軟件可靠性測試是當(dāng)前軟件技術(shù)領(lǐng)域中一個比較熱門的話題，軟件可靠性對整個系統(tǒng)可靠性的影響越來越大，尤其對于航空類系統(tǒng)軟件來說，軟件故障往往是導(dǎo)致系統(tǒng)失敗的主要原因之一。采用模擬被測目標(biāo)軟件實際運行環(huán)境對軟件進行測試是目前國內(nèi)外一致認為比較理想的軟件測試方法之一。合理設(shè)計目標(biāo)軟件可靠性的運行環(huán)境，較為真實地模擬出被測軟件的真實運行環(huán)境，不但可以檢測到目標(biāo)軟件運行過程中存在的故障，而且也可以保證測試結(jié)果的真實性和置信度。
本文在介紹軟件可靠性仿真測試平臺的組成及功能的基礎(chǔ)上，以仿真器分系統(tǒng)為例，對平臺在實時測試過程中的一些實現(xiàn)技術(shù)進行了研究。
1 仿真測試平臺系統(tǒng)功能及組成框架
整個仿真測試平臺采用分布式結(jié)構(gòu)，由主控機分系統(tǒng)(以下簡稱為主控機)、仿真器分系統(tǒng)(以下簡稱為仿真器)和激勵器分系統(tǒng)(以下簡稱為激勵器)三個分系統(tǒng)組成，各分系統(tǒng)與被測目標(biāo)軟件的交聯(lián)關(guān)系如圖1所示。其中，主控機是測試平臺的控制中心，它負責(zé)生成原始測試數(shù)據(jù)，向仿真器、激勵器分發(fā)測試用例，協(xié)調(diào)兩個分系統(tǒng)的工作，并根據(jù)測試狀況控制仿真器和激勵器的工作模式。仿真器和激勵器將主控機傳送過來的測試用例數(shù)據(jù)，生成真正的目標(biāo)軟件可以接收的測試用例數(shù)據(jù)傳送給目標(biāo)系統(tǒng)，同時，仿真器和激勵器負責(zé)將自身工作狀態(tài)信息和從目標(biāo)系統(tǒng)得到的測試結(jié)果數(shù)據(jù)通過底層網(wǎng)絡(luò)實時或非實時地傳送回主控機。
圖1 仿真測試平臺的交聯(lián)關(guān)系圖
由于目標(biāo)軟件由匯編語言寫成，內(nèi)部處理過程較為復(fù)雜，所以采用黑盒測試方法。目標(biāo)軟件的處理周期為25 ms，因此在實時測試過程中，需要每25 ms有一組測試用例數(shù)據(jù)由仿真器通過1553B總線，激勵器通過并口同時輸入給目標(biāo)軟件。仿真器和激勵器不僅需要每25 ms產(chǎn)生目標(biāo)軟件的輸入數(shù)據(jù)，同步向目標(biāo)軟件發(fā)送數(shù)據(jù)，而且仿真器還能接收目標(biāo)軟件的輸出，并且對輸出數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的實時處理，如結(jié)果數(shù)據(jù)的收集、保存及數(shù)據(jù)的顯示等等。由于整個測試平臺是在非實時、多任務(wù)的Win98操作系統(tǒng)上實現(xiàn)的，因此，如何利用Win98的多任務(wù)并發(fā)的特性，采用合理的任務(wù)調(diào)度策略，在任務(wù)處理周期內(nèi)，按時完成各種任務(wù)，并將多個任務(wù)協(xié)調(diào)一致，是整個設(shè)計過程中主要應(yīng)該解決的問題。
在圖1所示的平臺各分系統(tǒng)中，主控機與目標(biāo)軟件是通過仿真器形成實時閉環(huán)的。仿真器通過測試用例，實時給出目標(biāo)軟件閉環(huán)運行所需要的交聯(lián)子系統(tǒng)發(fā)出的命令和數(shù)據(jù),使得目標(biāo)軟件能夠在較為真實的仿真任務(wù)剖面和交聯(lián)環(huán)境中運行。因此，仿真器是仿真測試平臺中的一個重要組成部分，仿真器的實時實現(xiàn)方法是整個平臺系統(tǒng)設(shè)計的重點。
2 仿真器分系統(tǒng)的功能設(shè)計及實時實現(xiàn)技術(shù)
2.1 仿真器分系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)
