半实物仿真软件测试系统在航天软件测试中的应用及其发展

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1、软件测试学术交流论文集 半实物仿真软件测试系统 在航天软件测试中的应用及其发展 刘力，张建伟 ( 航天科工集团7 0 6 所) 摘要本文简要介绍了半实物仿真软件测试系统的原理，以及半实物仿真测试 系统的技术特点，对半实物仿真测试系统在航天软件测试技术中的应用情况进行了 说明，最后展望了半实物仿真测试系统的发展方向 1 引言 软件在航天系统中起着重要作用，其质量影响到飞行试验的成败。随着硬件处理能力 的提高，软件在航天系统的使用量必将呈快速增长的趋势，软件的规模会越来越大，复杂 性将急剧提高。例如，美国航天飞机的飞行软件达5 0 万行源代码，F 2 2 战斗机更达1 5 0 多万行源代码。因此可

2、以预见软件在航天系统中的比重会越来越大，将发挥核心作用。 但航天项目中软件的质量形势并不容乐观，因软件故障而造成的重大事故也不乏其例。 欧洲航天局投资6 7 亿美元研制的阿里亚娜5 型火箭，由于软件问题导致1 9 9 6 年的飞行试 验失败；1 9 9 8 年1 2 月1 1 日发射的火星轨道者号气象观测宇宙飞船( M a r sC l i m a t eO r b i t e r ) 因控制中心软件和工程人员采用的测量距离单位不一致，导致宇宙飞船烧毁于火星大气层， 损失了一颗价值一亿二千五百万美元的人造卫星；同样由于软件故障导致1 9 9 9 年4 月9 日 和3 0 日美国空军用大力神4

3、B 和半人马座火箭发射失败，损失两颗军事卫星，造成了2 0 多亿美元的巨大损失。软件失效已成为系统故障的主要原因之一。根据美国国防部和N A S A 的统计，当今武器系统和航天项目中的软件可靠性比硬件系统大约低一个数量级。 软件测试是保障软件质量的重要手段，是软件工程的重要组成部分。软件测试( 动态 测试) 的基本原理是对被测软件提供一组有代表性的输入数据，在给定的运行环境下运行 软件，并对被测软件的输出进行适当的检查和分析。由此可以看出软件动态测试包括三部 分核心内容：生成测试用例、运行软件和验证软件的运行结果。 对于通用软件，动态测试最重要的问题是生成测试用例的策略，早期的软件测试理论 主

4、要解决这个问题，因此测试用例的生成策略也发展的较为成熟。但对于嵌入式软件，动 态测试面临的主要困难是运行环境的建立即测试系统的建立。这主要是由嵌入式软件的 特点决定的：如嵌入式软件大多具有外围设备，闭环处理且实时性强，I O 数据复杂多样， 可靠性、安全性和健壮性要求高等，还有一些嵌入式软件具有较强的容错，并发等特点。 航天型号嵌入式软件的测试系统已成为影响软件测试工作质量和效率的一个关键因素。 根据为被测软件提供的运行环境的不同，嵌入式软件测试系统一般分为三种类型：全 数字仿真测试系统、全实物测试系统和半实物仿真测试系统。 软件测试学术交流论文集 全数字仿真通过开发目标机C P U 、外围设

5、备I O 接E l 的数字模拟器，在宿主机上实 现对嵌入式软件的测试采用这种方法，嵌入式软件从真实目标机中剥离出来，被测软件 已经脱离了它所依赖的硬件运行环境而运行在一个全数字仿真的测试系统之上。测试的可 控性很好，软件的执行比较透明。但全数字仿真缺乏真实性，很难保证实时性随着硬件 复杂度的提高，全数字仿真建立和维护的难度越来越大 全实物测试系统，在这种测试环境中被测软件处在完全真实的运行环境中，直接将目 标机( 包括嵌入式软件) 和其外围设备建立真实的连接，形成闭环进行测试。这种测试环 境与被测软件的真实使用环境完全相同，能够保证软件运行环境的真实性；但是真实的外 围设备使得系统的设置缺乏灵

