李建軍1,2

　?。?. 中國電子科技集團公司第三十二研究所，上海 201808；2. 國家工程軟件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，上海 201808） 

        摘要：隨著自主可控戰(zhàn)略的實施，國內(nèi)多家基礎(chǔ)軟件廠商推出了相關(guān)的國產(chǎn)化嵌入式實時操作系統(tǒng)軟件，作為底層系統(tǒng)級軟件，目前業(yè)界普遍缺少相關(guān)的測試經(jīng)驗和規(guī)范。分析并給出了國產(chǎn)化嵌入式實時操作系統(tǒng)測試內(nèi)容、測試方法和測試技術(shù)等，為從事嵌入式實時操作系統(tǒng)測試驗證活動提供參考指南。

　　關(guān)鍵詞：國產(chǎn)化；嵌入式實時操作系統(tǒng)；驗證與測試；測試規(guī)范

　　中圖分類號：TP311.5文獻標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.16747720.2016.24.007

　　引用格式：李建軍. 國產(chǎn)化嵌入式實時操作系統(tǒng)軟件測試方法研究［J］.微型機與應(yīng)用，2016,35（24）：22-24，29.

0引言

　　嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)在眾多行業(yè)和領(lǐng)域獲得了廣泛且成功的應(yīng)用，比如機載航空、軌道交通、工業(yè)控制等方面。就嵌入式應(yīng)用開發(fā)來看，目前絕大部分功能較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)都基于嵌入式實時操作系統(tǒng)進行開發(fā)，一方面可以使嵌入式應(yīng)用軟件開發(fā)人員避開繁瑣的硬件管理, 而把主要精力放在目標(biāo)應(yīng)用的算法研究以及應(yīng)用程序自身的構(gòu)架上，另一方面應(yīng)用實時操作系統(tǒng)提供的各種服務(wù) , 可以更容易地構(gòu)建出復(fù)雜的嵌入式實時應(yīng)用系統(tǒng)，并且在軟件重用性和開放性方面實時操作系統(tǒng)也起到了非常重要的作用。國產(chǎn)化嵌入式實時操作系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件是我國自主信息化能力和水平的重要體現(xiàn)，更是保障我國信息安全的重要組成部分，因此研究其軟件測試方法和技術(shù)具有重要的意義，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)對嵌入式實時操作系統(tǒng)的測試進行了一定研究［13］，但目前還未形成系統(tǒng)成熟的測試方法。本文主要針對國產(chǎn)化嵌入式實時操作系統(tǒng)的測試內(nèi)容和測試方法進行研究。

1RTOS測試內(nèi)容

　　國產(chǎn)化嵌入式實時操作系統(tǒng)的測試主要指基本功能組件［4］測試，包括進程管理、異常/中斷管理、時鐘/定時器管理、信號量管理、文件系統(tǒng)、I/O管理、標(biāo)準(zhǔn)符合性、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等方面的測試。涉及的測試類型包括：文檔審查、代碼審查、功能測試、性能測試、接口測試、余量測試、邊界測試、人機交互界面測試、強度測試、安全性測試、恢復(fù)性測試、標(biāo)準(zhǔn)符合性測試、安裝性測試等。

2RTOS組件測試

　　2.1進程管理

　　系統(tǒng)的分配和運行都是以進程為基本單位的，因而對系統(tǒng)的管理可歸結(jié)為對進程的管理。關(guān)于進程管理的測試，主要包括進程的創(chuàng)建終止、阻塞喚醒、掛起激活、同步通信、調(diào)度機制幾個方面，具體為：

　?。?)支持進程的創(chuàng)建：支持進程的創(chuàng)建，并包括申請進程控制塊、為進程分配資源、將進程導(dǎo)入相關(guān)就緒隊列等一系列功能。

　?。?)支持進程的終止：支持響應(yīng)進程正常結(jié)束或異常結(jié)束，終止進程，以及釋放進程所占有資源，將進程控制塊從隊列中移除等功能。

　　（3)支持進程的阻塞和喚醒：準(zhǔn)確響應(yīng)進程阻塞和喚醒的相關(guān)條件，將進程排入阻塞和喚醒隊列中去。

　?。?)支持進程的掛起和激活：準(zhǔn)確響應(yīng)進程的掛起和激活，并根據(jù)相關(guān)調(diào)度機制更改進程狀態(tài)。

　?。?)支持進程的同步和通信：根據(jù)系統(tǒng)的需要設(shè)計合理的進程同步和通信機制。

　?。?)支持進程的調(diào)度：支持調(diào)度管理功能，實現(xiàn)可搶占的優(yōu)先級調(diào)度、同等優(yōu)先級先進先出調(diào)度、同等優(yōu)先級時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法、搶占調(diào)度控制、任務(wù)鎖定調(diào)度等功能。采用功能分解法，通過創(chuàng)建多個任務(wù)，并設(shè)置支持基于優(yōu)先級搶占、同等優(yōu)先級先進先出/時間片輪轉(zhuǎn)的任務(wù)調(diào)度方法，通過查看任務(wù)切換的日志記錄來驗證是否符合要求。