仿真器分系統(tǒng)是個實時任務(wù)系統(tǒng)，在整個測試過程的運行模式下，需要并發(fā)處理不同的任務(wù)，如數(shù)據(jù)實時存盤、提取、交互式顯示、每25 ms驅(qū)動1553B總線等任務(wù)，任務(wù)調(diào)度涉及到CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、硬盤、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、I/O接口等資源，因而合理調(diào)度各個任務(wù)，正確分配其所占用的系統(tǒng)資源，是仿真器測試平臺設(shè)計的關(guān)鍵之一。
為了提高平臺系統(tǒng)的可靠性和故障快速恢復(fù)能力，仿真器采用功能模塊化設(shè)計方法。不同任務(wù)對應(yīng)的工作模塊工作相對獨立，可以隨時依據(jù)新技術(shù)對相應(yīng)模塊的軟件算法進行更新和擴充，這種設(shè)計易于發(fā)揮Win98的多任務(wù)的特性，提高平臺系統(tǒng)實時工作的能力。其中，任務(wù)調(diào)度管理模塊是仿真器平臺系統(tǒng)的核心，其他各功能模塊的運行都是在管理調(diào)度模塊的統(tǒng)一管理控制下完成的。它與其他任務(wù)的功能模塊之間的邏輯調(diào)用關(guān)系如圖2所示。
圖2 任務(wù)調(diào)度管理模塊調(diào)用關(guān)系
在仿真器設(shè)計中，除了必要的網(wǎng)卡(和主控機連接)和MBI卡(和目標(biāo)系統(tǒng)連接)等硬件設(shè)備以外，仿真器的各項功能均是通過軟件來完成的，因而系統(tǒng)軟件設(shè)計中采用合理的調(diào)度策略，避免操作系統(tǒng)的缺陷，以實現(xiàn)仿真器的功能。
2.2 仿真器分系統(tǒng)實時實現(xiàn)技術(shù)
2.2.1 任務(wù)調(diào)度管理模塊
從上面的討論知道，仿真器的實時性是通過仿真器的任務(wù)調(diào)度管理模塊實現(xiàn)的。任務(wù)調(diào)度管理模塊為仿真器分系統(tǒng)的主控模塊，是分系統(tǒng)的全面管理者。該模塊根據(jù)用戶通過仿真器分系統(tǒng)人機接口界面輸入的參數(shù)、顯示過程的控制命令和主控機通過網(wǎng)絡(luò)傳送來的控制命令及參數(shù)，對并發(fā)執(zhí)行的實時自檢/維護、網(wǎng)絡(luò)通信、交聯(lián)仿真數(shù)據(jù)生成、數(shù)據(jù)/狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)記錄、交聯(lián)數(shù)據(jù)驅(qū)動、測試過程分析以及仿真器不同功能模式對應(yīng)的任務(wù)隊列進行管理和調(diào)度，協(xié)調(diào)各模塊的工作，進行各模塊的銜接，實現(xiàn)各線程的管理，完成與目標(biāo)系統(tǒng)實時交聯(lián)仿真任務(wù)。
2.2.2 仿真器分系統(tǒng)任務(wù)劃分
由于仿真器分系統(tǒng)是用于目標(biāo)軟件的實時仿真測試，每個任務(wù)都必須根據(jù)目標(biāo)軟件運行的需要，滿足實時交聯(lián)仿真的定時限制，所以，為保證仿真器的實時性能，根據(jù)任務(wù)和平臺系統(tǒng)工作模式的不同，在調(diào)度框架中集中不同的調(diào)度策略，任務(wù)調(diào)度涉及到實時任務(wù)和普通分時任務(wù)的調(diào)度。
按照仿真器所處的運行模式，將其任務(wù)劃分為實時任務(wù)和非實時任務(wù)。
實時任務(wù)指在仿真測試過程中，仿真器需要在確定時間內(nèi)完成的任務(wù)，包括：
.命令控制(包括測試開始、工作模式切換、驅(qū)動通信接口、測試結(jié)束等);