6、活性，测试用例的输入以及测试结果的记录均比较困难。全 实物测试系统对于异常情况下的安全性测试、故障注入更是无从谈起，因此对软件测试的 支持有很大的局限性。 半实物仿真测试系统是一种介于全数字和全实物之间的测试系统，并且具备全实物系 统运行环境真实以及全数字仿真设置灵活的优点。在半实物仿真测试系统中被测软件依然 运行在它特定的目标机中，保持了被测软件运行环境的真实性：与目标机连结的其他设备 则通过硬件模拟器实现，能够真实的模拟被测软件运行所需的真实外围物理环境，并且能够 灵活设置被测软件的输入、记录被测软件的输出结果。 由于航天系统中的嵌入式软件大多具有复杂的外部设备，I O 数据复杂多样，因此

7、必须 对被测软件与外部设备接口进行测试；这类嵌入式软件通常有很高的实时性要求，因此测 试系统必须和目标机能够实时进行数据交换；同时这类软件具有较强的容错、并发特点， 因此测试时必须能够灵活的设置被测软件运行的异常模式，考察被测软件的安全性。这些 特点要求测试系统除了具备真实的运行环境、真实的外部接口外，还要有灵活的可控性。 半实物仿真测试系统由于运行环境真实，有较好的灵活性，能够满足这部分的测试需求， 因此在航天软件测试中大量应用。 2 半实物仿真测试系统的技术特点 2 1 半实物仿真测试系统的体系结构 半实物仿真测试系统的示意图如图l 所示，被测软件运行在真实的目标机中，保持了 运行环境的真

8、实性；与它连结的其他外围设备则通过仿真来实现，模拟被测软件运行所需 的真实的输入，记录软件运行的输出结果。硬件主要完成外围设备的接口连接，而测试执 行、测试监控、外围设备的数据处理功能都由软件实现。 软件测试学术交流论文集 图I 半实物仿真测试系统示意图 按测试需求不同，将半实物仿真测试系统的测试功能可以分为两类任务： 测试开发任务：包括测试用例管理、测试结果分析处理、测试文档管理、测试系统维 护等，这些测试管理功能面向的是测试人员，这类任务要处理大量的人机界面交互，对实 时性要求不高； 测试执行任务：主要完成测试执行时与被测软件之间的数据交互，外围设备的仿真， 这类任务面向目标机，与I o

9、接口紧密相关。需要处理大量实时性要求很高的数据，有较 高的实时性要求。 针对不同的被测对象，这两类任务对软硬件系统的要求不同。尤其是现有的操作系统 很难既支持友好的图形界面又支持强实时的操作调度：而且对于复杂的被测系统，由单一 计算机完成所有的测试功能也是不现实的。因此必须根据被测对象的特点，采用不同的体 系结构。下面介绍几种半实物仿真测试系统的体系结构。 ( 1 ) 基于P C 机和W i n d o w s 操作系统 早期测试系统大都基于P C 工控机、W i n d o w s 操作系统，软件的测试开发功能和测试执 行功能紧密结合，如针对C T U I 、故检逃逸系统建立的测试系统。 支

10、持工控机的板卡种类丰富，板卡的使用简单，且基于通用的操作系统，因此这类测 试系统易于实现。但由于工控机的资源有限，无法容纳大量接口板卡，所以需要多台P C 工 控机，需要在测试系统中建立统一的系统时钟。软件基于W i n d o w s 系统，因而实时性无法 得到保证，在测试过程中经常会发生数据丢帧。基于P C 工控机和W i n d o w s 的体系结构适合 那些外围接口简单，实时性要求不高的软件测试系统。 但测试系统中的软件功能针对某一特定的型号嵌入式软件研制的，通用性差，当被测 对象更改时，整个测试系统需要重新开发。 ( 2 ) 基于V X l 、P X I 测试总线 V X l 、P

11、 X I 测试总线考虑了测试系统的模块化、集成化，与P C 工控机相比，专业测试总 线性能更高，如V X l 总线C 尺寸的机箱最大支持1 3 个测试模块，而且单个测试模块由于尺 5 7 软件测试学术交流论文集 寸的加大可以具备更强大的功能，使得测试系统的可靠性有了很大提高。同时专业的测试 总线综合考虑了电磁干扰、通风、散热等一系列问题，因此测试系统可以支持长时间的不 间断运行。 针对c T u 2 建立了基于V X I 测试总线的测试系统，原来由3 个P C 机才能实现的测试系 统，只需要一个V X l 机箱就可以完成相应功能，这样整个测试系统就很容易建立统一的时 钟。而且由于V X I 单

