CN113221318B - 一种基于dds的系统级仿真测试环境构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法，其中，包括：构建指令集仿真模型，结合虚拟外围设备模型为系统级仿真测试环境提供虚拟目标机模型；采用插件方式构建基于可配置通信协议的通信协议模拟器模型，根据测试需要选择功能组件；定义虚拟目标机和通信协议模拟器间的通信数据对象，根据DDS的数据规范进行封装，绑定数据写入者和数据读取者，进行虚拟目标机与通信协议模拟器间所有通信接口数据的覆盖；基于DDS分布式协同仿真总线动态接入虚拟目标机和通信协议模拟器，建立通信连接，将虚拟目标机和通信协议模拟器与主题绑定，设置通信方式进行数据交换；进行虚拟目标机与通信协议模拟器多节点时间同步；进行系统特征状态采集与分析。

Description

一种基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法

技术领域

本发明涉及嵌入式系统开发技术，特别涉及一种基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法。

背景技术

在高可靠嵌入式系统研发过程中，对软件测试有严格的要求，尤其是包含多个软件配置项的复杂嵌入式系统，对测试环境要求更高，提出了系统级测试的需求，系统级测试环境成为了当前系统级测试需要迫切解决的关键问题，。

基于实物或半实物构建的系统级测试环境难以开展故障注入、软件动态执行情况统计和系统特征状态采集与分析，导致软件质量问题难以被发现和定位，无法满足复杂嵌入式软件的系统级测试需求。因此，常采用虚拟化技术构建全数字的仿真测试环境，通过监测虚拟目标机处理器指令的执行过程，实现软件源码和目标码的覆盖率统计分析；通过通信协议模拟实现外部激励数据注入，提高软件测试充分性；针对复杂嵌入式软件，构建分布式协同仿真测框架，解决节点间的数据交互、时间同步等核心问题，为系统级仿真测试提供支撑。

为满足复杂嵌入式软件对系统级测试的迫切需求，提升软件测试充分性、提高测试效率，发明了一种基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法，通过指令集仿真技术和通用设备仿真技术实现嵌入式处理器的仿真，通过可配置的通信协议模拟技术实现外部激励数据的注入，基于DDS实现嵌入式处理器仿真模型和通信协议模拟器模型等节点的封装和动态接入、数据交换、时间同步功能，构建集成化、可扩展的复杂嵌入式软件系统级仿真测试环境。

基于实物或半实物实现的系统级测试环境存在资源利用率低、构建周期长、维护成本高、故障不可逆等问题，难以采集系统特征状态和软件动态运行情况，无法保证测试充分性。虽然，通过指令集仿真技术和通信协议模拟技术，可以构建单配置项软件的仿真测试环境；但是，存在系统扩展性差、数据交互困难、仿真时钟不同步等问题，无法实现多配置项软件的协同仿真，难以构建系统级仿真测试环境。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法，解决了当前系统级测试环境匮乏、系统特征状态获取困难、难以进行故障复现和故障定位，系统级测试验证不充分等问题。

本发明一种基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法，其中，包括：构建指令集仿真模型，结合虚拟外围设备模型为系统级仿真测试环境提供虚拟目标机模型；采用插件方式构建基于可配置通信协议的通信协议模拟器模型，根据测试需要选择功能组件；定义虚拟目标机和通信协议模拟器间的通信数据对象，根据DDS的数据规范进行封装，绑定数据写入者和数据读取者，进行虚拟目标机与通信协议模拟器间所有通信接口数据的覆盖；基于DDS分布式协同仿真总线动态接入虚拟目标机和通信协议模拟器，建立通信连接，将虚拟目标机和通信协议模拟器与主题绑定，设置通信方式进行数据交换；进行虚拟目标机与通信协议模拟器多节点时间同步；进行系统特征状态采集与分析。