.與被測目標(biāo)軟件之間的實時交聯(lián)數(shù)據(jù)驅(qū)動任務(wù);
.與主控機分系統(tǒng)之間的實時網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù);
.交聯(lián)數(shù)據(jù)實時生成;
.測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果數(shù)據(jù)的記錄和顯示;
.測試結(jié)果數(shù)據(jù)的初步精度分析和狀態(tài)邏輯驗證。
非實時任務(wù)指對于任務(wù)完成的時間沒有嚴(yán)格約束的任務(wù)，包括：
.用戶通過界面進行的分系統(tǒng)參數(shù)和有關(guān)配置描述;
.分系統(tǒng)初始化及用戶指定分系統(tǒng)自檢和維護;
.測試數(shù)據(jù)的事后回放;
.數(shù)據(jù)庫操作。
為系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度管理的方便，根據(jù)任務(wù)的屬性、等級和處理周期的不同，將實時任務(wù)劃分為動態(tài)任務(wù)和靜態(tài)任務(wù)，靜態(tài)任務(wù)又包括長周期任務(wù)和短周期任務(wù)。
動態(tài)任務(wù)指動態(tài)跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)，根據(jù)實際運行狀況，臨時加入的任務(wù)，如實時自檢任務(wù)、系統(tǒng)發(fā)生故障時動態(tài)加入的異常處理任務(wù)等。
長周期任務(wù)指可以在多個時間標(biāo)簽內(nèi)完成的任務(wù)，如有必要，這類任務(wù)可在時限還沒有完成就終止。包括顯示任務(wù)、記錄任務(wù)、從數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)文件中讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存的任務(wù)。
短周期任務(wù)指對任務(wù)完成的時間有嚴(yán)格的限定，必須在一個時間標(biāo)簽內(nèi)完成的任務(wù)，即在25 ms周期內(nèi)，完成對目標(biāo)軟件的一次驅(qū)動，同時接收目標(biāo)軟件的對外輸出。包括交聯(lián)數(shù)據(jù)的生成、交聯(lián)數(shù)據(jù)的1553B驅(qū)動、從主控機接收和向主控機發(fā)送測試數(shù)據(jù)信息包、仿真器應(yīng)答信息包的網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)等周期性的任務(wù)。
上述各類任務(wù)在其生命周期內(nèi)一般都包括創(chuàng)建、就緒、掛起、運行、取消和結(jié)束六種狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示，由總的任務(wù)調(diào)度控制器將各任務(wù)帶入不同的狀態(tài)。
圖3 任務(wù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系示意圖
2.2.3 仿真器調(diào)度模塊的設(shè)計
仿真器對于各類任務(wù)采用時間、事件以及數(shù)據(jù)驅(qū)動相結(jié)合的調(diào)度原則進行控制管理。為了提高系統(tǒng)的實時性和適應(yīng)性，采用了動態(tài)和靜態(tài)調(diào)度策略相結(jié)合、任務(wù)發(fā)生的周期和優(yōu)先級相結(jié)合的調(diào)度方式。
