Khóa luận Kiểm thử phần mềm nhúng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Bùi Ngọc Hải KIỂM THỬ PHẦN MỀM NHÚNG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin HÀ NỘI - 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Bùi Ngọc Hải KIỂM THỬ PHẦN MỀM NHÚNG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Ngọc Bình HÀ NỘI - 2010 Lời cảm ơn Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Ngọc Bình, người thầy đã định hướng đề tài và tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành khóa luận này. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy, cô giáo khoa Công nghệ thông tin, trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội đã chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập tại trường. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới bạn bè của tôi, những người đã luôn cổ vũ, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện khóa luận tốt nghiệp. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ và toàn thể gia đình với lòng biết ơn và tình yêu thương sâu sắc. Hà Nội, tháng 5 năm 2010 Bùi Ngọc Hải Tóm tắt Các hệ thống nhúng ngày nay rất phát triển với những ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và đời sống, đâu đâu ta cũng bắt gặp các ứng dụng của hệ thống nhúng, từ những thiết bị nhỏ như điện thoại, máy nghe nhạc đến các hệ thống phức tạp như ô tô, máy móc công nghiệp. Trong phát triển phần mềm nhúng, khâu kiểm thử có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của hệ thống. Các hệ thống nhúng có kiến trúc phần cứng cũng như phần mềm rất đa dạng, trong đó có rất nhiều hệ thống sử dụng vi điều khiển họ 8051 và phần mềm viết cho hệ thống này thường được viết bằng ngôn ngữ C. Khóa luận này sẽ trình bày một số phương pháp kiểm thử chương trình C cho vi điều khiển 8051. Một cách rất phổ biến để kiểm thử phần mềm cho hệ thống nhúng nói chung và cho hệ thống 8051 nói riêng, đó là chạy phần mềm trên chương trình giả lập phần cứng, chương trình giả lập ở đây có thể là một vi điều khiển ảo, cũng có thể là chương trình mô phỏng trực quan cả một hệ thống mạch bao gồm vi điều khiển và các thiết bị khác. Một cách khác để kiểm thử chương trình cho 8051 đó là sử dụng công cụ Unit Test – kiểm thử mức đơn vị, Unit Test giúp ta kiểm thử và đảm bảo chất lượng từng đơn vị nhỏ nhất của chương trình. Mục lục Chương 1. Mở đầu .............................................................................................................. 1 1.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................. 1 1.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................. 1 1.3. Cấu trúc của khóa luận ........................................................................................... 2 Chương 2. Hệ thống nhúng và phần mềm nhúng ........................................................... 3 2.1. Hệ thống nhúng ........................................................................................................ 3 2.2. Phần mềm nhúng ..................................................................................................... 5 Chương 3. Kiểm thử phần mềm và kiểm thử phần mềm nhúng .................................. 7 3.1 Kiểm thử phần mềm ................................................................................................. 7 3.1.1. Kiểm thử phần mềm là gì? ............................................................................... 7 3.1.2. Kiểm thử đơn vị (unit test): .............................................................................. 7 3.1.3. Integration Test – Kiểm thử tích hợp .............................................................. 8 3.1.4. System Test - Kiểm thử mức hệ thống ............................................................ 8 3.1.5. Acceptance Test - Kiểm thử chấp nhận sản phẩm ......................................... 