根据本发明所述的基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法的一实施例，其中，构建虚拟目标机模型包括：对真实目标机进行虚拟化仿真，生成虚拟处理器和虚拟外部设备，封装虚拟处理器和虚拟设备，并提供DDS分布式仿真总线的数据通信接口、控制接口和时间同步接口。

根据本发明所述的基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法的一实施例，其中，构建通信协议模拟器模型的组件包括：测试监控器、用例设计器、脚本编辑器、脚本引擎、数据记录器、结果解析器以及测试模拟器。

根据本发明所述的基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法的一实施例，其中，进行虚拟目标机与通信协议模拟器多节点时间同步包括：基于DDS分布式协同仿真总线建立虚拟目标机和通信协议模拟器的连接，构建系统级仿真测试环境，由系统控制模块驱动虚拟目标机和通信协议模拟器运行，监控不同节点间的时间误差，按照预设的同步阈值进行多节点时间同步，然后修正驱动步长和同步阈值，逐步实现虚拟目标机与通信协议模拟器的时间同步。

根据本发明所述的基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法的一实施例，其中，进行系统特征状态采集与分析包括：定义和描述系统特征状态，设计系统级测试用例，在基于DDS的系统级仿真测试环境中运行测试用例，采集测试结果并进行数据分析，提高系统级测试充分性。

根据本发明所述的基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法的一实施例，其中，虚拟目标机模型的封装包括：分析真实目标机组成结构，获取处理器和外部设备相关信息；采用指令集仿真和通用外部设备仿真构建虚拟化处理器模型和虚拟外部设备模型；对虚拟目标机进行封装并接入基于DDS的分布式协同仿真框架，提供数据通信接口、控制接口和时间同步接口。

根据本发明所述的基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法的一实施例，其中，对于虚拟目标机与通信协议模拟器的数据通信包括：首先，定义复杂嵌入式软件系统中不同配置项软件和场景的数据域，虚拟目标机和通信协议模拟器在同一个域中进行通信；其次，将虚拟目标机和通信协议模拟器的对外交互接口与主题进行绑定；然后，在 QoS策略控制下建立连接，实现点对点、点对多以及多对多的数据通信。

根据本发明所述的基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法的一实施例，其中，虚拟目标机与通信协议模拟器多节点时间同步包括：首先，设置同步参数并驱动虚拟目标机和通信协议模拟器节点运行；其次，获取虚拟目标机运行时钟和通信协议模拟器运行时钟；然后，计算时间误差，发送同步信号，控制虚拟目标机和通信协议模拟器运行状态；消除误差后，进行数据同步并修正时间同步参数，以逐步实现多节点同步运行。

根据本发明所述的基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法的一实施例，其中，进行系统特征状态采集与分析，包括：定义系统级测试充分性准则并进行系统特征状态定义和描述；生成系统级组合测试用例，在系统级仿真测试环境中运行测试用例并采集数据；结合系统级测试充分性准则进行测试数据分析，包括特征状态覆盖、特征状态组合覆盖以及特征状态逻辑组合覆盖；测试数据分析结果，重新设计测试用例，并运行并采集数据。

根据本发明所述的基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法的一实施例，其中，采用LLVM即时编译框架进行国产指令集的仿真加速，构建指令集仿真模型。

本发明实现的基于DDS的系统级仿真测试环境，具备高性能的虚拟目标机模型和可配置的通信协议模拟器模型，提供了开放式、可扩展的分布式协同仿真总线，能够动态接入仿真节点并进行数据交换和时间同步，为系统级测试提供有效的运行支撑环境，同时基于此环境进行系统特征状态采集与分析，提高系统级测试的充分性。

