(guān)鍵步驟。開發(fā)階段的測試，主要目的是盡可能發(fā)現(xiàn)失效，從而識別和修正盡可能多的缺陷；驗收階段的測試，主要目的是確認(rèn)系統(tǒng)是否能夠按照預(yù)期工作，是否符合需求；維護(hù)階段的測試，主要目的是為了驗證在開發(fā)過程中的軟件變更是否引入新的缺陷；運行階段的測試，主要目的是為了評估系統(tǒng)的特征，比如可靠性或者可用性等。有些情況下，測試的主要目標(biāo)是對軟件的質(zhì)量進(jìn)行評估，而不是為了修復(fù)缺陷。大量統(tǒng)計表明，軟件測試占總工作量的40%以上，在極端情況下，甚至可能高達(dá)軟件工程其他步驟成本總和的三到五倍。

1.2 軟件測試技術(shù)概述

軟件測試技術(shù)分類如圖2所示，現(xiàn)有的軟件測試技術(shù)通常分為靜態(tài)測試和動態(tài)測試。測試階段基本上分為單元測試、部件測試、配置項測試以及驗收測試。其中，單元測試中靜態(tài)和動態(tài)測試技術(shù)同等重要，各占50%；部件測試與配置項測試以動態(tài)測試為主，靜態(tài)測試為輔。測試階段的信息流程如圖3。

圖2 軟件測試技術(shù)的分類

圖3 測試階段的信息流程

輸入流分軟件配置和測試配置兩項。軟件配置由需求說明書、設(shè)計說明書和源代碼組成；測試配置中包含測試計劃、測試工具、測試用例和期望結(jié)果，有時測試配置也作為軟件配置的一個組成部分。測試人員根據(jù)上述輸入信息測試程序并評價測試結(jié)果，當(dāng)測試結(jié)果與期望結(jié)果存在差異時，往往程序有錯。此時可采用排錯技術(shù)定位錯誤并改正。經(jīng)過測試的軟件失效率會降低，生命周期得到延長。

2 直升機機電綜合管理系統(tǒng)軟件測試應(yīng)用

2.1 機電綜合管理系統(tǒng)軟件架構(gòu)

直升機機電綜合管理系統(tǒng)軟件是根據(jù)直升機各機電系統(tǒng)的監(jiān)控需求以及航電要求開發(fā)的，是一個多任務(wù)機載實時嵌入式軟件，它的模塊按功能劃分，各個任務(wù)的優(yōu)先級按事件的重要程度來定義。軟件分為周期任務(wù)和非周期任務(wù)，一般定義在初始化、模式控制、機電系統(tǒng)周期監(jiān)控、航電命令處理、串口通訊、維護(hù)、啟動檢測、硬件自檢、例外和公用等幾個模塊中。

2.2 軟件測試在機電綜合管理系統(tǒng)中的必要性

直升機機電綜合管理系統(tǒng)軟件是實時的嵌入式軟件。嵌入式實時軟件的測試是軟件界公認(rèn)的難點，其原因之一在于系統(tǒng)中有存在軟硬件的緊密結(jié)合，在編寫應(yīng)用軟件時要考慮硬件資源的管理和使用，因為這將決定系統(tǒng)的質(zhì)量和效率；另外，很多嵌入式系統(tǒng)需要長時間自主運行，并擔(dān)負(fù)某些任務(wù) ，運行后不再需要人工干預(yù)和交互，所以難以進(jìn)行手工測試；而且，實時嵌入式系統(tǒng)與外界的信息交換具有嚴(yán)格的定時要求，某些行為僅在某種特定的系統(tǒng)狀態(tài)之下和某些特定的事件序列到達(dá)時才會發(fā)生。為了避免軟件缺陷，需要精心地設(shè)計測試用例并保證足夠的測試覆蓋率。