　　2.2異常/中斷管理

　　異常/中斷管理模塊的測試通過異常/中斷處理句柄的安裝來實現(xiàn)，包括不同級的中斷響應(yīng)控制、當(dāng)前系統(tǒng)的中斷信息管理以及及時響應(yīng)外部產(chǎn)生的中斷幾個方面。測試時應(yīng)覆蓋以下內(nèi)容：

　?。?)支持中斷任務(wù)的創(chuàng)建和刪除，通過創(chuàng)建、執(zhí)行、刪除多個不同的中斷任務(wù)，利用獲取任務(wù)的屬性信息函數(shù)和相應(yīng)的日志記錄來驗證操作是否正確。

　?。?)支持異常發(fā)生時保存現(xiàn)場的異?？蚣?，通過在不同任務(wù)中插入相應(yīng)中斷異常，查看異?？蚣苣芊癖Ｗo現(xiàn)場數(shù)據(jù)，進行異常處理，異常清除后，驗證任務(wù)能否從異常中恢復(fù)，繼續(xù)執(zhí)行。

　　（3)支持異常發(fā)生時系統(tǒng)輸出相應(yīng)診斷數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前任務(wù)信息、內(nèi)存數(shù)據(jù)、錯誤類型等，并執(zhí)行系統(tǒng)默認(rèn)的異常處理，可通過在不同的任務(wù)中插入相應(yīng)中斷異常，查看異常發(fā)生時系統(tǒng)輸出的相應(yīng)系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)，驗證能否進行系統(tǒng)默認(rèn)的異常處理。

　?。?)支持與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)的異常處理機制；支持體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的異常處理，如x86平臺上的除零異常和返回非法地址異常等，可通過在不同的任務(wù)中插入與體系架構(gòu)相關(guān)的不同的中斷異常，查看異常發(fā)生時系統(tǒng)輸出的相應(yīng)系統(tǒng)診斷信息，驗證能否進行系統(tǒng)默認(rèn)的異常處理。

　?。?)支持向用戶提供異常處理的掛接函數(shù)，對于無法滿足用戶需求的系統(tǒng)默認(rèn)處理，用戶可以修改異常處理函數(shù)，通過在不同的任務(wù)中插入不同的中斷異常，查看異常發(fā)生時系統(tǒng)輸出的相應(yīng)系統(tǒng)診斷信息和系統(tǒng)默認(rèn)的異常處理，然后通過掛接函數(shù)修改異常處理函數(shù)，重復(fù)執(zhí)行一次，驗證能否進行用戶自定義的異常處理。

　　2.3時鐘/定時器管理

　　時鐘/定時器管理模塊的測試可以通過系統(tǒng)時鐘的管理來實現(xiàn)，包括定時器功能、單調(diào)速率周期的計時方式及顯示指定定時器的信息等方面。測試時應(yīng)覆蓋以下內(nèi)容：

　?。?)實現(xiàn)微秒級高精度時鐘，單調(diào)速率定時器，并支持絕對時間計時和相對時間計時。

　?。?)支持時鐘管理，實現(xiàn)基本定時功能，基本粒度范圍，可通過在程序代碼中插樁，顯示系統(tǒng)啟動定時任務(wù)時和系統(tǒng)觸發(fā)定時任務(wù)時的時間戳，來驗證系統(tǒng)的基本定時功能和基本粒度范圍；顯示系統(tǒng)時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度時刻的時間戳，來驗證系統(tǒng)為輪轉(zhuǎn)調(diào)度提供的時間片，并實現(xiàn)定時觸發(fā)功能。

　　（3)支持維護系統(tǒng)流逝時間和實時時鐘: 支持維護系統(tǒng)流逝時間，包括系統(tǒng)啟動后的真實時間、邏輯時間等，可通過在程序代碼中插樁，顯示當(dāng)前系統(tǒng)啟動后的真實時間和邏輯時間的時間戳，以驗證系統(tǒng)支持維護流逝時鐘。

