Tài liệu 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 các phương thức (Method) đều có thể được xem là Unit. Vì Unit được chọn để kiểm thử thường có kích thước nhỏ và chức năng hoạt động đơn giản, chúng ta không khó khăn gì trong việc tổ chức, kiểm thử, ghi nhận và phân tích kết quả kiểm thử. Nếu phát hiện lỗi, việc xác định nguyên nhân và khắc phục cũng tương đối dễ dàng vì chỉ khoanh vùng trong một Unit đang kiểm thử. Một nguyên lý đúc kết từ 7 thực tiễn: thời gian tốn cho Unit Test sẽ được đền bù bằng việc tiết kiệm rất nhiều thời gian và chi phí cho việc kiểm thử và sửa lỗi ở các mức kiểm thử sau đó. Unit Test thường do lập trình viên thực hiện. Công đoạn này cần được thực hiện càng sớm càng tốt trong giai đoạn viết code và xuyên suốt chu kỳ phát triển phần mềm. Thông thường, Unit Test đòi hỏi kiểm thử viên (tester)có kiến thức về thiết kế và code của chương trình. Mục đích của Unit Test là bảo đảm thông tin được xử lý và xuất ra (khỏi Unit) là chính xác, trong mối tương quan với dữ liệu nhập và chức năng của Unit. Điều này thường đòi hỏi tất cả các nhánh bên trong Unit đều phải được kiểm tra để phát hiện nhánh phát sinh lỗi. Một nhánh thường là một chuỗi các lệnh được thực thi trong một Unit, ví dụ: chuỗi các lệnh sau điều kiện If và nằm giữa then … else là một nhánh. Thực tế việc chọn lựa các nhánh để đơn giản hóa việc kiểm thử và quét hết Unit đòi hỏi phải có kỹ thuật, đôi khi phải dùng thuật toán để chọn lựa. Cũng như các mức kiểm thử khác, Unit Test cũng đòi hỏi phải chuẩn bị trước các tình huống (test case) hoặc kịch bản (script), trong đó chỉ định rõ dữ liệu vào, các bước thực hiện và dữ liệu mong chờ sẽ xuất ra. Các test case và kịch bản này nên được giữ lại để tái sử dụng. Unit Test thường sử dụng các Unit Test Framework, đó là các khung chương trình được viết sẵn để hộ trợ cho việc test các mô đun, các đơn vị phần mềm. 3.1.3. Integration Test – Kiểm thử tích hợp Kiểm thử tích hợp kết hợp các thành phần của một ứng dụng và kiểm thử như một ứng dụng đã hoàn thành. Trong khi Unit Test kiểm thử các thành phần và đơn vị phần mềm riêng lẻ thì kiểm thử tích hợp kết hợp chúng lại với nhau và kiểm thử sự giao tiếp giữa chúng. Kiểm thử tích hợp có 2 mục tiêu chính: - Phát hiện lỗi giao tiếp xảy ra giữa các Unit. - Tích hợp các Unit đơn lẻ thành các hệ thống nhỏ (subsystem) và cuối cùng là nguyên hệ thống hoàn chỉnh (system) chuẩn bị cho kiểm thử ở mức hệ thống. 3.1.4. System Test - Kiểm thử mức hệ thống 8 Mục đích Kiểm thử mức hệ thống là kiểm tra thiết kế và toàn bộ hệ thống (sau khi tích hợp) có thỏa mãn yêu cầu đặt ra hay không. Điểm khác nhau then chốt giữa kiểm thử tích hợp và kiểm thử hệ thống là kiểm thử hệ thống chú trọng các hành vi và lỗi trên toàn hệ thống, còn kiểm thử tích hợp chú trọng sự giao tiếp giữa các đơn vị hoặc đối tượng khi chúng làm việc cùng nhau. Thông thường ta phải thực hiện kiểm thử đơn vị và kiểm thử tích hợp để bảo đảm mọi đơn vị phần mềm và sự tương tác giữa chúng hoạt động chính xác trước khi thực hiện kiểm thử hệ thống Kiểm thử hệ thống kiểm tra cả các hành vi chức năng của phần mềm lẫn các yêu cầu về chất lượng như độ tin cậy, tính tiện lợi khi sử dụng, hiệu năng và bảo mật. Mức kiểm thử này đặc biệt thích hợp cho việc phát hiện lỗi giao tiếp với phần mềm hoặc phần cứng bên ngoài, chẳng hạn các lỗi “bế tắc” (deadlock) hoặc chiếm dụng bộ nhớ. Sau giai đoạn kiểm thử hệ thống, phần mềm thường đã sẵn sàng cho khách hàng hoặc người dùng cuối cùng kiểm thử để chấp nhận (Acceptance Test) hoặc dùng thử (Alpha/Beta Test). 3.1.5. Acceptance Test - Kiểm thử chấp nhận sản phẩm Thông thường, sau giai đoạn kiểm thử hệ thống là kiểm thử chấp nhận, được khách hàng thực hiện (hoặc ủy quyền cho một nhóm thứ ba thực hiện). Mục đích của kiểm thử chấp nhận là để chứng minh phần mềm thỏa mãn tất cả yêu cầu của khách hàng và khách hàng chấp nhận sản phẩm (và trả tiền thanh toán hợp đồng). Kiểm thử chấp nhận có ý nghĩa hết sức quan trọng, mặc dù trong hầu hết mọi trường hợp, các phép kiểm thử của kiểm thử hệ thống và kiểm thử chấp nhận gần như tương tự, nhưng bản chất và cách thức thực hiện lại rất khác biệt. 3.1.6. Regression Test - Kiểm thử hồi quy Kiểm thử hồi quy không phải là một mức kiểm thử, như các mức khác đã nói ở trên. Nó đơn thuần kiểm tra lại phần mềm sau khi có một sự thay đổi xảy ra, để bảo đảm phiên bản phần mềm mới thực hiện tốt các chức năng như phiên bản cũ và sự thay đổi không gây ra lỗi mới trên những chức năng vốn đã làm việc tốt. Kiểm thử hồi quy có thể thực hiện tại mọi mức kiểm thử. Ví dụ: một phần mềm đang phát triển khi kiểm tra cho thấy nó chạy tốt các chức năng A, B và C. Khi có thay đổi code của chức năng C, nếu chỉ kiểm tra chức năng C thì chưa đủ, cần phải kiểm tra lại tất cả các chức năng khác liên quan đến chức năng C, trong 9 ví dụ này là A và B. Lý do là khi C thay đổi, nó có thể sẽ làm A và B không còn làm việc đúng nữa. 3.2. Kiểm thử phần mềm nhúng 3.2.1. Tổng quan về kiểm thử phần mềm nhúng Kiểm thử phần mềm nhúng cũng có các đặc điểm tương tự như kiểm thử phần mềm nói chung, ngoài ra do đặc trưng của hệ thống nhúng rất đa dạng về môi trường phát triển, đa dạng về kiến trúc phần cứng cũng như kiến trúc phần mềm nên kiểm thử cho phần mềm nhúng có một số đặc trưng riêng. Rõ ràng là kiểm thử phần mềm cho một chiếc điện thoại di động sẽ khác đáng kể so với kiểm thử cho một chiếc máy giặt hay một hệ thống điểu khiển trong ô tô, mỗi hệ thống đó yêu cầu một cách đánh giá riêng trong phương pháp kiểm thử của nó để có thể kiểm thử được hết các phần của hệ thống.[12] Mặc dù có nhiều lí do giải thích tại sao các hệ thống nhúng khác nhau phải được kiểm thử theo những cách khá là khác nhau, tuy nhiên chúng cũng có nhiều vấn đề tương tự, giải pháp tương tự cho các hệ thống trên trong một vài phương pháp kiểm thử nào đó.[12] Trong bài khóa luận này, tôi xin đề cập đến hai phương pháp hay được dùng để kiểm thử cho khá nhiều các hệ thống nhúng khác nhau. Đó là phương pháp sử dụng chương trình giả lập để mô phỏng phần cứng hệ thống, qua đó kiểm tra sự thực thi của chương trình phần mềm. Phương pháp thứ hai là một phương pháp rất phổ biến cho kiểm thử phần mềm nói chung, đó là kiểm thử đơn vị ( Unit test). 3.2.2. Kiểm thử bằng phương pháp chạy phần mềm trên môi trường giả lập phần cứng. Chạy chương trình phần mềm trên môi trường giả lập phần cứng thay vì chạy trực tiếp trên phần cứng thật là một cách kiểm thử chương trình rất hữu ích. Người phát triển có thể chạy thử chương trình nhúng của mình ngay trên máy PC mà không cần phải nạp lên thiết bị thật, giúp tiết kiệm tiền mua thiết bị [14]. Hơn nữa, những thiết bị phần cứng thật có thể hỏng nếu chương trình của ta chạy sai, hoặc đơn giản là do ta lắp ráp thiết bị không đúng, điều đó thật nghiêm trọng nếu các thiết bị đó là đắt tiền, các phần