直升機機電綜合管理系統(tǒng)的軟件開發(fā)是軟件設(shè)計員的工作內(nèi)容，人的工作和交流不可能毫無缺陷，出現(xiàn)錯誤是難免的。而且，隨著機電綜合管理系統(tǒng)應(yīng)用軟件功能的不斷強大和所監(jiān)控的子系統(tǒng)復(fù)雜程度的不斷提高，應(yīng)用軟件的規(guī)模也在不斷增大，這些因素都使得出現(xiàn)錯誤的可能性增加。而軟件測試正是保證軟件質(zhì)量和可靠性的重要手段，它能夠發(fā)現(xiàn)軟件中隱藏的許多缺陷。例如英國海軍SHOLIS項目中，單元測試發(fā)現(xiàn)了整個軟件開發(fā)過程15.75%的缺陷，避免了很多損失[1]。 在找到錯誤后，通過分析錯誤產(chǎn)生的原因和錯誤的分布特征，還可以幫助機電系統(tǒng)項目管理者和軟件開發(fā)者發(fā)現(xiàn)當(dāng)前所采用的軟件過程的缺陷，以便改進(jìn)。沒有發(fā)現(xiàn)錯誤的測試也是有價值的，測試并不僅僅是以查找錯誤為中心，演示機電綜合管理系統(tǒng)軟件的正確功能也很重要。軟件的正常功能能得到確保。

2.3 機電綜合管理系統(tǒng)軟件測試設(shè)計

2.3.1 測試模型

基本遵從軟件的全生命周期的測試模型，對應(yīng)軟件開發(fā)的過程，測試過程依次為編碼后對代碼進(jìn)行代碼靜態(tài)分析，然后對照軟件詳細(xì)設(shè)計進(jìn)行動態(tài)單元測試；對測試后的單元對照軟件概要設(shè)計進(jìn)行部件測試；測試后的部件對照軟件需求分析進(jìn)行配置項測試；最后對測試后的配置項對照系統(tǒng)的需求進(jìn)行系統(tǒng)測試，最終交付。

2.3.2 測試階段

結(jié)合我國直升機現(xiàn)狀，目前直升機機電綜合管理系統(tǒng)采用的軟件測試技術(shù)有靜態(tài)測試中的文檔審查、代碼審查技術(shù)和動態(tài)測試的黑盒、白盒測試技術(shù)；進(jìn)行的測試階段主要是單元測試和配置項測試，也有部件測試和系統(tǒng)測試，其中單元測試采用同等工作量的靜態(tài)測試和動態(tài)測試，配置項測試以動態(tài)測試為主。

1) 單元測試

采用功能測試、接口測試、結(jié)構(gòu)覆蓋等測試類型。機電管理計算機軟件進(jìn)行單元測試是針對代碼中能單獨測試的最小單位(可獨立編譯的程序模塊)進(jìn)行的正確性檢驗的測試，如涉及到其他單元的函數(shù)，則采用打樁(在本單元內(nèi)編寫需要調(diào)用的函數(shù))的方式確保單元測試環(huán)境的建立，從而保證被測軟件單元能夠獨立地運行。

硬件準(zhǔn)備包括主控計算機(帶有操作系統(tǒng)windows xp和開發(fā)環(huán)境Tornado 2.0)、機電系統(tǒng)模擬綜合裝置USI(模擬機電系統(tǒng)的工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)邏輯)、航電系統(tǒng)模擬裝置UICD(模擬航電系統(tǒng)和機電管理計算機的接口和邏輯)以及機電管理計算機(應(yīng)用軟件加載和運行的目標(biāo)機)；軟件準(zhǔn)備包括文檔機電管理計算機的《應(yīng)用軟件設(shè)計報告》(含接口設(shè)計說明)；通過編譯的被測軟件單元源程序。

測試的內(nèi)容包括：

① 代碼檢查：軟件代碼命名規(guī)則檢查、編碼格式檢查、寄存器使用檢查、程序邏輯檢查、算法檢查、變量使用檢查及標(biāo)準(zhǔn)化檢查等；

② 模塊接口測試：對通過被測模塊的數(shù)據(jù)流進(jìn)行測試，對模塊接口，包括參數(shù)表、調(diào)用子模塊的參數(shù)、全程數(shù)據(jù)、文件輸入/輸出操作都必須檢查；

