CN110569615B - 一种多源异构嵌入式软件协同仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多源异构嵌入式软件协同仿真测试方法，包括基于混合式P2P的协同仿真测试方法、基于滑动窗口的时钟同步方法和基于时间系数矩阵的动态时间推进方法。本发明采用的基于混合式P2P的协同仿真测试方法可以实现多源异构嵌入式软件中全实物、半实物、全数字等节点的混合协同仿真，以便尽早、尽快完整模拟软件应用场景以发现潜在缺陷进行缺陷预防；本发明采用的基于滑动窗口的时钟同步方法可以在协同仿真执行过程中实现节点时钟的高效同步，解决时间一致性问题；本发明采用的基于时间系数矩阵的动态时间推进方法，确保仿真时序的正确推进。

Description

一种多源异构嵌入式软件协同仿真测试方法

技术领域

本发明涉及一种软件协同仿真测试方法，尤其涉及一种多源异构嵌入式软件协同仿真测试方法。

背景技术

嵌入式系统广泛应用于武器装备、航空、航天、工业控制、民用电子等领域，具有构建化、强实时性、高安全性等特点，并具有大量的工作数据和多样的应用场景。在复杂任务嵌入式系统中，大量嵌入式软件分布在不同设备平台之上，通过各类总线、网络相互连接，不同构件通过接口提供外部服务、进行构件间数据通信与交互，共同完成软件系统各项功能，呈现出多源异构的特征。

对于航空航天、武器装备等高可靠性、安全性要求的多源异构嵌入式系统，软件发生失效可能影响人们的生命安全，代价和后果是难以承受的。仿真测试作为保证上述多源异构嵌入式软件设计、实现正确性的重要手段，目前比较成熟的仿真测试技术就工作原理的不同可以分为半实物仿真测试、全数字仿真测试两个大的类别。半实物仿真测试是一种硬件在环的仿真测试方法，适用于产品的硬件已经研制完成的情况，能够通过真实的硬件接口与被测系统相连，提供被测系统运行的交联环境，适用于嵌入式系统配置项级和系统级的动态测试与验证，可实现对嵌入式系统进行闭环的黑盒、动态、非侵入的测试。全数字仿真测试环境提供了一个完整的虚拟目标机器硬件系统，适用于只有软件而硬件还未研制完成的情况，并且能够解决因硬件环境限制无法验证的问题，如：寄存器故障、存储器故障等。

对于航空航天、武器装备等大型多源异构嵌入式系统，各个组件、分系统的研制进度常常存在不一致的情况，由于硬件资源的缺乏和各个分系统研制进度的不一致，难以对在研部件或分系统进行充分的测试、验证和评估，导致测试和缺陷发现后移。如严重的系统设计问题在软件研制后期发现，问题影响逐级放大，修改成本指数增加，甚至导致项目周期延后。

因此，需要发明一种新的多源异构嵌入式软件仿真测试方法，建立全数字、半实物、全实物多源异构嵌入式的协同仿真测试环境实现对不同研制进度下多源异构嵌入式软件的仿真测试，充分覆盖软件的应用场景，尽早暴露软件缺陷。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能够对不同研制进度下多源异构嵌入式软件仿真的测试多源异构嵌入式软件协同仿真测试方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种多源异构嵌入式软件协同仿真测试方法，包括以下步骤：

步骤1、进行基于混合式P2P的协同仿真测试；

步骤2、以步骤1建立的混合式P2P为基础，进行基于滑动窗口的时钟同步；

步骤3、以步骤2建立的同步时间步长为基础，进行基于时间系数矩阵的动态时间推进。

作为优选，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1、将仿真测试节点的类型分为3类：全数字仿真节点、半实物仿真节点和全实物节点，对于待测多源异构嵌入式系统按照系统设计的模块划分为不同的节点，将还没有实物只有代码的节点设为全数字仿真节点，所有的全数字仿真节点构成集合V＝{v_i|i＝0,1,2,3,...}，集合中每一个元素v_i表示一个全数字仿真节点；将只有部分实物还没有完全研制完成的节点设为半实物仿真节点，所有的半实物仿真节点构成集合P＝{p_i|i＝0,1,2,3,...}，集合中每一个元素p_i表示一个半实物仿真节点；将研制完成有实物的节点设为全实物节点，所有的全实物节点构成集合R＝{r_i|i＝0,1,2,3,...}，集合中每一个元素r_i表示一个全实物节点；待测系统由集合S＝V∪P∪R构成；