在調(diào)度框架中集中不同的調(diào)度策略。在運行模式下：系統(tǒng)測試工作正常，則對于周期性的實時任務(wù)采用靜態(tài)生成的調(diào)度策略;在系統(tǒng)發(fā)生故障時，則采用臨時的動態(tài)調(diào)度策略，它根據(jù)系統(tǒng)的運行狀況，實時加入動態(tài)任務(wù)，并根據(jù)動態(tài)任務(wù)的級別，決定該任務(wù)是立即執(zhí)行還是按順序執(zhí)行。隨著故障的排除，取消該任務(wù)，系統(tǒng)重新恢復(fù)到先前的調(diào)度策略。
仿真器根據(jù)任務(wù)運行占用時間的不同，以不同速率來調(diào)度不同模塊，滿足實時驅(qū)動的要求。采用優(yōu)先級調(diào)度和分時調(diào)度相結(jié)合的方式：優(yōu)先級調(diào)度方式即調(diào)度模塊對于每一項任務(wù)都賦予了嚴(yán)格的優(yōu)先級，按優(yōu)先級的次序從高到低執(zhí)行;分時調(diào)度方式是采用時間片輪轉(zhuǎn)的方式來執(zhí)行各個任務(wù)，這種調(diào)度方式多是在終止模式下采用(或在運行模式下，系統(tǒng)已經(jīng)完成短周期的任務(wù)，還留有時間余量的情況下)。例如，對于1553B數(shù)據(jù)驅(qū)動和交聯(lián)數(shù)據(jù)生成等短周期任務(wù)在每25 ms定時到時串行化執(zhí)行，被賦予了較高優(yōu)先級，而對于顯示和記錄數(shù)據(jù)等長周期任務(wù)分時執(zhí)行或交叉執(zhí)行，被賦予了較低優(yōu)先級，以保證能正常驅(qū)動MBI卡。
在優(yōu)先級調(diào)度方式中，采用優(yōu)先級浮動的原則：即根據(jù)系統(tǒng)實時處理任務(wù)的不同，按照需要動態(tài)地改變優(yōu)先級。系統(tǒng)在正常運行時，優(yōu)先級不變;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障時，調(diào)度模塊動態(tài)觸發(fā)異常處理任務(wù)，并根據(jù)故障類別和故障被維護的狀況，動態(tài)調(diào)整模塊處理級別。對于影響系統(tǒng)測試的重要模塊，調(diào)度模塊啟動相應(yīng)的備份儲備模塊，同時將“暫停測試”的申請通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到主控機。這樣，系統(tǒng)就具有了故障恢復(fù)能力，實現(xiàn)了關(guān)鍵部分的冗余保護，提高了可靠性。
根據(jù)上述設(shè)計，在實時測試過程中，仿真器的實時調(diào)度層次模型如圖4所示。
圖4 RUN()模式下實時任務(wù)調(diào)度模型示意圖
基于以上的調(diào)度策略，任務(wù)調(diào)度管理模塊采用以下方式對各模塊進行調(diào)度：
.中斷方式：當(dāng)總的任務(wù)調(diào)度器監(jiān)控到消息隊列中最高消息到來時，立即申請軟件中斷，或者有硬件中斷申請時，系統(tǒng)立即停止當(dāng)前執(zhí)行的任務(wù)，執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理。
.定時方式：實時測試開始后，定時器每25 ms發(fā)出定時消息，定時將需要發(fā)送的測試用例數(shù)據(jù)送到MBI卡上。
.消息方式：基于Win98消息傳遞機制，由線程調(diào)度方式實現(xiàn)。
.信號量及全局變量方式：總的任務(wù)調(diào)度器監(jiān)控到任務(wù)啟動的信號量或狀態(tài)量改變后，按任務(wù)的等級運行任務(wù)。
根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度管理的方式，將任務(wù)消息的處理級別分為三個優(yōu)先級：
①最高級消息：該類消息要求系統(tǒng)立即響應(yīng)，具有此類優(yōu)先級的模塊在系統(tǒng)實時仿真中處于核心地位。該消息不放到Windows的系統(tǒng)消息隊列中排隊，而是直接送到相應(yīng)的應(yīng)用消息隊列中，供應(yīng)用程序處理。這樣可以避免無節(jié)制的消息循環(huán)，保證了消息處理的及時性。
