摘  要： 實(shí)時系統(tǒng)是指與運(yùn)行環(huán)境的交互行為存在時間約束的系統(tǒng)。由于時間約束的無窮狀態(tài)空間問題，增加了實(shí)時系統(tǒng)測試難度。本文基于時間自動機(jī)，利用時間區(qū)域分解的方法，將無窮狀態(tài)空間的時鐘區(qū)域在時鐘數(shù)量對應(yīng)的坐標(biāo)圖中等價劃分為各個類，在生成的測試路徑中取到相應(yīng)的點(diǎn)坐標(biāo)，簡化取點(diǎn)的個數(shù)，有效減少測試用例的生成數(shù)量，進(jìn)而相對減少狀態(tài)空間爆炸的可能性，為實(shí)時系統(tǒng)功能、安全性驗(yàn)證提供理論基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞： 實(shí)時系統(tǒng)；區(qū)域分解；時間自動機(jī)；狀態(tài)空間；測試用例

0 引言

　　隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在航空航天、軌道交通、工業(yè)控制和核反應(yīng)控制等安全苛求系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，如何有效地保障這類系統(tǒng)的安全性與可靠性成為行業(yè)著重解決的關(guān)鍵問題。而實(shí)時性是影響這類系統(tǒng)安全性的關(guān)鍵特性，如何檢測和驗(yàn)證該類系統(tǒng)滿足實(shí)時性能需求成為保證系統(tǒng)安全的關(guān)鍵技術(shù)。而實(shí)時系統(tǒng)因增加時間約束，加速了這類系統(tǒng)狀態(tài)空間爆炸，而無法保證這類系統(tǒng)的完備測試和驗(yàn)證。常見的該類系統(tǒng)的測試方法主要包括靜態(tài)時間分析和動態(tài)實(shí)時測試。靜態(tài)分析方法通過預(yù)估計(jì)程序執(zhí)行的時間判定時間約束的滿足性；動態(tài)測試是在系統(tǒng)仿真執(zhí)行時調(diào)用時鐘部件進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行時間測算，從而判定時間約束的滿足性。但這類測試方法難以應(yīng)用到基于模型驅(qū)動的實(shí)時測試問題中。

　　時間維覆蓋滿足性問題成為基于模型驅(qū)動的實(shí)時測試的關(guān)鍵問題，常見的基于模型的測試方法多采用隨機(jī)選取時間滿足點(diǎn)替代時間區(qū)間的測試，或采用狀態(tài)空間與后繼遷移的空間交集分解后再選取隨機(jī)點(diǎn)的方法，這類方法都無法滿足時間點(diǎn)覆蓋需求。本文提出一種基于時間自動機(jī)模型的測試用例生成方法，將時鐘區(qū)域等價劃分，使得每個區(qū)域的時鐘值表示相同行為[1]，生成數(shù)量少、覆蓋點(diǎn)完備的測試用例集合。

1 時間自動機(jī)[2-4]及其狀態(tài)空間

　　對于時鐘集合C，時鐘約束[3，5]集合Ф（C）={Ф|Ф是一個時鐘約束}，其中Ф是時間自動機(jī)的基本組成成分，是實(shí)時系統(tǒng)模型檢查算法操作的基礎(chǔ)，定義：Ф=x∞n|x-y∞n∞，x、y∈C，n∈N。

　　一個時間自動機(jī)T可以表示為一個多元組（L，l0，C，A，E，I）[1，2，6]，其中：

　　（1）L是一個有限狀態(tài)的集合；

　?。?）l0是初始狀態(tài)，是L的子集；

　　（3）C是一個有限的時鐘集合，所有的時鐘在l0處初始化為零；

　?。?）A是一個有限的標(biāo)記集合；

　　（5）E是一個映射，給每一個位置L指定Ф（C）中的某個時鐘約束；

　?。?）I是一個狀態(tài)遷移的集合，其中E?哿L×A×2C×Ф（C）×L。一個遷移（s，a，u，λ，s′）表示當(dāng)輸入符號a時從狀態(tài)s轉(zhuǎn)移到狀態(tài)s′，u是X上的一個時鐘約束條件，即u∈Ф（C），它指定遷移的發(fā)生時間，集合λ∈X給出在狀態(tài)轉(zhuǎn)移發(fā)生時被重置的時鐘。