　　（4)支持定時器的創(chuàng)建、初始化、刪除、取消、啟動等基本操作。

　?。?)實現(xiàn)為輪轉(zhuǎn)調(diào)度提供時間片，并用于信號量、事件、消息隊列、信號等操作的定時觸發(fā)管理。

　　2.4內(nèi)存管理

　　內(nèi)存用于保存進程運行時的程序和數(shù)據(jù)，測試時應(yīng)驗證通過核心工作區(qū)和用戶工作區(qū)控制任務(wù)對硬件內(nèi)存資源的訪問，提供內(nèi)存的分配及釋放功能、系統(tǒng)內(nèi)存信息顯示功能等。測試時應(yīng)覆蓋以下內(nèi)容：

　?。?)支持核心工作區(qū)和用戶工作區(qū)的系統(tǒng)動態(tài)內(nèi)存管理，可通過在程序代碼中插樁，在內(nèi)存的核心工作區(qū)和用戶工作區(qū)分別進行內(nèi)存管理等基本操作，來驗證系統(tǒng)支持核心工作區(qū)和用戶工作區(qū)的系統(tǒng)動態(tài)內(nèi)存管理。

　?。?)支持在核心工作區(qū)內(nèi)分配核心對象控制塊、分配任務(wù)棧、分配消息隊列緩存區(qū)等功能，可通過在內(nèi)存的核心工作區(qū)分配核心對象控制塊、分配任務(wù)棧、分配消息隊列緩存區(qū)等，從而驗證系統(tǒng)支持在核心工作區(qū)內(nèi)分配核心對象控制塊、分配任務(wù)棧、分配消息隊列緩存區(qū)等功能。

　?。?)通過調(diào)用顯示系統(tǒng)中內(nèi)存總數(shù)、已使用數(shù)以及空閑內(nèi)存數(shù)等信息，來驗證系統(tǒng)支持內(nèi)存信息顯示功能。

　?。?)進行內(nèi)存分配、內(nèi)存釋放、內(nèi)存重新分配以及分配內(nèi)存對齊等操作，驗證內(nèi)存管理基本功能。

　?。?)支持硬件MMU，實現(xiàn)虛擬內(nèi)存與實際內(nèi)存的一一映射。

　　2.5信號量管理

　　信號量作為用戶進程之間進行通信同步的原始機制，該模塊可以通過不同種類的信號量通信方式進行測試，包括二進制信號量、計數(shù)信號量和互斥信號量，實現(xiàn)多任務(wù)間的同步、臨界資源的互斥訪問以及共享資源的有效訪問。

　　測試時應(yīng)覆蓋以下內(nèi)容：

　?。?)支持互斥信號量、二進制信號量、計數(shù)信號量，實現(xiàn)多任務(wù)間的同步，臨界資源的互斥訪問以及共享資源的有效訪問: 二進制信號量只允許一次獲取和釋放；計數(shù)器信號量則允許多次獲取或釋放，獲取/釋放的最大次數(shù)在信號量創(chuàng)建時設(shè)置；互斥信號量是特殊的二進制信號量，支持所有權(quán)、遞歸訪問、任務(wù)刪除安全，可通過執(zhí)行符合POSIX 1003.13-2003標(biāo)準(zhǔn)的信號量管理模塊的接口函數(shù)調(diào)用，由此驗證操作系統(tǒng)信號量管理相關(guān)接口的符合性和正確性。

　?。?)支持互斥信號量采用優(yōu)先級繼承或優(yōu)先級天花板方式防止優(yōu)先級逆轉(zhuǎn)，在使用優(yōu)先級天花板協(xié)議時，可指定所有使用此信號量的任務(wù)的最高優(yōu)先級以及優(yōu)先級范圍。

　?。?)通過在不同類型的不同任務(wù)的程序代碼中插樁，顯示信號量擁有者、空閑信號量、已用信號量等信息，從而驗證系統(tǒng)支持信號量信息顯示。

　?。?)支持獲取信號量、釋放信號量、刪除信號量等功能。

　　2.6文件系統(tǒng)

　　文件系統(tǒng)用于組織和管理計算機中所存儲的大量的程序和數(shù)據(jù)。測試文件系統(tǒng)模塊包括對文件的管理以及實現(xiàn)對文件及目錄的常見操作，包括創(chuàng)建、打開、關(guān)閉、讀寫文件和注冊文件系統(tǒng)等幾個方面［5］。