步骤1.2、对于每一类型的节点集合，选取其中一个节点为中心节点，分别记全数字仿真节点构成集合、半实物仿真节点集合、全实物节点集合的中心节点为Vm、Pm、Rm，以选取的中心节点为中心服务节点构建全数字节点集中式P2P网络、半实物节点集中式P2P网络、全实物节点集中式P2P网络，由中心节点负责该类型集中式P2P网络的节点维护、路由查找与更新，实现该类节点的仿真通信；以各中心节点为集合建立分布式对等P2P网络，满足仿真通信需要跨节点类型的情况；通过上述步骤1.1、1.2构建混合了集中式P2P和分布式P2P网络的混合式P2P网络，满足多源异构节点协同仿真通信要求。

作为优选，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、以步骤1建立的混合式P2P为基础，建立测试步骤的归一化表示，记为I＝(TN,Time,Action)，TN表示该测试步骤中混合式P2P中的测试节点，Time表示执行仿真测试的时间，Action表示具体的测试动作；

步骤2.2、设测试用例由多个测试步骤构成，记为TC＝{I₀,I₁,I₂,I₃......}，记当前测试用例用到的混合式P2P中的测试节点为窗口节点，建立窗口Window＝{TN₀,TN₁,TN₂......}；

步骤2.3、对于窗口内节点进行时间同步，而对于非窗口节点则不进行时间同步；窗口内节点进行时间同步时，选取窗口混合式P2P中的测试节点中最长仿真时间推进步长为仿真步长进行时间推进和同步。

作为优选，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、以步骤2建立的同步时间步长为基础，建立混合式P2P中不同节点间时间步长比例系数矩阵T：

其中，a_i,j表示混合式P2P中第i个节点与第j个节点间的同步时间步长比例系数；时间步长比例系数矩阵T可以明确表示出各个节点间实时仿真、超实时仿真、欠实时仿真的关系，具体为：比例系数a_i,j为1则说明两节点间的时间推进步长一致，比例系数a_i,j大于1则说明前一节点相对于后一节点是欠实时仿真，比例系数a_i,j小于1则说明前一节点相对于后一节点是超实时仿真；矩阵T存在对称元素互为倒数的关系即a_i,j×a_j,i＝1；仿真推进过程即为矩阵T不断更新变化的过程；

步骤3.2、建立反馈函数f，以当前时间步长比例系数矩阵T_k为输入，计算出下一步最优时间推进步长比例系数矩阵T_k+1，为了实现各个节点的仿真时间同步，反馈函数f定义为T_k+1＝MAX(T_k)，即下一步最优时间推进步长比例系数矩阵为上一步比例系数矩阵中的最长时间步长，确保仿真时序的正确推进。

本发明的有益效果在于：

本发明采用的基于混合式P2P的协同仿真测试方法可以实现多源异构嵌入式软件中全实物、半实物、全数字等节点的混合协同仿真，以便尽早、尽快完整模拟软件应用场景以发现潜在缺陷进行缺陷预防；本发明采用的基于滑动窗口的时钟同步方法可以在协同仿真执行过程中实现节点时钟的高效同步，解决时间一致性问题；本发明采用的基于时间系数矩阵的动态时间推进方法，确保仿真时序的正确推进。

通过本发明可以解决航空航天、武器装备等大型多源异构嵌入式系统中各个组件、分系统的研制进度常常存在不一致的情况，由于硬件资源的缺乏和各个分系统研制进度的不一致，难以对在研部件或分系统进行充分的测试、验证和评估，导致测试和缺陷发现后移，如严重的系统设计问题在软件研制后期发现，问题影响逐级放大，修改成本指数增加，甚至导致项目周期延后的问题，本发明通过建立全数字、半实物、全实物多源异构嵌入式的协同仿真测试环境实现对不同研制进度下多源异构嵌入式软件的仿真测试，充分覆盖软件的应用场景，尽早暴露软件缺陷。

附图说明

图1是本发明所述多源异构嵌入式软件协同仿真测试方法的方框示意图；

图2是本发明所述基于混合式P2P的协同仿真测试方法的方框示意图；

图3是本发明所述基于滑动窗口的时钟同步方法的方框示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所述多源异构嵌入式软件协同仿真测试方法包括三个步骤：步骤1、进行基于混合式P2P的协同仿真测试；步骤2、以步骤1建立的混合式P2P为基础，进行基于滑动窗口的时钟同步；步骤3、以步骤2建立的同步时间步长为基础，进行基于时间系数矩阵的动态时间推进。首先建立滑动窗口动态建立与调整策略，提出窗口内异构节点时钟同步方法，实现协同仿真执行过程中各个节点的时钟同步，解决时间一致性问题。以此为基础，设计时间推进步长计算方法，实现时间推进确保仿真时序的正确推进，解决不同时间粒度混成同步问题，满足不同复杂测试场景下强弱实时性混合系统的协同仿真要求。在上述时间同步和时间推进的基础上，提出能够实现不同研制进度下实物、半实物、全数字等多源异构节点的混合P2P构建方法，实现不同仿真节点之间的协同通信，满足不同研制进度下多源异构嵌入式软件多源异构节点协同仿真、多任务并发、实时激励注入等测试要求，实现任务剖面和测试场景的充分覆盖，完整模拟软件应用场景，以支持尽早、尽快发现缺陷并进行缺陷预防。

