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嵌入式系统测试的发展
 
作者:张建伟 叶东升 来源:51CTO 发布于 2015-12-9
来自于要资料   747 次浏览     评价:      
 

摘要:目前,我国的嵌入式系统测试技术处于起步时期的快速发展阶段,本土厂商自主研发的产品拥有良好的应用前景。本文围绕嵌入式系统测试的概念、应用领域和国内发展状况进行了综合阐述。

关键词:嵌入式系统测试;软件测试;故障注入

引言

随着嵌入式系统在国防建设和社会生活中发挥越来越重要的作用,嵌入式系统的质量和可靠性逐渐得到重视。嵌入式系统测试作为嵌入式系统质量保证的一个重要环节,在过去的十年中,其技术和应用都有了飞跃式的发展。本文围绕嵌入式系统测试的概念、应用领域和发展状况进行了综合阐述。

1、关于嵌入式系统测试

嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统[1]。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统,以及用户的应用程序4个部分组成,用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。

嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心,高端微处理器技术一直被美国和欧洲发达国家掌握。借助于在嵌入式微处理器方面的领先技术,美国和欧洲发达国家在嵌入式系统软件(例如嵌入式操作系统),嵌入式支撑软件(例如编译器和开发工具、嵌入式数据库和中间件)方面也拥有绝对的优势。而我国的嵌入式应用软件不受制于国外产品的垄断,近年来蓬勃发展,是比较突出的优势领域。

嵌入式系统一般具有实时性强、外部交互复杂、依赖特定硬件平台、系统资源贫乏等特点,这些特点导致嵌入式软件测试难度较大,测试手段比较特殊,使测试工作面临很大的挑战。。

嵌入式系统由软件和硬件组成。嵌入式系统的测试是一个广义的概念,在实际工作中,可以分为嵌入式软件测试、嵌入式系统级测试。近几年在航空航天和一些安全要求苛刻的行业,对嵌入式系统进行测试时,为了验证嵌入式系统的鲁棒性、容错性和可靠性,开展了故障注入测试。故障注入测试一般针对嵌入式软件和嵌入式系统的外部接口、总线开展。故障注入技术是对系统性能评价的一个重要手段,通过对注入故障后系统的反应进行监测和分析,可获得对目标系统可靠性和容错性的评测结果。

按照测试级别划分,嵌入式软件测试可以分为单元测试、部件测试、配置项测试以及系统测试。嵌入式系统级测试的对象是完整的、集成的计算机系统。系统测试除了验证整个系统的功能、性能外,还需要重点关注配置项之间以及配置项与硬件之间的接口。

嵌入式系统测试存在着较高的技术壁垒,开展嵌入式测试在技术、人力和物理方面都有相应的要求,在每个领域都需要对投入和产出比进行权衡;但是在航空航天这种以安全可靠为第一目标的行业里面,系统质量保障方面不惜代价。因此,嵌入式系统测试在以航空航天为代表的国防工业领域应用最为广泛。

2、嵌入式系统测试的应用领域

2.1 国防工业领域

航空、航天、船舶、兵器、电子等行业的科研院所、实验基地和工厂,为国家提供航天器、飞机、武器、舰船等高精尖的产品。这些产品的共同特点是,均由大量的复杂嵌入式系统组成,必须具有高可靠性、高安全性。因此,在研发、测试、联试和生产过程中,均需要对这些嵌入式系统进行测试。一般而言,在研发过程中需要对嵌入式软硬件进行测试。在系统测试、联试乃至生产阶段需要对嵌入式系统整体进行测试,借助嵌入式系统的外部接口或者总线输入测试用例和测试数据,同时开展故障注入测试,以此来验证被测系统在严酷环境下的容错性和可靠性。

为了提高这些高精尖产品的质量,我国国防工业部门借鉴了NASA等组织的先进做法,建立了第三方评测(IV&V)体制。自20世纪90年代以来,各个国防工业部门都建立了第三方评测机构、评测站,例如航天软件评测中心、中航一集团软件评测中心、中国船舶工业软件测试中心、兵器集团软件评测中心等。与此同时,军方作为用户方,也在各个军兵种建立了独立的第三方评测机构,对装备产品进行最终的检验和验收测试,例如总装软件评测中心、海军软件评测中心、空军软件评测中心、二炮软件评测中心等。总装备部按照GJB2725A-2001《测试实验室和校准实验室通用要求》对这些参与国防产品第三方独立评测的机构进行资质认定。

