萬鵬，李利

(中航工業(yè)洪都,江西南昌330024)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用，嵌入式軟件在產(chǎn)品中所占的比重迅速增大，軟件質(zhì)量保證也就顯得至關(guān)重要。因此，軟件質(zhì)量評(píng)估與控制方法成為亟待研究的課題。行業(yè)內(nèi)在運(yùn)用硬件質(zhì)量控制基礎(chǔ)上，積極推進(jìn)軟件質(zhì)量控制和軟件質(zhì)量測(cè)評(píng)方面的手段與條件建設(shè)，以保證和提高產(chǎn)品的軟件質(zhì)量。GJB 2786A、GJB5000A、GJB 9001B均對(duì)軟件測(cè)試工作提出了明確要求，可見軟件測(cè)試工作在型號(hào)軟件研制中被越來越重視了。

1 現(xiàn)有測(cè)試條件和不足

軟硬件綜合設(shè)計(jì)技術(shù)在第三代教練機(jī)上得到廣泛的應(yīng)用，機(jī)載軟件實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的核心功能。目前機(jī)載軟件的研發(fā)模式，大多先進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，再開始進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)備的調(diào)試和調(diào)試樣機(jī)的生產(chǎn)，當(dāng)硬件設(shè)備達(dá)到交付狀態(tài)后，軟件研發(fā)人員再進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)和調(diào)試，以及軟硬件集成測(cè)試和驗(yàn)證，如圖1所示。由于嵌入式系統(tǒng)的軟件和硬件有很大的相關(guān)性，軟件功能驗(yàn)證依賴于接口交聯(lián)的諸多產(chǎn)品，導(dǎo)致嵌入式軟件在開發(fā)及驗(yàn)證中主要存在如下問題：

1)嵌入式軟件開發(fā)需要等待硬件設(shè)備的開發(fā)和調(diào)試，只有提交出可用的硬件設(shè)備后才可開展和硬件緊密相關(guān)的軟件的開發(fā)，導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目的周期拖長(zhǎng)；

2)在軟件開發(fā)調(diào)試階段，由于硬件設(shè)備資源有限，或者硬件設(shè)備成本較高，導(dǎo)致軟件項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)無法高效地進(jìn)行相關(guān)調(diào)試工作；

3)由于硬件設(shè)備早期調(diào)試階段，可能會(huì)存在設(shè)計(jì)或者樣機(jī)生產(chǎn)方面的問題，導(dǎo)致在進(jìn)行軟件調(diào)試時(shí)，無法有效區(qū)分軟件或硬件的故障，使得軟件的調(diào)試效率低下；

4)在測(cè)試驗(yàn)證階段，基于真實(shí)硬件環(huán)境，很多軟件設(shè)計(jì)中的異常情況處理等情況，難以通過硬件環(huán)境進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。

由此，本文將提出一種基于軟件仿真技術(shù)的虛擬驗(yàn)證平臺(tái)，通過采用軟件方法為嵌入式軟件開發(fā)提供一個(gè)全面的純數(shù)字的軟件驗(yàn)證平臺(tái)，基于該平臺(tái)能夠解決現(xiàn)有嵌入式軟件開發(fā)及驗(yàn)證過程中存在的問題。

圖1 當(dāng)前機(jī)載軟件研發(fā)流程

2 全數(shù)字仿真測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

2.1 航電系統(tǒng)概述

第三代飛機(jī)典型航空電子系統(tǒng)由GJB 289A（MIL-STD-1553B）、RS422、HB6096總線連接，構(gòu)成以顯示與控制管理處理機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。航空電子系統(tǒng)由以下子系統(tǒng)構(gòu)成，它包括：

1)顯示控制管理系統(tǒng)

2)任務(wù)管理系統(tǒng)

3)機(jī)電管理系統(tǒng)

4)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)

5)導(dǎo)航系統(tǒng)

6)飛行控制系統(tǒng)

7)發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)

8)雷達(dá)

本文討論的航電系統(tǒng)采用GJB289A（MIL-STD-1553B）多路數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)綜合航空電子系統(tǒng)的信息傳輸與控制管理，以顯示與控制管理處理機(jī)為核心與各子系統(tǒng)交聯(lián)，如圖2所示。