　　測試時應(yīng)覆蓋以下內(nèi)容：

　?。?)支持根文件系統(tǒng)，能夠?qū)τ脖P等塊設(shè)備實現(xiàn)掛接/卸載多種文件系統(tǒng)（FAT\\NTFS\\EXT2\\EXT3\\VFAT等）。

　?。?)支持文件系統(tǒng)訪問塊設(shè)備操作表，能使用主設(shè)備號訪問設(shè)備表的信息，可通過執(zhí)行掛接/卸載操作，驗證其是否提供具體文件系統(tǒng)的掛接/卸載函數(shù)，能夠?qū)τ脖P等塊設(shè)備進行文件系統(tǒng)的掛接。

　?。?)支持文件句柄操作控制表維護文件的操作，包括目錄、設(shè)備、內(nèi)存文件等，可通過執(zhí)行程序來驗證文件系統(tǒng)訪問塊設(shè)備操作表，使用主設(shè)備號訪問設(shè)備表的信息。

　?。?)支持顯示當(dāng)前已注冊文件系統(tǒng)的設(shè)備節(jié)點及安裝點信息，通過在程序中調(diào)用文件系統(tǒng)信息訪問函數(shù)。

　　（5)通過在程序中調(diào)用文件格式化操作相關(guān)接口函數(shù)，以指定的文件系統(tǒng)類型格式化設(shè)備，驗證文件系統(tǒng)格式化功能的正確性。

　?。?)通過在程序中調(diào)用文件操作相關(guān)接口進行目錄、設(shè)備、內(nèi)存文件的創(chuàng)建、讀寫、刪除、關(guān)閉操作，驗證根文件系統(tǒng)功能的正確性。

　　（7)支持多分區(qū)，在單個分區(qū)下可創(chuàng)建多層目錄結(jié)構(gòu)，可以創(chuàng)建任意數(shù)量的文件直至剩余內(nèi)存空間不足。

　　（8)支持對塊設(shè)備進行格式化，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性進行檢測。

　　（9)支持VFAT長文件名。

　?。?0)支持FAT12、FAT16、FAT32文件分配表類型，可通過設(shè)置FAT12、FAT16、FAT32文件分配表類型，驗證對文件分配表類型支持功能的正確性。

　?。?1)通過在dosfs文件系統(tǒng)中調(diào)用文件操作相關(guān)接口進行目錄、設(shè)備、內(nèi)存文件的創(chuàng)建、讀寫、刪除、關(guān)閉操作，驗證dosfs文件系統(tǒng)實現(xiàn)塊設(shè)備的文件操作和目錄操作功能的正確性。

　　（12)通過編程進行多任務(wù)讀寫操作，驗證系統(tǒng)對多任務(wù)讀寫功能的支持。

　?。?3)兼容廣泛使用的多種塊設(shè)備，如軟盤、硬盤、閃存等，通過在各種塊設(shè)備，如軟盤、硬盤、閃存等硬件上創(chuàng)建文件系統(tǒng)，驗證兼容多種塊設(shè)備功能的正確性。

　　2.7基本I/O管理

　　I/O控制模塊可以通過設(shè)備驅(qū)動表、設(shè)備表、文件描述符表、總線驅(qū)動支持、設(shè)備中斷處理機制對上層應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口，支持對硬件設(shè)備的統(tǒng)一訪問等［6］。

　　測試時應(yīng)覆蓋以下內(nèi)容：

　　（1)創(chuàng)建一個或多個任務(wù)，調(diào)用I/O接口函數(shù)（open、close、read、write等）實現(xiàn)掛接設(shè)備、打開設(shè)備、讀寫設(shè)備、關(guān)閉設(shè)備、控制設(shè)備等功能，驗證系統(tǒng)支持設(shè)備文件的統(tǒng)一操作。

　　（2)通過創(chuàng)建一個或多個任務(wù)，調(diào)用文件接口函數(shù)（open、close、read、write等）實現(xiàn)打開文件、創(chuàng)建文件、文件位置指針操作、讀文件、寫文件、修改文件的屬性、獲取文件的信息、刪除文件、顯示文件、截取文件大小等功能，驗證系統(tǒng)支持普通文件的操作。

　?。?)通過創(chuàng)建一個或多個任務(wù)，調(diào)用目錄接口函數(shù)（open、close、read、change等）實現(xiàn)創(chuàng)建目錄、讀目錄、關(guān)閉目錄、改變目錄路徑、打開目錄、刪除目錄、獲取當(dāng)前目錄、移動目錄、重置目錄等功能，驗證系統(tǒng)支持目錄操作。