②時鐘級消息：由精確定時器產(chǎn)生“定時時間到”的消息。在正常測試過程中，該消息為最高級別。時鐘級的消息主要分配給在實時測試中的數(shù)據(jù)生成模塊和驅(qū)動模塊。
③普通級消息：該類消息主要分配給用戶接口模塊、記錄模塊等功能模塊。
2.2.4 仿真器關(guān)鍵功能模塊的實時性實現(xiàn)技術(shù)
①網(wǎng)絡(luò)通信模塊：非實時部分采用TCP/IP協(xié)議方式進行網(wǎng)絡(luò)傳輸。實時部分利用設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信緩存區(qū)的方式，從通信結(jié)果上可以部分實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r通信，其關(guān)鍵在于緩沖的深度?；蛘卟捎肰XD技術(shù)，直接對網(wǎng)卡進行傳輸操作，可以避免由于網(wǎng)絡(luò)延遲而影響系統(tǒng)實時性能的缺陷。
②顯示模塊：在實時測試過程中，通過該模塊，可以顯示測試數(shù)據(jù)，并且用戶能對測試過程進行控制。在實時測試中，中心任務(wù)處理周期為25 ms，在任務(wù)周期的空余時間還需要進行其它處理。因此在每25 ms周期內(nèi)，留給顯示任務(wù)的時間就非常少，另外由于人眼對數(shù)據(jù)變化的敏感程度低于25 ms，因此每50 ms以上進行一次相關(guān)數(shù)據(jù)顯示就可以滿足系統(tǒng)的需求。在數(shù)據(jù)顯示中，文本顯示比圖形顯示占用CPU處理時間要少許多。在圖形顯示中，采用高性能的圖形處理算法，可以保證圖形處理的實時性。另外，隨著圖形卡硬件性能的提高，在圖形加速卡性能保證的情況下，系統(tǒng)只需計算圖形描述語句占用CPU的時間，圖形繪制方面的時間可以不給予主要考慮。圖形實時顯示算法還有待進一步研究。
③交聯(lián)數(shù)據(jù)1553B驅(qū)動模塊：由于Win98處于安全模式，Win98中的虛擬內(nèi)存地址與實際物理地址并不一致，用戶不易直接訪問硬件的實際物理內(nèi)存地址和I/O口地址。為了滿足實時驅(qū)動MBI卡的需要，通過WinDriver工具軟件，直接映射MBI卡上的實際物理內(nèi)存地址和I/O地址，并將硬件中斷虛擬化，利用WinDriver生成的一系列讀寫內(nèi)存和I/O口地址的函數(shù)，用戶就可以直接快速地對硬件進行控制。實驗結(jié)果表明，在Win98應(yīng)用任務(wù)單一的情況下，用戶操作MBI卡的速度同于在DOS下的速度。WinDriver工作原理如圖5所示。
圖5 WinDriver工作原理圖
3 結(jié)束語
本文以實時測試某航空軟件可靠性為背景，介紹了仿真器在仿真測試平臺中的作用。按照模塊化和可擴充的設(shè)計思想，給出了仿真器功能結(jié)構(gòu)組成;并且著重介紹了仿真器的任務(wù)調(diào)度管理模塊的設(shè)計思想，針對具體任務(wù)和系統(tǒng)工作模式，提出了集成動態(tài)調(diào)度策略;對于優(yōu)先+級的調(diào)度方式，采用了優(yōu)先級浮動的原則。另外，給出了實時網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的方法，討論了圖形實時顯示的可行性，利用WinDriver實現(xiàn)了在Win98下對硬件MBI卡的直接驅(qū)動。實驗結(jié)果表明，上述調(diào)度思想與相關(guān)技術(shù)綜合運用，很好地滿足了仿真器系統(tǒng)工作的實時性。
* 本課題由國防科技“九五”重點預(yù)研項目支持
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