圖2 典型航電系統(tǒng)框架

2.2 平臺(tái)總體要求

根據(jù)航電系統(tǒng)的特點(diǎn)及型號(hào)研制通用要求，仿真測(cè)試平臺(tái)須具備以下要求：

1)支持目標(biāo)系統(tǒng)全數(shù)字仿真；

2)支持系統(tǒng)快速原型研制；

3)提供數(shù)字化虛擬目標(biāo)機(jī)實(shí)現(xiàn)早期項(xiàng)目仿真與驗(yàn)證；

4)平臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)，仿真組件模塊化封裝，便于組件的重用。

2.3 平臺(tái)構(gòu)架

航電系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，其核心采用分布式數(shù)據(jù)總線集成待測(cè)試軟件，采用插件方式集成仿真平臺(tái)其他外圍設(shè)備功能模塊組件，并支持輔助測(cè)試、開發(fā)工具集成，對(duì)應(yīng)于典型航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 航電系統(tǒng)仿真測(cè)試平臺(tái)框架

2.3.1 虛擬目標(biāo)機(jī)

全數(shù)字仿真是指不依賴于任何硬件系統(tǒng)，即虛擬目標(biāo)機(jī)，所需的一切電信號(hào)和數(shù)據(jù)，采用數(shù)學(xué)平臺(tái)的方法，將嵌入式硬件特性從系統(tǒng)中剝離出來，通過開發(fā)CPU指令、常用芯片、I/O、中斷、時(shí)鐘等模擬器在HOST上實(shí)現(xiàn)嵌入式CPU的功能。

目標(biāo)系統(tǒng)虛擬是整個(gè)仿真測(cè)試平臺(tái)的核心部分，測(cè)試人員在虛擬平臺(tái)上進(jìn)行嵌入式軟件的測(cè)試，如BSP、固件、RTOS與應(yīng)用程序，目標(biāo)機(jī)代碼可以不加修改地在虛擬系統(tǒng)中直接運(yùn)行，并可以得到與在真實(shí)系統(tǒng)中運(yùn)行相同的結(jié)果。其原理是嵌入式系統(tǒng)中可以通過地址來操作實(shí)現(xiàn)各種功能，對(duì)于寄存器、內(nèi)存和I/O都分配了地址，通過對(duì)分配地址的操作，就可以對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行模擬操作。

在實(shí)際應(yīng)用中是將目標(biāo)機(jī)的指令直接翻譯為能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的宿主機(jī)上的指令/指令塊。指令仿真方法采用模擬處理器的執(zhí)行，根據(jù)地址從仿真內(nèi)存中取指令，根據(jù)目標(biāo)機(jī)處理器指令集規(guī)范按字段分析指令，按照分析的結(jié)果，利用主機(jī)處理器來模擬執(zhí)行相應(yīng)的行為。解釋模擬器工作原理如圖4所示。

圖4 解釋模擬器工作原理

采用目標(biāo)虛擬機(jī)模式，測(cè)試人員在軟件開發(fā)和調(diào)試階段即開展基于仿真平臺(tái)進(jìn)行更加便捷和全面的開發(fā)以及驗(yàn)證；當(dāng)進(jìn)入軟件系統(tǒng)測(cè)試階段后，測(cè)試人員可重用先期測(cè)試成果，提高測(cè)試效率，縮短測(cè)試時(shí)間，加快型號(hào)研制進(jìn)度。

2.3.2 分布式總線

分布式仿真與驗(yàn)證數(shù)據(jù)總線連接整個(gè)模型，通過總線，仿真組件可以動(dòng)態(tài)地加入或退出仿真測(cè)試平臺(tái)。

2.3.3 仿真控制與顯示

仿真控制與顯示模塊是整個(gè)仿真測(cè)試平臺(tái)的仿真控制和顯示中心，可配置整個(gè)仿真和驗(yàn)證系統(tǒng)；動(dòng)態(tài)、可視化地顯示每一個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，可選擇記錄每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并保存。

2.3.4 外圍設(shè)備仿真

建立外圍設(shè)備模型庫，模型庫包括任務(wù)管理系統(tǒng)、機(jī)電管理系統(tǒng)、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)全權(quán)限數(shù)字式電子控制系統(tǒng)、雷達(dá)等子系統(tǒng)模型。外圍設(shè)備仿真模塊通過仿真工具 （如Matlab等）模型仿真模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)子系統(tǒng)模型運(yùn)行控制、參數(shù)在線修改和輸入輸出接口控制，并通過分布式數(shù)字總線集成到整個(gè)仿真測(cè)試平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)仿真與驗(yàn)證。