　　時間自動機(jī)T的語義由一個與它相關(guān)的系統(tǒng)S定義，其狀態(tài)擴(kuò)展為<s，v>，其中s為A的某一狀態(tài)，v是一個時鐘解釋。如果s是A的初始位置，并且對于所有的時鐘變量x都有v（x）=0，那么狀態(tài)（v，s）便是一個初始狀態(tài)。在遷移系統(tǒng)中有如下兩種類型的遷移[5，7]：

　　（1）時間流逝遷移：對一個狀態(tài)（s，v）和一個實(shí)數(shù)的時間增量d≥0，如果對所有的d≥d′≥0，v+d′∈l（s），則（s，v）（s，v+d）；

　?。?）動作遷移：對于一個狀態(tài)（s，v）和一個遷移（s，a，u，λ，s′），其中v∈u，則（s，v）（s′，v′）。

2 時間狀態(tài)空間的計(jì)算及測試用例生成技術(shù)

　　2.1 時間狀態(tài)空間的計(jì)算

　　劃分時鐘區(qū)域要求時間的整數(shù)部分一致，并且所有時鐘間的小數(shù)部分的變化順序也一致。整數(shù)部分決定是否滿足指定的時鐘約束，而小數(shù)部分的先后順序決定哪個時鐘會先改變其整數(shù)部分。為了更好地說明，將區(qū)域劃分為三種類別[1]：拐點(diǎn)區(qū)域、開線段區(qū)域和開區(qū)域。時鐘區(qū)域的計(jì)算要同時考慮時鐘的個數(shù)以及一個遷移是輸入還是輸出。CR表示時鐘區(qū)域的數(shù)目，C表示時鐘的個數(shù)，Cx、Cy表示時間約束的長度。

　　當(dāng)時鐘數(shù)為1，即C=1時，如圖1，給出了此時的區(qū)域最小數(shù)的情況，區(qū)域數(shù)為4，即2個拐點(diǎn)區(qū)域+2個開線段區(qū)域。而當(dāng)Cx增加最小量1時，拐點(diǎn)區(qū)域和開線段區(qū)域都相應(yīng)地增加1，也就是說，Cx每增加1，區(qū)域總數(shù)CR相應(yīng)增加2。由此可以得到，當(dāng)只有一個時鐘即C=1時，區(qū)域總數(shù)CR=4+（2×（Cx-1））=2×（Cy+1）。

　　當(dāng)時鐘數(shù)為2，即C=2時，時鐘值用相應(yīng)的二維坐標(biāo)來表示，每個坐標(biāo)軸代表一個時鐘，如圖2給出了當(dāng)Cx=Cy=1時的最小區(qū)域數(shù)。從圖中可以看出此時的區(qū)域個數(shù)為18，可以推算出當(dāng)時鐘數(shù)C=2時，區(qū)域總數(shù)CR=（6×Cx×Cy）+4×（Cx+Cy+1）。

　　當(dāng)時鐘數(shù)為3，即C=3時，時鐘值用相應(yīng)的三維坐標(biāo)來表示，同樣可以推算出此時的區(qū)域總數(shù)CR=（22×Cx×Cy×Cz）+10×（Cx×Cy+Cx×Cz+Cy×Cz）+8×（Cx+Cy+Cz+1）[1]。

　　劃分的區(qū)域可以簡化取點(diǎn)的個數(shù)，進(jìn)而減少生成的測試用例的數(shù)量。例如若在圖2中取點(diǎn)（0.65，0.5）和（0.72，0.6），根據(jù)上述的等價劃分方法，在這里可認(rèn)為二者是等價的，即二者對應(yīng)生成的路徑是一樣的。

　　2.2 測試用例生成技術(shù)