③ 局部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)檢查：設(shè)計測試用例檢查數(shù)據(jù)類型、初始化、缺省值等方面的問題，還要查清全程數(shù)據(jù)對模塊的影響；

④ 路徑測試：選擇測試用例，對模塊中重要的執(zhí)行路徑進(jìn)行測試；

⑤ 錯誤處理測試：檢查模塊的錯誤處理功能是否包含有錯誤或者缺陷；

⑥ 邊界測試：檢查數(shù)據(jù)流、控制流中剛好等于、大于或者小于確定的比較值時出錯的可能性；

⑦ 時間性測試：如果模塊運行時間有要求的話，還要專門進(jìn)行關(guān)鍵路徑測試，以確定各種情況下模塊運行的時間。

2)部件測試

采用功能測試、接口測試、結(jié)構(gòu)覆蓋等測試類型。依據(jù)軟件概要設(shè)計，測試概要設(shè)計中的功能模塊，測試計劃注明包含測試部件哪些單元，用例的設(shè)計編寫比較接近單元測試。

硬件準(zhǔn)備同單元測試；軟件準(zhǔn)備包括文檔機電管理計算機《應(yīng)用軟件需求規(guī)格說明》(含接口需求說明)、《應(yīng)用軟件設(shè)計報告》，被集成的通過單元測試的軟件單元源程序，并提供軟部件程序和可執(zhí)行代碼。

測試的內(nèi)容包括：

① 功能測試：軟部件(或者單元)間參數(shù)傳遞與返回結(jié)果的正確性；軟部件(或者單元)集成后，被測實現(xiàn)功能的正確性；全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的正確性。

② 性能測試：運行時間；嵌入式軟件實時性能。

③ 接口測試：軟部件(或者單元)間接口數(shù)據(jù)流的正確性；軟部件(或者單元)間的數(shù)據(jù)交換是否存在不良影響。

④ 結(jié)構(gòu)覆蓋測試：軟部件(或者單元)間調(diào)用關(guān)系上的覆蓋測試，要求覆蓋率達(dá)到100%。

⑤ 指針與泄漏錯誤測試。

3)配置項測試

采用功能測試、接口測試、結(jié)構(gòu)覆蓋等測試類型。測試機電管理監(jiān)控項是否能正常告警顯示。配置項測試是目前機電綜合管理系統(tǒng)軟件測試的重要測試階段。

硬件準(zhǔn)備同單元測試；軟件準(zhǔn)備包括文檔機電管理計算機《應(yīng)用軟件需求規(guī)格說明》、《應(yīng)用軟件設(shè)計報告》，已通過測試的軟件單元、軟部件以及測試問題報告單、源程序、可執(zhí)行代碼。

測試的內(nèi)容包括：

① 功能測試：對軟件需求規(guī)格說明中所規(guī)定的軟件合格性項進(jìn)行逐項測試，以驗證其功能是否滿足需求規(guī)格說明的要求；對軟件配置項的控制流程的正確性、合理性等進(jìn)行驗證。

② 性能測試：軟件配置項在獲得定量結(jié)果時計算的精確性；有時間要求的軟件配置項，應(yīng)測試其時間特性及實際運行時間；軟件配置項完成其功能所能處理的數(shù)據(jù)量；軟件配置項各部分的協(xié)調(diào)性；軟件需求規(guī)格說明中所要求的其它性能指標(biāo)。

③ 接口測試：內(nèi)部接口的正確性和協(xié)調(diào)性；外部接口的正確性和協(xié)調(diào)性。

④ 人機界面測試：操作和顯示界面與軟件需求規(guī)格說明的要求的一致性和符合性；人機界面在非常規(guī)操作、誤操作、快速操作下的可靠性；對錯誤命令或者非法數(shù)據(jù)輸入的檢查能力與提示情況；人機界面對所要求界面風(fēng)格的一致性。