仿真平臺(tái)支持使用插件方式擴(kuò)展用戶的功能模塊。插件是以動(dòng)態(tài)鏈接庫（dll）的形式給出，虛擬平臺(tái)可以支持多個(gè)插件同時(shí)工作，也就是說，可以將數(shù)個(gè)實(shí)現(xiàn)不同功能的插件dll放置到同一個(gè)項(xiàng)目中，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)多個(gè)外圍設(shè)備仿真。

2.3.5 輔助測(cè)試工具

仿真測(cè)試平臺(tái)可集成輔助測(cè)試工具，如覆蓋率測(cè)試工具、靜態(tài)分析工具、故障注入工具、調(diào)試器等，也可集成部分開發(fā)工具，如LabView等，通過上述工具的集成，在仿真測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行黑盒測(cè)試的同時(shí)，也能夠進(jìn)行白盒測(cè)試，保證測(cè)試的充分性和完整性。

3 航電系統(tǒng)軟件典型仿真測(cè)試環(huán)境

通過仿真測(cè)試平臺(tái)，可以構(gòu)建出航電系統(tǒng)軟件仿真測(cè)試的典型應(yīng)用框架，如圖5所示。在此框架中，采用以太網(wǎng)模擬分布式數(shù)據(jù)總線，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議，框架主體由虛擬目標(biāo)機(jī)及外設(shè)和被測(cè)對(duì)象模型仿真與測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成。

在此應(yīng)用中目標(biāo)系統(tǒng)采用虛擬目標(biāo)機(jī)仿真工具構(gòu)建，目標(biāo)對(duì)象采用仿真工具進(jìn)行數(shù)字化仿真，測(cè)試與試驗(yàn)系統(tǒng)采用Labview或其他用戶專用測(cè)試軟件，提供用戶界面交互、測(cè)試序列管理、數(shù)據(jù)記錄與分析等功能，所有平臺(tái)中功能組件由分布式數(shù)據(jù)總線進(jìn)行交互與調(diào)度，采用這種配置可實(shí)現(xiàn)基于虛擬目標(biāo)系統(tǒng)的全數(shù)字化仿真驗(yàn)證，適合于在系統(tǒng)研制初期對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)與評(píng)估；軟件設(shè)計(jì)編碼工作完成后，可在此應(yīng)用框架中進(jìn)行部分系統(tǒng)測(cè)試工作；另外在系統(tǒng)交付使用后適用于系統(tǒng)維護(hù)與培訓(xùn)。

圖5 仿真測(cè)試平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景

4 結(jié)論

本文討論的仿真測(cè)試平臺(tái)方案，既結(jié)合了黑盒與白盒測(cè)試工具優(yōu)勢(shì)，又滿足了測(cè)試規(guī)范的目標(biāo)和要求?，F(xiàn)已完成原型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證工作，該仿真測(cè)試平臺(tái)既擴(kuò)展升級(jí)了機(jī)載網(wǎng)絡(luò)、保證了接口的適配性，又提供了靈活易用的交聯(lián)環(huán)境建模功能，為航電系統(tǒng)軟件測(cè)試驗(yàn)證工作提供便利的技術(shù)手段。

隨著新一代航電系統(tǒng)的深入研究與實(shí)踐以及型號(hào)任務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展，軟件占據(jù)著愈來愈大的比例，軟件測(cè)試的重要性也更趨明顯，而仿真測(cè)試環(huán)境又是軟件測(cè)試充分性的有力保障。本文所研究的航電系統(tǒng)軟件全數(shù)字仿真測(cè)試平臺(tái)具有良好的通用性，也可擴(kuò)展至其他機(jī)載系統(tǒng)軟件仿真測(cè)試中應(yīng)用。

[1]王金波.基于故障注入的嵌入式軟件安全性測(cè)試框架及實(shí)現(xiàn).計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2012,29(8):2994-2295.

[2]周慶.綜合模塊化航電軟件仿真測(cè)試環(huán)境研究.航空學(xué)報(bào)，2012,33(4):722-724.

[3]李筱雅.1553總線測(cè)試仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（10）：60.