9 3.1.6. Regression Test - Kiểm thử hồi quy ................................................................ 9 3.2. Kiểm thử phần mềm nhúng .................................................................................. 10 3.2.1. Tổng quan về kiểm thử phần mềm nhúng .................................................... 10 3.2.2. Kiểm thử bằng phương pháp chạy phần mềm trên môi trường giả lập phần cứng. .................................................................................................................. 10 3.2.3. Kiểm thử phần mềm nhúng bằng Unit Test. ................................................ 11 Chương 4. Lập trình nhúng cho vi điều khiển 8051 bằng ngôn ngữ C ....................... 12 4.1. Vi điều khiển 8051 .................................................................................................. 12 4.2. Lập trình C cho 8051 với trình biên dịch SDCC ................................................ 13 4.2.1. Ngôn ngữ C và lập trình nhúng ..................................................................... 13 4.2.2. Lập trình C cho 8051 ...................................................................................... 14 4.2.3. Trình biên dịch SDCC .................................................................................... 15 4.2.4. IDE cho lập trình 8051 với SDCC ................................................................. 18 4.2.5. Ví dụ về lập trình C cho 8051 với SDCC và MIDE-51 ................................ 19 Chương 5. Kiểm thử chương trình cho 8051 bằng công cụ giả lập ............................. 21 5.1. Chương trình giả lập vi điều khiển “8051 series microcontroller simulator”. 21 5.1.1. 8051 series microcontroller simulator ........................................................... 21 5.1.2. Ví dụ kiểm thử chương trình cho 8051 trên chương trình giả lập 8051 series microcontroller simulator .............................................................................. 23 5.1.3. Nhận xét ........................................................................................................... 28 5.2. Chương trình mô phỏng hệ thống mạch điện tử Proteus .................................. 29 5.2.1. Giới thiệu Proteus ........................................................................................... 29 5.2.2. Ví dụ về kiểm thử chương trình nhấp nháy Led trên Proteus ................... 33 5.2.3. Nhận xét ........................................................................................................... 37 Chương 6. Kiểm thử chương trình cho 8051 bằng Unit Test, sử dụng công cụ Embedded Unit ................................................................................................................. 38 6.1. Giới thiệu Embedded Unit .................................................................................... 38 6.2. Cải tiến để sử dụng Embedded Unit cho lập trình C cho 8051 ......................... 39 6.3. Ví dụ kiểm thử chương trình C cho 8051 với Embedded Unit .......................... 40 6.4. Nhận xét .................................................................................................................. 44 Chương 7. Kết luận .......................................................................................................... 45 Phụ lục ............................................................................................................................... 46 Phụ lục A: Kiến trúc vi điều khiển 8051 ..................................................................... 46 Phụ lục B: Hướng dẫn sử dụng Embedded Unit ....................................................... 52 Tài liệu tham khảo ............................................................................................................ 