附图说明

图1为一种基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法组成结构；

图2为虚拟目标机与通信协议模拟器数据空间定义；

图3为虚拟目标机与通信协议模拟器通信结构；

图4为虚拟目标机与通信协议模拟器时间同步过程；

图5为系统级特征状态采集与分析过程。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1一种基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法组成结构，一种基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法包含虚拟目标机、基于可配置通信协议的通信协议模拟器、基于DDS的分布式协同仿真总线三个部分。首先，采用LLVM即时编译框架实现国产指令集的仿真加速，构建高性能指令集仿真模型，结合虚拟外围设备模型为系统级仿真测试环境提供虚拟目标机模型；其次，采用插件技术构建基于可配置通信协议的通信协议模拟器，抽象出一套可配置的通用通信协议模型，结合实际测试的需要设计开发相关工能组件，为系统级仿真测试平台提供通信协议模拟器模型；最后，采用DDS作为底层的数据通信中间件，实现分布式协同仿真总线，对虚拟目标机模型和通信协议模拟器模型进行封装，动态接入DDS总线并进行数据交换，通过时间管理服务驱动虚拟目标机和通信协议模拟器同步运行，进而实现高精度的系统级仿真测试环境。

本发明一种基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法的一实施例，包括：

第一步、构建虚拟目标机模型，包括：

对真实目标机进行虚拟化仿真，生成虚拟处理器和虚拟外部设备，封装虚拟处理器和虚拟设备，提供DDS分布式仿真总线的数据通信接口、控制接口和时间同步接口。

第二步、构建通信协议模拟器模型，包括：

构建通信协议模拟器功能组件，包括测试监控器、用例设计器、脚本编辑器、脚本引擎、数据记录器、结果解析器、测试模拟器，对通信协议模拟器进行封装，提供DDS分布式仿真总线的数据通信接口、控制接口和时间同步接口。

第三步、数据对象定义，包括：

定义虚拟目标机和通信协议模拟器间的通信数据对象，根据DDS 的数据规范进行封装，绑定数据写入者和数据读取者，实现对虚拟目标机与通信协议模拟器间所有通信接口数据的覆盖。

第四步、虚拟目标机与通信协议模拟器数据通信，包括：

基于DDS分布式协同仿真总线动态接入虚拟目标机和通信协议模拟器，建立通信连接，将虚拟目标机和通信协议模拟器与主题绑定，设置通信方式进行数据交换。

第五步、虚拟目标机与通信协议模拟器多节点时间同步，包括：

基于DDS分布式协同仿真总线建立虚拟目标机和通信协议模拟器的连接，构建系统级仿真测试环境，由系统控制模块驱动虚拟目标机和通信协议模拟器运行，监控不同节点间的时间误差，按照预设的同步阈值进行多节点时间同步，然后修正驱动步长和同步阈值，逐步实现虚拟目标机与通信协议模拟器的时间同步。

第六步、系统特征状态采集与分析，包括：

定义和描述系统特征状态，设计系统级测试用例，在基于DDS 的系统级仿真测试环境中运行测试用例，采集测试结果并进行数据分析，提高系统级测试充分性。

本发明一种基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法另一具体实施方式包括：

第一步、虚拟目标机模型封装具体包括：

首先，分析真实目标机组成结构，获取处理器和外部设备相关信息。

其次，采用指令集仿真技术和通用外部设备仿真技术构建虚拟化处理器模型和虚拟外部设备模型。

最后，对虚拟目标机进行封装并接入基于DDS的分布式协同仿真框架，提供数据通信接口、控制接口和时间同步接口，包括init(初始化)、step(单步运行)、run(运行)、stop(停止)、transfer(传输)、 heartbeat_signal(同步心跳信号)等。

第二步、通信协议模拟器模型封装具体包括：

首先，通信协议模拟器构建。根据配置项软件的通信接口，构建相应的通信协议模拟器，包括测试监控、用例设计、脚本标记、结果解析等功能组件。

其次，通信协议模拟器封装并接入基于DDS的分布式协同仿真框架。通信协议模拟器包括非周期消息和周期消息，提供数据通信接口、控制接口和时间同步接口，包括init(初始化)、step(单步运行)、run (运行)、stop(停止)、transfer(传输)、heartbeat_signal(同步心跳信号)等。