如图2所示，本发明所述步骤1以不同研制进度下装备嵌入式软件实物、半实物、全数字多源异构混成系统为输入，建立混合式P2P协同仿真测试框架，以节点类型为判据，建立同一类型节点内的集中式P2P结构，不同集中式P2P之间通过超级节点建立分布式结构，实现混合式P2P框架，实现不同仿真节点之间的协同通信，满足不同研制进度下装备嵌入式软件多源异构节点协同仿真、多任务并发、实时激励注入等测试要求；具体包括以下步骤：

步骤1.1、将仿真测试节点的类型分为3类：全数字仿真节点、半实物仿真节点和全实物节点，对于待测多源异构嵌入式系统按照系统设计的模块划分为不同的节点，将还没有实物只有代码的节点设为全数字仿真节点，所有的全数字仿真节点构成集合V＝{v_i|i＝0,1,2,3,...}，集合中每一个元素v_i表示一个全数字仿真节点；将只有部分实物还没有完全研制完成的节点设为半实物仿真节点，所有的半实物仿真节点构成集合P＝{p_i|i＝0,1,2,3,...}，集合中每一个元素p_i表示一个半实物仿真节点；将研制完成有实物的节点设为全实物节点，所有的全实物节点构成集合R＝{r_i|i＝0,1,2,3,...}，集合中每一个元素r_i表示一个全实物节点；待测系统由集合S＝V∪P∪R构成；

步骤1.2、对于每一类型的节点集合，选取其中一个节点为中心节点，分别记全数字仿真节点构成集合、半实物仿真节点集合、全实物节点集合的中心节点为Vm、Pm、Rm，以选取的中心节点为中心服务节点构建全数字节点集中式P2P网络、半实物节点集中式P2P网络、全实物节点集中式P2P网络，由中心节点负责该类型集中式P2P网络的节点维护、路由查找与更新，实现该类节点的仿真通信；以各中心节点为集合建立分布式对等P2P网络，满足仿真通信需要跨节点类型的情况；通过上述步骤1.1、1.2构建混合了集中式P2P和分布式P2P网络的混合式P2P网络，满足多源异构节点协同仿真通信要求。

如图3所示，本发明步骤2通过对测试用例的解析，建立测试用例的归一化表示，识别当前仿真步骤中需要用到的节点(窗口节点)，实现滑动窗口的动态建立与调整，并对窗口内节点进行时钟同步，从而实现协同仿真执行过程中节点时钟的高效同步，解决时间一致性问题；具体包括以下步骤：

步骤2.1、以步骤1建立的混合式P2P为基础，建立测试步骤的归一化表示，记为I＝(TN,Time,Action)，TN表示该测试步骤中混合式P2P中的测试节点，Time表示执行仿真测试的时间，Action表示具体的测试动作；

步骤2.2、设测试用例由多个测试步骤构成，记为TC＝{I₀,I₁,I₂,I₃......}，记当前测试用例用到的混合式P2P中的测试节点为窗口节点，建立窗口Window＝{TN₀,TN₁,TN₂......}；

步骤2.3、对于窗口内节点进行时间同步，而对于非窗口节点则不进行时间同步；窗口内节点进行时间同步时，选取窗口混合式P2P中的测试节点中最长仿真时间推进步长为仿真步长进行时间推进和同步。

本发明所述步骤3中，一般不同分系统之间的时间推进关系可以描述为ΔT＝S×ΔW

其中，ΔT为推进的仿真时间值，ΔW为墙上时间(实际时间)推进值，S为比例系数(S＝1为实时仿真，S<1为超实时仿真，S>1为欠实时仿真)。针对不同研制进度下多源异构嵌入式软件多源异构系统中实物(实时仿真)、半实物(超实时仿真)、全数字(欠实时仿真)共存，不同时间粒度混成和交互协同中耦合的特点，研究基于反馈的时间推进步长计算方法。

所以，本发明所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、建立不同节点间时间步长比例系数矩阵T：

其中，a_i,j表示混合式P2P中第i个节点与第j个节点间的同步时间步长比例系数；时间步长比例系数矩阵T可以明确表示出各个节点间实时仿真、超实时仿真、欠实时仿真的关系，具体为：比例系数a_i,j为1则说明两节点间的时间推进步长一致，比例系数a_i,j大于1则说明前一节点相对于后一节点是欠实时仿真，比例系数a_i,j小于1则说明前一节点相对于后一节点是超实时仿真；矩阵T存在对称元素互为倒数的关系即a_i,j×a_j,i＝1；仿真推进过程即为矩阵T不断更新变化的过程；