55 Chương 1. Mở đầu 1.1. Đặt vấn đề Hệ thống nhúng rất đa dạng và phong phú, tuy nhiên có rất ít người biết được tầm quan trọng và sự hiện hữu của chúng trong thế giới quanh ta. Từ những hệ thống phức tạp như hàng không vũ trụ, phòng thủ quân sự, máy móc tự động trong công nghiệp, đến những phương tiện di chuyển thông thường như máy bay, xe điện, xe hơi, các trang thiết bị y tế trong bệnh viện, cho tới những thiết bị truyền hình và điện thoại di động chúng ta sử dụng hằng ngày, đâu đâu cũng có sự hiện diện của hệ thống nhúng. Cùng với sự đa dạng của các hệ thống nhúng, lĩnh vực lập trình phần mềm nhúng hiện nay rất phát triển. Trong phát triển phần mềm thì hoạt động kiểm thử có vai trò hết sức quan trọng, mang tính sống còn của sản phẩm, và với phần mềm nhúng cũng không phải là ngoại lệ. Sự phát triển của các hệ thống nhúng kéo theo những yêu cầu phát triển của hoạt động kiểm thử phần mềm nhúng. Có những hệ thống nhúng đòi hỏi độ tin cậy rất cao, việc kiểm thử cho các hệ thống này yêu cầu cẩn thận hơn so với kiểm thử phần mềm thông thường. Tuy nhiên hiện nay, hệ thống nhúng ở Việt Nam phát triển khá khiêm tốn so với thế giới, và lĩnh vực kiểm thử cho phần mềm nhúng lại càng khiêm tốn hơn. Có rất ít các tài liệu, các bài báo nói về hoạt động kiểm thử phần mềm nhúng cũng như không có nhiều các công cụ hỗ trợ cho việc kiểm thử này. Việc nghiên cứu và tìm hiểu các phương pháp, các kĩ thuật kiểm thử cho phần mềm nhúng là một vấn đề cần thiết hiện nay, nó sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của lĩnh vực hệ thống nhúng, một lĩnh vực giàu tiềm năng nhưng mới chỉ bước đầu phát triển tại Việt Nam. 1.2. Phạm vi nghiên cứu Trong phạm vi của khóa luận này, tôi nghiên cứu và trình bày về một loại hệ thống nhúng cụ thể - đó là các hệ thống sử dụng vi điều khiển 8051 và một số phương pháp kiểm thử chương trình cho các hệ thống này. Hệ thống sử dụng 8051 tôi trình bày ở đây chỉ là các hệ thống đơn giản, không sử dụng hệ điều hành nhúng, ví dụ như hệ thống đèn Led nối với vi điều khiển, phần mềm viết cho hệ thống này là chương trình điều khiển Led.Các chương trình được lập trình bằng ngôn ngữ C, sử dụng công cụ biên dịch chạy trên môi trường Windows XP 32 bit. 1 Các phương pháp kiểm thử mà tôi giới thiệu trong khóa luận này là phương pháp kiểm thử chức năng sử dụng chương trình mô phỏng phần cứng và phương pháp sử dụng Unit Test ( kiểm thử đơn vị ), hai phương pháp này cũng đều được thực hiện bởi các công cụ kiểm thử chạy trên môi trường Windows XP 32 bit. Với phương pháp kiểm thử sử dụng Unit Test, tôi giới thiệu một Unit Test Framework cho chương trình C nhúng là Embedded Unit, và tôi có đề xuất một phương pháp để kiểm thử chương trình cho vi điều khiển 8051 sử dụng công cụ Embedded Unit với một trình biên không hỗ trợ cho 8051 là GCC. Đó là việc tạo một file thư viện “8051.h” chứa các biến của vi điều khiển, file này chỉ dùng khi test, nó giúp cho GCC không báo lỗi vì thiếu thư viện khi biên dịch các phép kiểm thử. 1.3. Cấu trúc của khóa luận Phần còn lại của khóa luận có cấu trúc như sau: - Chương 2 : giới thiệu sơ lược về hệ thống nhúng và phần mềm nhúng. - Chương 3 : trình bày về lí thuyết kiểm thử phần mềm và kiểm thử phần mềm nhúng. - Chương 4 : giới thiệu về vi điều khiển 8051 và lập trình C cho hệ thống 8051 trên Windows sử dụng trình biên dịch SDCC. - Chương 5 : phương pháp kiểm thử phần mềm nhúng sử dụng công cụ giả lập phần cứng, giới thiệu công cụ giả lập vi điều khiển 8051 và phần mềm mô phỏng hệ thống mạch Proteus. - Chương 6 : phương pháp kiểm thử đơn vi ( Unit Test) cho phần mềm nhúng sử dụng Embedded Unit, giới thiệu về Embedded Unit và cải tiến để sử dụng nó cho chương trình 8051 trên Windows. - Chương 7 : rút ra kết luận từ các vấn đề đã nghiên cứu. 2 Chương 2. Hệ thống nhúng và phần mềm nhúng 2.1. Hệ thống nhúng Hệ thống nhúng (Embedded system) là một thuật ngữ để chỉ một hệ thống có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống mẹ. Đó là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần phềm phục vụ các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hoá điều khiển, quan trắc và truyền tin. Đặc điểm của các hệ thống nhúng là hoạt động ổn định và có tính năng tự động hoá cao.