mềm mô phỏng sẽ giúp người phát triển tránh được những rủi ro này. 10 Không chỉ giúp tiết kiệm về tài chính, các công cụ giả lập còn giúp người phát triển phần mềm nhúng tiết kiệm thời gian. Khi lập trình và biên dịch xong, thay vì phải loay hoay kết nối các thiết bị phức tạp, kết nối thiết bị với máy tính để nạp chương trình và thực thi, người lập trình có thể khởi động chương trình giả lập và chạy ngay chương trình mình vừa viết một cách rất trực quan, qua đó kiểm tra được chương trình của mình chạy có đúng như mong muốn dự kiến hay không. 3.2.3. Kiểm thử phần mềm nhúng bằng Unit Test. Unit Test được sử dụng rất nhiều trong kiểm thử phần mềm vì nó là mức kiểm thử đơn giản nhất và phát hiện ra nhiều lỗi lập trình nhất. Và đối với lập trình nhúng cũng không phải là ngoại lệ, ta có thể dùng Unit Test để kiểm thử từng chức năng trong một chương trình viết cho hệ thống nhúng, với Unit Test, người phát triển không khó khăn gì trong việc tổ chức kiểm thử và phân tích kết quả kiểm thử, các lỗi lập trình sẽ được phát hiện sớm. Hiện nay, các Unit Test Framework dành cho lập trình nhúng chưa có nhiều như các Unit Test Framework cho lập trình ứng dụng trên máy PC, với lập trính nhúng sử dụng ngôn ngữ C, tiêu biểu chỉ có một vài framework là Embedded Unit (Embunit), Tessy, Testape, Embedded Unity…Trong đó Embedded Unit là phổ biến nhất vì nó dễ sử dụng và là một công cụ mã nguồn mở, ta có thể tải về miễn phí tại http://embunit.sourceforge.net/ . 11 Chương 4. Lập trình nhúng cho vi điều khiển 8051 bằng ngôn ngữ C 4.1. Vi điều khiển 8051 Trong khóa luận này, tôi chọn vi điều khiển 8051 để tìm hiểu và trình bày, áp dụng các phương pháp kiểm thử phần mềm cho 8051 vì nó là vi điều khiển có giá thành rẻ, được sử dụng rất rộng rãi, 8051 có rất nhiều tài liệu và công cụ trợ giúp phát triển và hướng dẫn lập trình, và nó cũng có rất nhiều nhà sản xuất (nguồn cung cấp đa dạng). 8051 là một vi điều khiển rất phổ biến dùng cho các hệ thống nhúng, vi điều khiển 8051 là thành viên đầu tiên và phổ biến nhất của họ vi điều khiển 8051. Intel 8051 — là vi điều khiển đơn tinh thể kiến trúc Harvard, lần đầu tiên được sản xuất bởi Intel năm 1980, để dùng trong các hệ thống nhúng. Trong những năm 1980 và đầu những năm 1990 đã rất nổi tiếng. Tuy nhiên hiện tại đã cũ và được thay thế bằng các thiết bị hiện đại hơn, với các lõi phối hợp 8051, được sản xuất bởi hơn 20 nhà sản xuất độc lập, như Atmel, Maxim IC, NXP Semiconductors (Philips Semiconductor trước đây), Winbond, Silicon Laboratories, Texas Instruments và Cypress Semiconductor. Các phiên bản của vi điều khiển 8051 tạo nên họ 8051. Tên gọi chính thức của họ vi điều khiển Intel 8051 là MCS 51. Vào năm 1981. Hãng Intel giới thiệu một bộ vi điều khiển được gọi là 8051. Bộ vi điều khiển này có 128 byte RAM, 4K byte ROM trên chíp, hai bộ định thời, một cổng nối tiếp và 4 cổng (đều rộng 8 bit) vào ra tất cả được đặt trên một chíp. Lúc ấy nó được coi là một “hệ thống trên chíp”. 8051 là một bộ xử lý 8 bit có nghĩa là CPU chỉ có thể làm việc với 8 bit dữ liệu tại một thời điểm. Dữ liệu lớn hơn 8 bit được chia ra thành các dữ liệu 8 bit để cho xử lý. 8051 có tất cả 4 cổng vào - ra I/O mỗi cổng rộng 8 bit. Mặc dù 8051 có thể có một ROM trên chíp cực đại là 64 K byte, nhưng các nhà sản xuất lúc đó đã cho xuất xưởng chỉ với 4K byte ROM trên chip [1]. 