各个开发单位也愈加重视自身的测试工作,普遍开展开发过程中的单元测试与部件测试和静态测试。在质量体系方面,各个开发单位大力开展GJB5000认定工作和软件可靠性安全性设计贯彻工作,软件工程水平得到了很大的提高。

为了对型号产品进行系统测试,很多科研单位除了采购商业化测试系统和工具外,也开始自研型号专用的系统测试环境,为部分被测软件搭建了一批嵌入式系统测试平台。由于国防工业的自身特点,对武器装备中各类嵌入式系统的测试工作尤为重视,这个行业也代表了我国嵌入式系统测试发展的前沿水平。

2.2 铁路、医疗、汽车等安全关键领域

软件在铁路、医疗、汽车等系统中占有极大的比重并发挥着极为重要的作用,这些系统均属于安全关键系统,而且这些系统中的软件大部分属于嵌入式软件,软件一旦失效往往导致人的生命受到威胁,所以这些领域的设备开发商和提供商都非常重视其系统的测试。在国外发达国家,测试所花的时间和投入往往占整个开发周期的一半甚至更多,测试人员和开发人员的比例可以达到1:1。

目前,我国的高速铁路机车、地铁轻轨、医疗设备和汽车电子行业高速发展,嵌入式系统测试在这些领域发挥着重要的作用。2000年5月,国际电工委员会正式发布了IEC61508标准,名为《电气/电子/可编程电子安全系统的功能安全》,与之对应的我国国家标准也已经推出(GB/T 20438-2006)。该标准分七部分,涉及1000多个规范。对于铁路机车、医疗设备和车辆这些由电气和电子部件构成的系统,其质量关系到人身财产安全,需要按照IEC61508进行安全设计和评价。国内的铁路、医疗和汽车行业中,很多嵌入式系统的研发部门已经按照IEC61508进行系统的设计和测试。

2.3 消费类电子领域

目前,消费类电子产品种类繁多,例如智能手机、掌上PDA、多媒体播放器等,这些消费类电子产品也是以嵌入式处理器为核心的嵌入式系统。随着市场竞争的激烈以及对产品质量要求的提高,设备研发方对这些消费类电子产品在研发过程中的测试极其重视,因为一个小小的软件bug可能导致品牌形象受损和市场召回等经济损失。各大IT厂商都有专门的测试部门,除了在开发过程中开展单元测试和底层测试外,测试部门还对产品进行独立的确认测试,因此消费类电子领域也是嵌入式系统测试应用比较广泛的行业。

3、嵌入式系统测试的发展现状

近年来,汽车、通信、信息电器、医疗、国防等行业巨大的智能化装备需求推动了嵌入式技术的发展。随着硬件技术的不断革新,硬件平台的处理能力不断增强,硬件成本不断下降,嵌入式软件已成为产品的数字化改造、智能化增值的关键性、带动性技术。

随着嵌入式系统开发技术的发展,嵌入式技术在大量使用安全关键、任务关键系统的领域得到广泛应用,例如航空、航天、武器装备、电信、医疗、铁路等领域。为了确保嵌入式系统的可靠性和质量,需要开展嵌入式系统的确认和验证工作。美国和欧洲在嵌入式系统测试方面起步早,技术上处于领导地位,以NASA、Boeing、ESA、Airbus为代表的组织和机构带动了整个嵌入式系统测试技术的发展。

我国的嵌入式系统测试起步于国防电子领域。1992年9月21日,中央批准实施我国载人航天工程,载人航天工程在国防电子领域率先推行软件工程化,引入先进的软件开发方式。为此专门制定了《载人航天工程软件研制工作要求》和一系列软件工程化技术标准,全面推行软件工程化工作;重点加强了软件测试和第三方评测等关键环节的工作,安排专款改善软件和测试条件。1996年,建立了专门的第三方软件评测机构—航天软件评测中心。20世纪90年代末到今天的二十年时间,随着中国国防现代化的发展和对产品质量的日益重视,每一个为国防电子服务的工业部门(航天、航空、兵器、船舶重工、电子、中科院等)都建立了自己的第三方评测机构,军方也建立了多个独立的第三方软件评测机构。第三方评测机构主要承担军用软件定型测评、军用软件独立评测和验收测试。目前,国防电子领域的嵌入式系统测试技术在国内处于领先地位,且处于比较成熟的阶段。各个研发单位也都全面开展软件工程化工作,成立单独的测试团队,形成自查自测与第三方独立评测相互补充的有效体系。