12、个板卡处理能力的提高，测试系统的可靠性有了很大提高。 但是支持V X I 、P X I 测试总线的板卡数量没有P C I 总线的丰富，而且价格昂贵，板卡功 能的提高也使相应的应用难度加大。 ( 3 ) 分布式可扩展的半实物仿真测试系统 航天软件评测中心在成立的十年来，半实物仿真测试系统经历了工控机到V X I 专业测 试总线的发展，十一五期间，半实物仿真测试系统向着分布式、可扩展有很好通用性的方 向发展。新一代测试系统在软硬件的体系结构上更加合理，实时性、可靠性进一步增强。 随着被测系统复杂程度、实时性的增强，同时为了提高测试系统的可扩展性，国外先 进的测试系统均采用分布式可扩展的体系结构，而

13、且软件采用W i n d o w s 和实时操作系统 ( V x W o r k s 、Q N X ) ，软件的测试开发功能和测试执行功能分离。 根据上面两类测试任务划分的对分布式的结构进行分解，将测试用例生成、测试过程 监控、测试结果分析、测试文档管理、测试系统维护这类大量人机界面交互等实时性要求 不高任务的计算机称为测试开发计算机；将外围设备仿真、测试脚本实时解释、实时任务 调度等测试执行任务的计算机称为测试执行计算机。采用分布式的结构可以保证测试系统 良好的可扩展性，能够满足不同被测对象的硬件连接，同时测试系统可以灵活配置。 测试开发计算机主要处理测试管理功能，需要友好的人机界面；可以采

14、用运行 W i n d o w s 2 0 0 0 或X P 操作系统的高性能P C ；测试执行计算机主要实现外围设备的仿真、测 试执行控制功能，需要有很强的实时性；测试执行机采用P C I 总线的工控机，基于实时操 作系统如V x W o r k s 。在测试执行机上进行测试用例的解释，采集测试执行结果；并与众多 的I O 板卡一起，构成目标机的外围设备环境，实现目标机在回路的测试功能。 如某一被测软件的目标机的外围设备较为复杂，分别分布在3 台测试执行机上实现外 围环境的模拟，则测试系统体系结构如图2 所示。 软件测试学术交流论文集 钾_ 二诵试开发计算机测试执行计算机 、v ； 图2 分

15、布式可扩展的测试系统体系结构 这类测试系统，采用分布式的体系结构，支持多个测试执行机并行工作，测试系统有 很好的可扩展性，能够灵活的接入不同的被测对象。实时操作系统的引入确保了测试系统 能够满足很高的实时性要求，保证被测软件与外围仿真设备的实时数据交换。测试开发功 能与测试执行功能的分离，使得测试系统中软件具备较好的重用性。 2 2 半实物仿真测试系统的技术发展 半实物仿真测试系统在国内外得到广泛认可和应用，我们经过对国内外研究和应用现 状的调研，发现半实物仿真测试系统出现了以下的技术发展趋势。 ( 1 ) 测试系统采用分布式体系结构 随着被测系统复杂程度、实时性的增强，同时为了提高测试系统的

16、可扩展性，国外先 进的测试系统均采用分布式可扩展的体系结构。典型系统如美国喷气推进实验室( J P L ) 开发 的针对空间飞行器仿真测试的分布式集成平台；德国T e c h S A T 公司针对航电系统的开发 平台A D S 3 0 0 0 以及加拿大P A L R T 公司推出的R T - L A B 均采用分布式结构。整个测试系统 依靠以太网、1 3 9 4F i r e W i r e 或C A N B u s 连接。分布式的体系结构的采用保证了测试系统可 以提供良好的可扩展性。 ( 2 ) 测试系统的通用化设计 目前测试系统的应用情况是大部分嵌入式软件的测试系统都是从头开发，从底层做起， 没有一个很好的通用系统提供支持，导致测试系统开发费用高、研制周期长。而且测试系 统基本上都是针对某一个特定的嵌入式软件被测对象定制的，通用性差资源利用率低， 造成资源的浪费。 测试系统的通用化设计提出在“测试平台”一级研究通用测试系统的建立方法和技术。 针对不同被测对象。在测试平台上进行二次开发，就可以简单高效的定制相应的