[5] Hệ thống nhúng thường được thiết kế để thực hiện một chức năng chuyên dụng, thường nó có khả năng tự hành và được thiết kế tích hợp vào một hệ thống lớn hơn để thực hiện một chức năng chuyên biệt nào đó. Khác với các máy tính đa chức năng, chẳng hạn như máy tính cá nhân, một hệ thống nhúng chỉ thực hiện một hoặc một vài chức năng nhất định, thường đi kèm với những yêu cầu cụ thể và bao gồm một số thiết bị máy móc và phần cứng chuyên dụng mà ta không tìm thấy trong một máy tính đa năng nói chung [5]. Vì hệ thống chỉ được xây dựng cho một số nhiệm vụ nhất định nên các nhà thiết kế có thể tối ưu hóa nó nhằm giảm thiểu kích thước và chi phí sản xuất. Các hệ thống nhúng thường được sản xuất hàng loạt với số lượng lớn. Hệ thống nhúng rất đa dạng, phong phú về chủng loại. Đó có thể là những thiết bị cầm tay nhỏ gọn như đồng hồ kĩ thuật số và máy chơi nhạc MP3, hoặc những sản phẩm lớn như đèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máy năng lượng hạt nhân. Xét về độ phức tạp, hệ thống nhúng có thể rất đơn giản với một vi điều khiển hoặc rất phức tạp với nhiều đơn vị, các thiết bị ngoại vi và mạng lưới được nằm gọn trong một lớp vỏ máy lớn. Các thiết bị PDA hoặc máy tính cầm tay cũng có một số đặc điểm tương tự với hệ thống nhúng như các hệ điều hành hoặc vi xử lý điều khiển chúng nhưng các thiết bị này không phải là hệ thống nhúng thật sự bởi chúng là các thiết bị đa năng, cho phép sử dụng nhiều ứng dụng và kết nối đến nhiều thiết bị ngoại vi [13]. Hệ thống nhúng bao gồm cả thiết bị phần cứng và phần mềm, hầu hết đều phải thỏa mãn yêu cầu hoạt động theo thời gian thực (real-time). Tùy theo tính chất và yêu cầu, mức độ đáp ứng của hệ thống có thể phải là rất nhanh (ví dụ như hệ thống thắng trong xe 3 hơi hoặc điều khiển thiết bị trong nhà máy), hoặc có thể chấp nhận một mức độ chậm trễ tương đối (ví dụ như điện thoại di động, máy lạnh, ti-vi) [13]. Để có thể dễ hình dung, ta xem ví dụ sau đây: một chiếc xe hơi trung bình có khoảng 70-80 chip vi xử lý (micro controller unit), mỗi bộ vi xử lý đảm nhiệm một nhiệm vụ, chẳng hạn như đóng mở cửa, điều khiển đèn tín hiệu, đo nhiệt độ trong/ngoài xe, hiển thị giao diện người dùng , điều khiển thắng (nếu dùng hệ thống thắng điện)… Mỗi bộ phận như thế là một hệ thống nhúng, tất cả được thiết kế tích hợp vào một hệ thống chung lớn hơn, chính là chiếc xe hơi. Một ví dụ khác gần gũi hơn với cuộc sống hằng ngày, đó là những chiếc điện thoại di động. Các chức năng như điều khiển màn hình hiển thị, máy nghe nhạc và radio, bộ cảm ứng chụp hình, kết nối với máy tính và thiết bị ngoại vi, hoặc cao cấp hơn là kết nối với hệ thống định vị toàn cầu (GPS), tất cả đều là những hệ thống nhúng được tích hợp chung vào chiếc điện thoại. Các hệ thống nhúng có thể không có giao diện (đối với những hệ thống đơn nhiệm) hoặc có đầy đủ giao diện giao tiếp với người dùng tương tự như các hệ điều hành trong các thiết bị để bàn. Đối với các hệ thống đơn giản, thiết bị nhúng sử dụng nút bấm, đèn LED và hiển thị chữ cỡ nhỏ hoặc chỉ hiển thị số, thường đi kèm với một hệ thống menu đơn giản. Còn trong một hệ thống phức tạp hơn, một màn hình đồ họa, cảm ứng hoặc có các nút bấm ở lề màn hình cho phép thực hiện các thao tác phức tạp mà tối thiểu hóa được khoảng không gian cần sử dụng; ý nghĩa của các nút bấm có thể thay đổi theo màn hình và các lựa chọn. Các hệ thống nhúng thường có một màn hình với một nút bấm dạng cần điểu khiển (joystick button). Sự phát triển mạnh mẽ của mạng toàn cầu đã mang đến cho những nhà thiết kế hệ nhúng một lựa chọn mới là sử dụng một giao diện web thông qua việc kết nối mạng. Điều này có thể giúp tránh được chi phí cho những màn hình phức tạp nhưng đồng thời vẫn cung cấp khả