8051 đã trở nên phổ biến sau khi Intel cho phép các nhà sản xuất khác sản xuất và bán bất kỳ dạng biến thế nào của 8051 mà họ thích với điều kiện họ phải để mã tương thích với 8051. Điều này dẫn đến sự ra đời nhiều phiên bản của 8051 ( các vi điều khiển trong họ 8051 ) với các tốc độ khác nhau và dung lượng ROM trên chíp khác nhau được bán bởi hơn nửa các nhà sản xuất. Điều này quan trọng là mặc dù có nhiều biến thể khác 12 nhau của 8051 về tốc độ và dung lương nhớ ROM trên chíp, nhưng tất cả chúng đều tương thích với 8051 ban đầu về các lệnh. Điều này có nghĩa là nếu ta viết chương trình của mình cho một phiên bản nào đó thì nó cũng sẽ chạy với mọi phiên bản bất kỳ khác mà không phân biệt nó từ hãng sản xuất nào. Vi điều khiển 8051 cũng như họ vi điều khiển 8051 là một trong những bộ vi điều khiển 8-bit mạnh và linh hoạt nhất, đã trở thành bộ vi điều khiển hàng đầu trong những năm gần đây 4.2. Lập trình C cho 8051 với trình biên dịch SDCC 4.2.1. Ngôn ngữ C và lập trình nhúng So với bất kỳ ngôn ngữ lập trình nào khác đang tồn tại C thực sự phù hợp và trở thành một ngôn ngữ phát triển của hệ nhúng. Điều này không phải là cố hữu và sẽ tồn tại mãi, nhưng tại thời điểm này thì C có lẽ là một ngôn ngữ gần gũi nhất để trở thành một chuẩn ngôn ngữ trong thế giới hệ nhúng. Sự thành công về phát triển phần mềm thường là nhờ vào sự lựa chọn ngôn ngữ phù hợp nhất cho một dự án đặt ra. Cần phải tìm một ngôn ngữ để có thể đáp ứng được yêu cầu lập trình cho các bộ xử lý từ 8 - bit đến 64 – bit, trong các hệ thống hữu hạn về bộ nhớ vài Kbyte hoặc Mbyte. Cho tới nay, điều này chỉ có C là thực sự có thể thỏa mãn và phù hợp nhất. Có lẽ một thế mạnh lớn nhất của C là nó là một ngôn ngữ bậc cao mức thấp nhất. Tức là với ngôn ngữ C chúng ta có thể điều khiển và truy cập trực tiếp phần cứng khá thuận tiện mà không hề phải hy sinh hay đánh đổi bất kỳ một thế mạnh nào của ngôn ngữ bậc cao. Đây cũng là một trong những tiêu chí xây dựng của những người sang lập ra ngôn ngữ C muốn hướng tới. Thời kỳ đầu của hệ thống nhúng, Assembly cũng là một ngôn ngữ hay được dùng để lập trình cho các vi xử lý, với ngôn ngữ này cho phép người lập trình điều khiển và kiểm soát hoàn toàn vi xử lý cũng như phần cứng hệ thống trong việc thực thi chương trình. Tuy nhiên ngôn ngữ Assembly lại có nhiều nhược điểm, đó là việc học và sử dụng nó rất khó khăn và đặc biệt khó khăn trong việc phát triển các chương trình ứng dụng lớn, phức tạp. Chính vì vậy mà ngày nay Assembly ít được phổ cập và sử dụng. 13 4.2.2. Lập trình C cho 8051 Về cơ bản thì lập trình C cho vi điều khiển 8051, cấu trúc của chương trình cũng giống như lập trình C cho các ứng dụng trên máy PC. Nhưng với lập trình C cho 8051, ta chỉ cần biết số lệnh không nhiều, tuy nhiên với đặc trưng về phần cứng, ta sẽ phải nhớ nhiều tên biến đặc biệt đã được định nghĩa sẵn để sử dụng trong chương trình, các biến này thể hiện các thanh ghi hoặc các bit có chức năng đặc biệt của vi điều khiển. Các kiểu dữ liệu về cơ bản giống với C chuẩn, ngoài ra còn có một số kiểu dữ liệu đặc trưng cho vi điều khiển như kiểu sfr ( thanh ghi đặc biệt), kiểu bit, sbit…. Cấu trúc một chương trình C cho 8051[1]: //include các file #include #include //Khai báo biến toàn cục unsigned char x,y; int z=0; //Khai báo và định nghĩa các hàm Kiểu trả về Hàm1( đối số ) ko { …//Các câu lệnh } void Hàm2( đối số ) { …//Các câu lệnh } //Hàm main ( bắt buộc chương trình nào cũng phải có ) void main(void) 14