随着国家重大项目(载人航天工程、探月工程、大型飞机)在系统质量方面的投入加大,国防电子领域嵌入式系统测试技术和产业规模的将会持续大幅发展。

随着嵌入式技术的发展,软件在其他各行各业越来越凸显其重要性。例如在铁路机车、汽车电子、医疗设备、通信、电子产品领域,很多以嵌入式产品为主的公司,数年前都没有设置专门的测试部门和团队,而如今都非常重视发展测试工作,这标志着测试的地位显著提升。

总体而言,我国的嵌入式系统测试技术尚处于起步时期。由于“质量第一”的目标驱动,国防电子领域在测试技术方面处于领头羊地位,其他行业也越来越重视测试,我国的嵌入式测试技术正处于快速发展的阶段。

4、嵌入式系统测试市场分析与预测

4.1 市场情况

目前,在嵌入式系统测试市场上,国内厂商通过走先代理、后自主研发的路子,已经初具规模。从市场份额看,国外的嵌入式系统测试工具占绝对优势,而本土厂商自主研发的产品拥有广阔的发展空间

我国的嵌入式系统测试测试市场的目标客户主要以国防电子领域为主,同时兼顾铁路、医疗、汽车等行业。随着国防预算的逐年增加,国家重大型号工程的立项和开发,嵌入式系统测试市场规模处于快速上升阶段。2009年,国防电子领域嵌入式系统测试市场总体规模在4.2亿以上.

由于嵌入式系统的复杂性和多样性,嵌入式系统测试产品也具有多样性。众多国外厂商的各类嵌入式系统测试相关产品占据了国内市场的大部分份额,如加拿大Opal-RT公司开发的RT-LAB和德国TechSat公司的ADS-2测试系统。

国内的厂家起步比较晚,大多只有10年左右的发展历史,初期以代理国外的嵌入式系统测试产品为主,当具备一定的技术积累之后,开始进行自主研发。以旋极公司为例,在初期代理嵌入式开发和测试工具的基础上,开始自主研发嵌入式手持终端等产品和航空总线测试产品。旋极公司研制的嵌入式系统综合测试平台FireBlade和嵌入式系统故障注入平台IceBlade现已达到国外厂商的水平,也为国内用户提供了国产化的选择。其他国内厂商和部分高校也在嵌入式系统测试工具方面开展了有益的尝试。

由于本土厂商具有本地优势,国内产品逐渐扩大市场份额。据千讯咨询的分析数据,2009年,在嵌入式测试市场中国外产品占有57%的市场份额,而国内厂商旋极、创景、伟晨豪嘉、奥吉通以及其余厂商,分别占有13%、8%、6%、5%、11%的市场份额。因此,我们有理由相信,随着国内厂商对国外先进技术的掌握程度逐渐加深,必将能开发出更符合国内用户本地化需求的嵌入式测试产品,国内厂商将会在这个市场中扮演更加重要的角色。

4.2 未来发展

在国家经济形势保持快速平稳增长的大形势下,国内嵌入式系统产业将会迎来飞跃式的发展。在当前复杂的国际和地区形势下,我国不断加大国防预算和军费开支,大力发展武器装备的信息化和现代化,鼓励嵌入式软件产品的发展。近几年一批国家级重大工程(如大飞机项目、探月项目、空间站项目)已经立项,国防电子行业对系统质量空前重视,军用软件评测中心需要进行GJB2725A认证,科研单位需要进行GJB5000或者DO-178B等认证过程。与此同时,高速铁路机车和其他国内工业部门重点产品也将加大系统质量的投入。我国嵌入式系统测试体系日趋成熟,随着测试技术的飞速发展,对测试产品的需求必将越来越大。

结语

本文对我国嵌入式系统测试技术的发展状况进行了回顾和总结,对国内嵌入式测试产业的发展态势进行了初步的分析,并对未来我国嵌入式系统测试技术的发展进行了展望。

   
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