步骤3.2、建立反馈函数f，以当前时间步长比例系数矩阵T_k为输入，计算出下一步最优时间推进步长比例系数矩阵T_k+1，为了实现各个节点的仿真时间同步，反馈函数f定义为T_k+1＝MAX(T_k)，即下一步最优时间推进步长比例系数矩阵为上一步比例系数矩阵中的最长时间步长，确保仿真时序的正确推进。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (2)

1.一种多源异构嵌入式软件协同仿真测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、进行基于混合式P2P的协同仿真测试；

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1.1、将仿真测试节点的类型分为3类：全数字仿真节点、半实物仿真节点和全实物节点，对于待测多源异构嵌入式系统按照系统设计的模块划分为不同的节点，将还没有实物只有代码的节点设为全数字仿真节点，所有的全数字仿真节点构成集合V＝{v_i|i＝0,1,2,3,...}，集合中每一个元素v_i表示一个全数字仿真节点；将只有部分实物还没有完全研制完成的节点设为半实物仿真节点，所有的半实物仿真节点构成集合P＝{p_i|i＝0,1,2,3,...}，集合中每一个元素p_i表示一个半实物仿真节点；将研制完成有实物的节点设为全实物节点，所有的全实物节点构成集合R＝{r_i|i＝0,1,2,3,...}，集合中每一个元素r_i表示一个全实物节点；待测系统由集合S＝V∪P∪R构成；

步骤1.2、对于每一类型的节点集合，选取其中一个节点为中心节点，分别记全数字仿真节点构成集合、半实物仿真节点集合、全实物节点集合的中心节点为Vm、Pm、Rm，以选取的中心节点为中心服务节点构建全数字节点集中式P2P网络、半实物节点集中式P2P网络、全实物节点集中式P2P网络，由中心节点负责该类型集中式P2P网络的节点维护、路由查找与更新，实现该类节点的仿真通信；以各中心节点为集合建立分布式对等P2P网络，满足仿真通信需要跨节点类型的情况；通过上述步骤1.1、1.2构建混合了集中式P2P和分布式P2P网络的混合式P2P网络，满足多源异构节点协同仿真通信要求；

步骤2、以步骤1建立的混合式P2P为基础，进行基于滑动窗口的时钟同步；

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、以步骤1建立的混合式P2P为基础，建立测试步骤的归一化表示，记为I＝(TN,Time,Action)，TN表示该测试步骤中混合式P2P中的测试节点，Time表示执行仿真测试的时间，Action表示具体的测试动作；

步骤2.2、设测试用例由多个测试步骤构成，记为TC＝{I₀,I₁,I₂,I₃......}，记当前测试用例用到的混合式P2P中的测试节点为窗口节点，建立窗口Window＝{TN₀,TN₁,TN₂......}；

步骤2.3、对于窗口内节点进行时间同步，而对于非窗口节点则不进行时间同步；窗口内节点进行时间同步时，选取窗口混合式P2P中的测试节点中最长仿真时间推进步长为仿真步长进行时间推进和同步；

步骤3、以步骤2建立的同步时间步长为基础，进行基于时间系数矩阵的动态时间推进。

2.根据权利要求1所述的多源异构嵌入式软件协同仿真测试方法，其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、以步骤2建立的同步时间步长为基础，建立混合式P2P中不同节点间时间步长比例系数矩阵T：

其中，a_i,j表示混合式P2P中第i个节点与第j个节点间的同步时间步长比例系数；时间步长比例系数矩阵T可以明确表示出各个节点间实时仿真、超实时仿真、欠实时仿真的关系，具体为：比例系数a_i,j为1则说明两节点间的时间推进步长一致，比例系数a_i,j大于1则说明前一节点相对于后一节点是欠实时仿真，比例系数a_i,j小于1则说明前一节点相对于后一节点是超实时仿真；矩阵T存在对称元素互为倒数的关系即a_i,j×a_j,i＝1；仿真推进过程即为矩阵T不断更新变化的过程；

步骤3.2、建立反馈函数f，以当前时间步长比例系数矩阵T_k为输入，计算出下一步最优时间推进步长比例系数矩阵T_k+1，为了实现各个节点的仿真时间同步，反馈函数f定义为T_k+1＝MAX(T_k)，即下一步最优时间推进步长比例系数矩阵为上一步比例系数矩阵中的最长时间步长，确保仿真时序的正确推进。

Images