　　（1）首先根據(jù)所給自動機(jī)模型的實(shí)例，分析系統(tǒng)中全部可能的狀態(tài)。如一個有窮狀態(tài)機(jī)[8]M（X，Y，Q，q0，ε，O），其中X={a，b}是一個輸入符號集合，Y={0，1}是一個輸出符號集合，Q={q0，q1，q2}是一個有窮的狀態(tài)集合，q0是初始狀態(tài)，ε是狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)，O是輸出函數(shù)。對M來說，系統(tǒng)中的全部可能的狀態(tài)即為q0，q1，q2[8]。然后將全部的狀態(tài)空間按時間維展開為時間狀態(tài)空間。即將模型中的各個狀態(tài)位置分別和一個時間域一起構(gòu)成符號狀態(tài)以生成有限狀態(tài)模型，也就是對位置賦一個時間不變量。遷移動作發(fā)生時的時鐘值需要滿足一定的約束條件，才能發(fā)生狀態(tài)的遷移。

　?。?）由時間狀態(tài)空間生成相應(yīng)的路徑。當(dāng)滿足發(fā)生遷移的時間約束和遷移約束時，遷移發(fā)生，從一個狀態(tài)遷移到另一個狀態(tài)，最終形成路徑。

　?。?）任取路徑按相應(yīng)時間維數(shù)的區(qū)域計(jì)算方法，生成路徑上每個點(diǎn)的時間區(qū)域類，并按2.1節(jié)中介紹到的區(qū)域點(diǎn)選取規(guī)則，產(chǎn)生該點(diǎn)的區(qū)域樣點(diǎn)。

　?。?）根據(jù)每條路徑的約束規(guī)則，選取路徑點(diǎn)的時間樣點(diǎn)的組合點(diǎn)，形成該條路徑的滿足時間維的測試用例。

3 案例分析

　　對單一路徑來說，系統(tǒng)中每條路徑中的邊和時間的取點(diǎn)不盡相同。根據(jù)時鐘數(shù)量的不同，每個時鐘對應(yīng)的約束不同，其相應(yīng)的取點(diǎn)也就不同，舉一個簡單的列車通過道口的例子，如圖3。狀態(tài)A（approach）表示列車接近道口，O（open）表示道口打開，C（close）表示道口關(guān)閉，即狀態(tài)Q={A，O，C}有三個。當(dāng)滿足時間約束t<3時，狀態(tài)由A遷移到O，此時時間重置為0。當(dāng)列車接近滿足t<5時，道口打開，此時再判斷t的大小，若是t>3，則列車等待（wait），狀態(tài)由O回到A，重新判斷；若是t<3，狀態(tài)由O遷移到C，則列車通過（cross），此時t重置為0。若t<2則道口關(guān)閉（close），狀態(tài)C到達(dá)起點(diǎn)A，同時，時間t重新置為0。

　　對應(yīng)上例，根據(jù)2.1節(jié)介紹的區(qū)域點(diǎn)選取規(guī)則，可能會生成如下的測試用例：

　　（0）.open→（0）.cross→（1）.close

　?。?）.open→（0.5）.cross→（1）.close

　?。?）.open→（1）.cross→（1）.close

　?。?）.open→（1.5）.cross→（1）.close

　?。?）.open→（2）.cross→（1）.close

　　（0）.open→（2.5）.cross→（1）.close

　?。?）.open→（3）.cross→（1）.close

　　（0）.open→（3.5）.wait

　?。?）.open→（4）.wait

4 總結(jié)

　　本文利用時間自動機(jī)模型來描述實(shí)時系統(tǒng)，分析系統(tǒng)狀態(tài)空間，提出面向時間維模式的狀態(tài)空間計(jì)算方法，將區(qū)域劃分為不同類別，簡化了時鐘區(qū)域的取值。然后介紹了計(jì)算時鐘區(qū)域數(shù)量的方法。最后給出具體的生成測試用例的實(shí)例。后期研究內(nèi)容包括對時鐘區(qū)域的進(jìn)一步劃分，進(jìn)而減少生成測試用例的數(shù)量。

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