(Luận văn) nghiên cứu kỹ thuật kiểm thử tự động dựa trên mô hình, áp dụng trong hệ thống nhúng

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - PHẠM THỊ NGỌC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT KIỂM THỬ TỰ ĐỘNG DỰA TRÊN MƠ HÌNH, ÁP DỤNG TRONG HỆ THỐNG NHÚNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2018 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG - PHẠM THỊ NGỌC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT KIỂM THỬ TỰ ĐỘNG DỰA TRÊN MƠ HÌNH, ÁP DỤNG TRONG HỆ THỐNG NHÚNG Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 8.48.01.04 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS ĐỖ THỊ BÍCH NGỌC HÀ NỘI - 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu kỹ thuật kiểm thử tự động dựa mơ hình, áp dụng hệ thống nhúng” cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tất tham khảo kế thừa trích dẫn tham chiếu đầy đủ Tác giả luận văn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN………………………………………………………………………… i MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Chương – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÚNG VÀ KIỂM THỬ TRONG HỆ THỐNG NHÚNG 1.1 Hệ thống nhúng 1.2 Đặc điểm hệ thống nhúng 1.2.1 Giao diện 1.2.2.Thiết bị ngoại vi 1.2.3.Công cụ phát triển 1.2.4 Độ tin cậy 1.2.5.Xu hướng phát triển hệ thống nhúng 1.2.6.Những thách thức vấn đề tồn với hệ thống nhúng 1.3 Lý thuyết kiểm thử 1.3.1.Mục tiêu kiểm thử 1.3.2.Nguyên tắc kiểm thử 1.3.3.Nội dung nhiệm vụ trình kiểm thử 1.4 Kiểm thử tự động Kiểm thử tự động Ưu điểm nhược điểm Tầm quan trọng kiểm thử tự động Chương 2-PHƯƠNG PHÁP KIỂM THỬ DỰA TRÊN MƠ HÌNH 2.1 Kiểm thử dựa mơ hình 2.1.1.Kiểm thử dựa mơ hình 2.1.2.Quy trình kiểm thử dựa mơ hình 2.1.3.Thuận lợi khó khăn kiểm thử dựa mơ hình 2.2 Các vấn đề q trình kiểm thử dựa mơ hình 2.3 Lập mơ hình cho hệ thống 2.3.1.Mơ hình kiểm thử Simulink 2.3.2.Yêu cầu/ đặc tả mơ hình 2.3.3.Tạo ca kiểm thử từ mô hình 2.3.4.Đánh giá mức phủ test case Chương - THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 3.1 Cài đặt Matlab & Simulink toolbox 3.2 Áp dụng kiểm thử dựa mơ hình vào tốn kiểm thử mơ hình điều khiển hành trình 3.2.1.Xây dựng mơ hình Matlab 3.2.2.Sinh ca kiểm thử thực thi kết kiểm thử Chương – KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO iii 3 4 5 6 8 10 12 12 12 13 15 15 15 16 19 20 31 32 33 35 35 39 39 40 40 45 51 52 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Bản kế hoạch kế hoạch chi tiết 11 Hình 2.1: Phân loại trình kiểm thử dựa mơ hình .21 Hình 2.2: Ví dụ mơ hình bao gồm khối thử nghiệm tuần tự, kiểm tra liệu kiểm tra quản lý 33 Hình 2.3: Ví dụ sơ đồ khối hệ thống truyền lực 34 Hình 2.4: Sơ đồ mơ hình hóa kết mô động truyền động 34 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển hành trình cho hệ thống tơ .41 Hình 3.2: Mơ hình lực cân xe tơ 42 Hình 3.3: Chi tiết khối Cruise control 45 Hình 3.4: Cơ sở liệu kiểm thử .46 Hình 3.5: Nhập file liệu đầu vào 47 Hình 3.6: Tạo file liệu sở từ ca kiểm thử .48 Hình 3.7: So sánh kết với đường sở baseline .48 Hình 3.8: Độ dốc đường tăng giảm với biên độ nhỏ .49 Hình 3.9: Vận tốc xe độ dốc thay đổi với biên độ nhỏ 49 Hình 3.10: Độ dốc đường tăng giảm với biên độ lớn 50 Hình 3.11: Vận tốc xe độ dốc đường lớn 50 MỞ ĐẦU Xuất từ năm đầu thập niên 1960, hệ thống nhúng dần trở thành ngành phát triển mạnh mẽ lĩnh vực công nghệ thông tin (CNTT), với ứng dụng rộng rãi công nghiệp đời sống Sự tăng trưởng hệ thống nhúng ngành công nghiệp dẫn tới q trình phát triển cơng nghệ dựa mơ hình (model based), mang lại nhiều thuận lợi cho phát triển công nghệ tự động Các kỹ thuật dựa mơ MATLAB/ Simulink, Statemate, MatrixX LabView cơng cụ cụ thể có chế mạnh mẽ nhằm hỗ trợ xử lý tín hiệu liên tục loại liệu quan trọng lĩnh vực điều khiển tự động Những công nghệ dựa mơ hình cho phép phát triển mơ hình cách chi tiết sử dụng để mô giai đoạn phát triển Sự phát triển hệ thống nhúng kéo theo yêu cầu phát triển hoạt động kiểm thử Thông thường, cách phổ biến để kiểm thử cho hệ thống nhúng nói chung chạy giả lập phần cứng phần mềm mô Kiểm thử tự động giải pháp hữu hiệu nhằm nâng cao tính xác hiệu quả, giảm kinh phí rút ngắn thời gian trình kiểm thử sản phẩm phần mềm nói chung hệ thống nhúng nói riêng Kiểm thử dựa mơ hình xem phương pháp kiểm thử có khả tự động hóa cao Kiểm thử dựa mơ hình phương pháp kiểm thử, ca kiểm thử sinh từ mơ hình đặc tả hành vi hệ thống kiểm thử Ngoài ra,việc đảm bảo chất lượng dựa phát triển mô hình, đặc biệt thử nghiệm, cịn hỗ trợ Trong luận văn này, thảo luận đặc tính quy trình phát triển dựa mơ hình cho hệ thống nhúng, đánh giá cần thiết hiệu việc kiểm thử thực tế Đặc biệt hệ thống nhúng yêu cầu cao chất lượng, cần kiểm thử từ mơ hình, việc mơ hình hóa & mơ hệ thống nhúng sử dụng hệ vật lý không tồn tại, tốn thời gian chi phí để xây dựng, cho phép quan sát trình, đáp ứng động hệ thống trước thực nghiệm thiết bị thực, công cụ hữu hiệu cho việc thiết kế, nghiên cứu, với chi phí thấp, dễ dàng thay đổi Các cơng cụ mơ hình hố (như Simulink) hay dùng để thiết kế hệ thống nhúng Simulink tích hợp vào Matlab cơng cụ để mơ phịng hệ thơng, giúp người sử dụng phân tích tổng hợp hệ thống cách trực quan Trong Simulink, hệ thống mô tả dạng sơ đồ khối Với dạng sơ đồ khối này, ta quan sát đáp ứng thời gian hệ thống với nhiều tín hiệu vào khác như: tín hiệu bậc thang, tín hiệu sinus, xung chữ nhật, tín hiệu ngẫu nhiên, cách thực mô Kết mơ xem theo thời gian thực môi trường Simulink Matlab Tất hàm Matlab cố thể truy cập từ Simulink, ngược lại, kết tìm Simulink sử dụng khái thác mơ trường Matlab Với mục đích tìm hiểu kỹ thuật kiểm thử áp dụng vào hệ thống nhúng, nhận thấy việc nghiên cứu phương pháp kiểm thử tự động dựa mơ hình hệ thống nhúng vấn đề cần thiết Luận văn cấu trúc với chương sau: Chương : Tổng quan hệ thống nhúng kiểm thử hệ thống nhúng Chương : Phương pháp kiểm thử dựa mơ hình hệ thống nhúng Chương 3: Thử nghiệm đánh giá Luận văn khảo sát tốn kiểm thử dựa mơ hình áp dụng hệ thống nhúng, đề xuất phương pháp, mơ hình kiểm thử phù hợp với quy trình Đồng thời phương pháp đề xuất phân tích đánh giá số phương pháp đánh giá thông dụng tập liệu có sẵn Chương – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÚNG VÀ KIỂM THỬ TRONG HỆ THỐNG NHÚNG 1.1 Hệ thống nhúng Xuất từ năm đầu thập niên 1960, hệ thống nhúng dần trở thành ngành phát triển mạnh mẽ lĩnh vực công nghệ thông tin (CNTT), với ứng dụng rộng rãi công nghiệp đời sống Hệ thống nhúng (embedded system) định nghĩa hệ thống chuyên dụng, thường có khả tự hành thiết kế tích hợp vào hệ thống lớn để thực chức chuyên biệt Hệ thống nhúng thuật ngữ để hệ thống có khả tự trị nhúng vào mơi trường hay hệ thống mẹ Đó hệ thống tích hợp phần cứng phần mềm phục vụ toán chuyên dụng nhiều lĩnh vực cơng nghiệp, tự động hố điều khiển, quan trắc truyền tin Đặc điểm hệ thống nhúng hoạt động ổn định có tính tự động hoá cao Hệ thống nhúng thường thiết kế để thực chức chuyên biệt Khác với máy tính đa chức năng, chẳng hạn máy tính cá nhân, hệ thống nhúng thực một vài chức định, thường kèm với yêu cầu cụ thể bao gồm số thiết bị máy móc phần cứng chuyên dụng mà ta khơng tìm thấy máy tính đa nói chung Vì hệ thống xây dựng cho số nhiệm vụ định nên nhà thiết kế tối ưu hóa nhằm