⑤ 安全性測試：異常條件下的測試；安全關(guān)鍵操作錯誤的測試；軟件配置項在輸入域(或輸出域)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、過程參數(shù)、功能界限等的邊界或端點情況下的運行狀態(tài)。

⑥ 可安裝性測試：不同配置下的安裝或卸載測試；安裝測試用例驗證。

4)系統(tǒng)測試

選用常見的測試類型中的功能測試、性能測試、接口測試和結(jié)構(gòu)覆蓋，測試邊界和異常的狀態(tài)下軟件的功能和性能，測試軟件配置項之間以及配置項與硬件之間的接口，測試人機交互操作(包括正常操作、誤操作時軟件的反應(yīng)和排錯性、可靠性的處理能力)。

硬件準(zhǔn)備同單元測試；軟件準(zhǔn)備包括文檔機電管理計算機《應(yīng)用軟件需求規(guī)格說明》、《應(yīng)用軟件設(shè)計報告》，已通過測試的軟件單元、軟部件、配置項以及測試問題報告單、源程序、可執(zhí)行代碼。

測試的內(nèi)容包括：

① 功能測試，對系統(tǒng)設(shè)計文件中規(guī)定的各項軟件功能進(jìn)行以下測試，以驗證系統(tǒng)是否達(dá)到所規(guī)定的要求：正常值的等價類輸入數(shù)據(jù)檢測；非正常值的等價類輸入數(shù)據(jù)檢測；邊界值的輸入數(shù)據(jù)檢測。

② 性能測試：軟件在獲得定量結(jié)果時計算的精確性；有速度要求時，計算完成功能的時間；軟/硬件運行環(huán)境中的因素是否限制了軟件的性能；系統(tǒng)的負(fù)載能力；系統(tǒng)運行時軟件占用的空間；系統(tǒng)對并發(fā)事務(wù)和并發(fā)用戶訪問的處理能力。

③ 接口測試：系統(tǒng)內(nèi)部接口的正確性和一致性；系統(tǒng)外部接口的正確性和一致性。

④ 人機界面測試：人機交互界面字符、文字、GUI元素的正確性；人機交互界面的有效性；人機交互界面的健壯性；人機交互界面與用戶手冊或操作手冊的一致性。

⑤ 安全性測試：硬件或軟件出現(xiàn)故障情況下的處理和保護(hù)能力；容錯操作的能力；用戶數(shù)據(jù)抗非法訪問的能力；用戶和權(quán)限管理。

⑥ 可安裝性測試：不同配置下的安裝或卸載測試；驗證安裝參數(shù)裝訂、安裝規(guī)程的正確性及安裝規(guī)程與安裝手冊描述的一致性。

⑦ 文檔審查：文檔完整性；文檔內(nèi)容的直觀性和易于理解性；文檔描述的一致性。

3 結(jié)論

隨著直升機機電綜合管理系統(tǒng)功能的日益強大，對機電綜合管理系統(tǒng)軟件提出了更高的要求：除了完成相應(yīng)的功能以外，還應(yīng)能夠盡力地避免軟件的缺陷。本文在此背景下，以嵌入式軟件測試?yán)碚撆c技術(shù)為指導(dǎo)，結(jié)合實際需求，提出機電綜合管理系統(tǒng)軟件的測試工作內(nèi)容。在初步的使用操作中，比較全面地涵蓋了所有需要測試的方面。這種系統(tǒng)全面的測試節(jié)省了測試環(huán)境的開發(fā)和準(zhǔn)備時間，同時提高了測試的效率。

測試工作的質(zhì)量直接影響機電管理計算機產(chǎn)品的生命力。隨著機電一體化的逐漸發(fā)展，應(yīng)對機電綜合管理系統(tǒng)的軟件測試進(jìn)行更深入的研究，使其更大限度地發(fā)揮保障機電綜合管理系統(tǒng)運行質(zhì)量的作用。

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