năng hiển thị và nhập liệu phức tạp khi cần đến, thông qua một máy tính khác. Điều này là hết sức hữu dụng đối với các thiết bị điều khiển từ xa, cài đặt vĩnh viễn. Ví dụ, các router là các thiết bị đã ứng dụng tiện ích này. Độ tin cậy của hệ thống nhúng Các hệ thống nhúng thường nằm trong các cỗ máy được kỳ vọng là sẽ chạy hàng năm trời liên tục mà không bị lỗi hoặc có thể khôi phục hệ thống khi gặp lỗi. Vì thế, các 4 phần mềm hệ thống nhúng được phát triển và kiểm thử một cách cẩn thận hơn là phần mềm cho máy tính cá nhân. Ngoài ra, các thiết bị rời không đáng tin cậy như ổ đĩa, công tắc hoặc nút bấm thường bị hạn chế sử dụng. Việc khôi phục hệ thống khi gặp lỗi có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật như watchdog timer – nếu phần mềm không đều đặn nhận được các tín hiệu watchdog định kì thì hệ thống sẽ bị khởi động lại [5]. Một số vấn đề cụ thể về độ tin cậy như: - Hệ thống không thể ngừng để sửa chữa một cách an toàn, ví dụ như ở các hệ thống không gian, hệ thống dây cáp dưới đáy biển, các đèn hiệu dẫn đường,… Giải pháp đưa ra là chuyển sang sử dụng các hệ thống con dự trữ hoặc các phần mềm cung cấp một phần chức năng. - Hệ thống phải được chạy liên tục vì tính an toàn, ví dụ như các thiết bị dẫn đường máy bay, thiết bị kiểm soát độ an toàn trong các nhà máy hóa chất,… Giải pháp đưa ra là lựa chọn backup hệ thống. - Nếu hệ thống ngừng hoạt động sẽ gây tổn thất rất nhiều tiền của ví dụ như các dịch vụ buôn bán tự động, hệ thống chuyển tiền, hệ thống kiểm soát trong các nhà máy …[5] 2.2. Phần mềm nhúng Là phần mềm trong các hệ thống nhúng. Phần mềm nhúng có thể là những chương trình đơn giản chạy trực tiếp trên nền phần cứng hoặc là những chương trình, ứng dụng chạy trên nền một hệ điều hành nhúng. Phần mềm nhúng thường chạy với số tài nguyên phần cứng hạn chế: không có bàn phím, màn hình hoặc có nhưng với kích thước nhỏ, bộ nhớ hạn chế.[5] Phần mềm nhúng thường được lập trình trên máy tính cá nhân của lập trình viên, được biên dịch với một trình biên dịch và một môi trường phát triển, máy tính dùng để lập trình được gọi là host. Sau đó chương trình được nạp lên thiết bị và chạy, thiết bị mà chương trình được nạp lên gọi la target.Với mỗi target khác nhau sẽ có cấu trúc vi điểu khiển khác nhau, và sử dụng hệ điều hành nhúng khác nhau, do vậy tùy từng loại sẽ có các cách thức lập trình tương ứng . 5 C là một trong những ngôn ngữ lập trình nhúng phổ biến nhất hiện nay. C có một số ưu điểm nổi bật tiêu biểu như khá nhỏ và dễ dàng cho việc học, các chương trình biên dịch C thường khá sẵn cho hầu hết các bộ xử lý đang sử dụng hiện nay, và có rất nhiều người đã biết và làm chủ được ngôn ngữ này. 6 Chương 3. Kiểm thử phần mềm và kiểm thử phần mềm nhúng 3.1 Kiểm thử phần mềm 3.1.1. Kiểm thử phần mềm là gì? Kiểm thử phần mềm là hoạt động khảo sát sản phần mềm nhằm cung cấp cho người có lợi ích liên quan đến phần mềm những thông tin về chất lượng của sản phẩm phần mềm ấy. Mục đích của kiểm thử phần mềm là tìm ra các lỗi hay khiếm khuyết phần mềm nhằm đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu của phần mềm trong nhiều lĩnh vực khác nhau.[6] Theo nghĩa thông thường nhất, kiểm thử phần mềm bao gồm việc chạy thử phần mềm hay một chức năng của phần mềm, xem nó chạy đúng như mong muốn hay không. Việc kiểm thử này có thể thực hiện từng chặng, sau khi mỗi chức năng hoặc mô đun được phát triển, hoặc thực hiện sau cùng, khi phần mềm đã được phát triển hoàn tất. Các mức kiểm thử phần mềm thông thường là [6] : - Unit Test – Kiểm thử mức đơn vị - Integration Test – Kiểm thử tích hợp - System Test - Kiểm thử mức hệ thống - Acceptance Test - Kiểm thử chấp nhận sản phẩm - Regression Test - Kiểm thử hồi quy 3.1.2. Kiểm thử đơn vị (unit test): Một Unit là một thành phần phần mềm nhỏ nhất mà ta có thể kiểm thử được. Theo định nghĩa này, các hàm (Function), thủ tục (Procedure), lớp (Class), hoặc cá