giảm thiểu kích thước chi phí sản xuất Các hệ thống nhúng thường sản xuất hàng loạt với số lượng lớn Hệ thống nhúng đa dạng, phong phú chủng loại Đó thiết bị cầm tay nhỏ gọn đồng hồ kĩ thuật số máy chơi nhạc MP3, sản phẩm lớn đèn giao thơng, kiểm sốt nhà máy hệ thống kiểm soát máy lượng hạt nhân Xét độ phức tạp, hệ thống nhúng đơn giản với vi điều khiển phức tạp với nhiều đơn vị, thiết bị ngoại vi mạng lưới nằm gọn lớp vỏ máy lớn Các thiết bị PDA máy tính cầm tay có số đặc điểm tương tự với hệ thống nhúng hệ điều hành vi xử lý điều khiển chúng thiết bị hệ thống nhúng thật chúng thiết bị đa năng, cho phép sử dụng nhiều ứng dụng kết nối đến nhiều thiết bị ngoại vi 1.2 Đặc điểm hệ thống nhúng Hệ thống nhúng thường có số đặc điểm chung sau:  Các hệ thống nhúng thiết kế để thực số nhiệm vụ chun dụng khơng phải đóng vai trị hệ thống máy tính đa chức Một số hệ thống địi hỏi ràng buộc tính hoạt động thời gian thực để đảm bảo độ an tồn tính ứng dụng; số hệ thống khơng địi hỏi ràng buộc chặt chẽ, cho phép đơn giản hóa hệ thống phần cứng để giảm thiểu chi phí sản xuất  Một hệ thống nhúng thường khối riêng biệt mà hệ thống phức tạp nằm thiết bị mà điều khiển  Phần mềm viết cho hệ thống nhúng gọi firmware lưu trữ chip nhớ ROM nhớ flash ổ đĩa Phần mềm thường chạy với số tài ngun phần cứng hạn chế: khơng có bàn phím, hình có với kích thước nhỏ, dung lượng nhớ thấp Với đặc điểm trên, việc thử nghiệm, xác định lỗi hệ thống nhúng gặp nhiều khó khăn Số lượng trường hợp thử nghiệm lớn, địi hỏi phải có phương pháp mơ hình kiểm thử phù hợp 1.2.1 Giao diện Các hệ thống nhúng khơng có giao diện (đối với hệ thống đơn nhiệm) có đầy đủ giao diện giao tiếp với người dùng tương tự hệ điều hành thiết bị để bàn Đối với hệ thống đơn giản, thiết bị nhúng sử dụng nút bấm, đèn LED hiển thị chữ cỡ nhỏ hiển thị số, thường kèm với hệ thống menu đơn giản Còn hệ thống phức tạp hơn, hình đồ họa, cảm ứng có nút bấm lề hình cho phép thực thao tác phức tạp mà tối thiểu hóa khoảng khơng gian cần sử dụng Ý nghĩa nút bấm thay đổi theo hình lựa chọn Các hệ thống nhúng thường có hình với nút bấm dạng cần điểu khiển (joystick button) Sự phát triển mạnh mẽ mạng toàn cầu mang đến cho nhà thiết kế hệ nhúng lựa chọn sử dụng giao diện web thông qua việc kết nối mạng Điều giúp tránh chi phí cho hình phức tạp đồng thời cung cấp khả hiển thị nhập liệu phức tạp cần đến, thơng qua máy tính khác Điều hữu dụng thiết bị điều khiển từ xa, cài đặt vĩnh viễn Ví dụ, router thiết bị ứng dụng tiện ích 1.2.2 Thiết bị ngoại vi Hệ thống nhúng giao tiếp với bên ngồi thơng qua thiết bị ngoại vi, ví dụ như: • Serial Communication Interfaces (SCI): RS-232, RS-422, RS-485 • Universal Serial Bus (USB) • Networks: Controller Area Network, LonWorks • Bộ định thời: PLL(s), Capture/Compare Time Processing Units • Discrete IO: General Purpose Input/Output (GPIO) 1.2.3 Công cụ phát triển Tương tự sản phẩm phần mềm khác, phần mềm hệ thống nhúng phát triển nhờ việc sử dụng trình biên dịch (compilers), chương trình dịch hợp ngữ (assembler) công cụ gỡ rối (debuggers) Tuy nhiên, nhà thiết kế hệ thống nhúng sử dụng số cơng cụ chun dụng như: • Bộ gỡ rối mạch chương trình mơ (emulator) • Tiện ích để thêm giá trị checksum CRC vào chương trình, giúp hệ thống nhúng kiểm tra tính hợp lệ chương trình • Đối với hệ thống xử lý tín hiệu số, người phát triển hệ thống sử dụng phần mềm workbench MathCad/ Mathematica để mô phép tốn • Các trình biên dịch trình liên kết (linker) chuyên dụng sử dụng để tối ưu hóa thiết bị phần cứng • Một hệ thống nhúng có ngơn ngữ lập trình cơng cụ thiết kế riêng sử dụng cải tiến từ ngơn ngữ có sẵn