　?。?)通過在系統(tǒng)初始化時實現(xiàn)三個基本的描述符：0(標(biāo)準(zhǔn)輸入，stdin)，1（標(biāo)準(zhǔn)輸出，stdout），2（標(biāo)準(zhǔn)錯誤，stderr），以后打開的文件描述符從3開始，創(chuàng)建一個或多個任務(wù)，調(diào)用接口函數(shù)操作文件描述符，驗證系統(tǒng)支持基本描述符統(tǒng)一管理。

　　（5)支持設(shè)置最大文件描述符，支持復(fù)制文件描述符，可通過創(chuàng)建一個或多個任務(wù)，調(diào)用接口函數(shù)設(shè)置文件描述符，來驗證系統(tǒng)支持任務(wù)設(shè)置0、1、2的局部文件描述符和全局文件描述符。

　?。?)通過創(chuàng)建一個或多個任務(wù)，調(diào)用接口函數(shù)實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動注冊、卸載、顯示等操作，驗證系統(tǒng)支持設(shè)備驅(qū)動表操作。

　?。?)支持設(shè)備驅(qū)動注冊、卸載、顯示，要求卸載的同時必須釋放所占用的全部資源及設(shè)備表維護系統(tǒng)掛接的所有設(shè)備，根據(jù)主次設(shè)備號訪問對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動，可通過創(chuàng)建一個或多個任務(wù)，調(diào)用接口函數(shù)實現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動卸載操作，并查看所有占用資源的釋放情況，從而驗證系統(tǒng)能否在設(shè)備驅(qū)動卸載的同時釋放所占用的全部資源。

　?。?)支持顯示當(dāng)前設(shè)備表中已注冊的設(shè)備信息，支持動態(tài)安裝/卸載設(shè)備，可通過創(chuàng)建一個或多個任務(wù)，調(diào)用接口函數(shù)顯示當(dāng)前設(shè)備表中已注冊的設(shè)備信息，驗證系統(tǒng)支持顯示當(dāng)前設(shè)備表中已注冊的設(shè)備信息。

　?。?)支持字符設(shè)備的輸入/輸出緩存管理，對于終端輸入提供行規(guī)則和非行規(guī)則處理模式，其中行規(guī)則可以對特殊字符的處理規(guī)則進行定義，實現(xiàn)終端管理程序，可通

　　過創(chuàng)建一個或多個任務(wù)，調(diào)用接口函數(shù)實現(xiàn)動態(tài)安裝/卸載設(shè)備，來驗證系統(tǒng)支持動態(tài)安裝/卸載設(shè)備。

　?。?0)支持POSIX終端接口，包括設(shè)置波特率、設(shè)置奇偶校驗、獲取和設(shè)置終端屬性、設(shè)置規(guī)范模式、設(shè)置原始輸入模式、設(shè)置輸入奇偶選項、設(shè)置軟件控制流、設(shè)置原始數(shù)據(jù)輸出、設(shè)置軟件流控制字符、設(shè)置阻塞讀寫功能。

　　2.8標(biāo)準(zhǔn)符合性測試

　　操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)符合性測試主要包括：

　　（1)POSIX標(biāo)準(zhǔn)符合性測試

　　操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用與編程接口支持POSIX規(guī)范的系統(tǒng)調(diào)用接口，保障應(yīng)用的可移植性。具體包括：POSIX_DEVICE_IO、POSIX_NETWORKING等類。

　　（2)TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)符合性測試

　　驗證BSD SOCKET套接字的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)接口［78］。

　?。?)字符集標(biāo)準(zhǔn)符合性測試

　　驗證國產(chǎn)操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)及訪問接口是否支持GBK、ASCII、GB18030、UNICODE，并驗證在操作系統(tǒng)文件編碼不一致時數(shù)據(jù)訪問的正確性。

3結(jié)束語

　　本文研究了國產(chǎn)化嵌入式實時操作系統(tǒng)的測試方法和要點。對于國產(chǎn)化嵌入式實時操作系統(tǒng)的測試具有一定的參考價值。本研究成果已被用于多個國產(chǎn)化RTOS測試工作中，取得了較好的效果。下一階段的研究方向為如何基于業(yè)界領(lǐng)先的風(fēng)河公司的VxWorks操作系統(tǒng)的測試結(jié)果數(shù)據(jù)建立基準(zhǔn)，對相關(guān)國產(chǎn)化同類產(chǎn)品進行評估。

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