第三步、数据对象定义具体包括：

首先，获取虚拟目标机和通信协议模拟器的接口类型，解析通信协议

其次，根据接口类型进行数据对象定义，包括UART_Data、1553B_Data、CAN_Data、IO_Data、RS422_Data、RS485_Data、AD_Data 等。

最后，针对数据对象创建相应的主题，绑定数据写入者和数据读取者并设置QoS策略。

第四步、虚拟目标机与通信协议模拟器数据通信具体包括：

首先，定义复杂嵌入式软件系统中不同配置项软件和场景的数据域，虚拟目标机和通信协议模拟器在同一个域中进行通信。

其次，将虚拟目标机和通信协议模拟器的对外交互接口与主题进行绑定。

然后，在QoS策略控制下建立连接，实现点对点、点对多、多对多等数据通信方式。

最后，实现新接入节点的自动发现和数据同步。

第五步、虚拟目标机与通信协议模拟器多节点时间同步具体包括：

首先，设置同步参数并驱动虚拟目标机和通信协议模拟器等节点运行。

其次，获取虚拟目标机运行时钟和通信协议模拟器运行时钟。

然后，计算时间误差，发送同步信号，控制虚拟目标机和通信协议模拟器运行状态。

最后，消除误差后，进行数据同步并修正时间同步参数，迭代以上步骤，逐步实现多节点同步运行。

第六步、系统特征状态采集与分析具体包括：

首先，定义系统级测试充分性准则并进行系统特征状态定义和描述。

其次，生成系统级组合测试用例，在系统级仿真测试环境中运行测试用例并采集数据

然后，结合系统级测试充分性准则进行测试数据分析，包括特征状态覆盖、特征状态组合覆盖、特征状态逻辑组合覆盖等。

最后，根据分析结果，重新设计测试用例、运行并采集数据，逐步提高系统级测试充分性。

图2为虚拟目标机与通信协议模拟器数据空间定义，对于本发明实施例的虚拟目标机与通信协议模拟器的数据交换：虚拟目标机与通信协议模拟器数据交换以底层DDS分布式协同仿真框架为核心，通过对复杂嵌入式系统的目标机环境和外部通信接口进行分析，根据系统组成结构定义全局数据空间和数据对象，创建与数据对象对应的主题。

图3为虚拟目标机与通信协议模拟器通信结构，定义虚拟目标机和通信协议模拟器进行数据通信的域，将定义好的主题与数据写入者和数据读取者进行绑定，在QoS策略控制下建立节点间的通信连接，实现虚拟目标机和通信协议模拟器间点对点、点对多、多对多的通信方式，自动发现新接入的节点并同步通信数据，从而实现系统中虚拟目标机与通信协议模拟器间的数据交换。

对于虚拟目标机与通信协议模拟器节点时间同步方法的一实施例：

图4为虚拟目标机与通信协议模拟器时间同步过程，虚拟目标机与通信模拟器多节点时间同步是保证系统级仿真测试环境正确运行的核心功能，系统控制模块通过设置仿真步长t和同步阈值t_val等时间同步参数，进行多节点时间管理。系统控制模块按照设置的仿真步长驱动虚拟目标机和通信协议模拟器运行，当通信协议模拟器反馈定时相关消息时，系统控制模块获取虚拟目标机的仿真时钟T0和通信协议模拟器的系统时钟T1，计算节点间的时间误差T，达到同步阈值时缓存通信数据并进行节点间时间同步，同步完成后重新发送缓存数据，通过时间同步算法计算得到修正参数Δ，基于此调整仿真步长t 和同步阈值t_val，继续驱动虚拟目标机和通信协议模拟器运行，逐步实现节点间的时间同步。

对于系统级特征状态采集与分析：图5为系统级特征状态采集与分析过程，系统级特征状态采集与分析包含三部分：首先，进行系统特征状态定义与描述，从属性、数据、约束等方面对系统特征状态进行分析；其次，设计基于系统特征状态组合的测试用例；最后，基于系统级仿真测试环境运行测试用例，通过运行状态监控采集系统测试结果数据并对结果数据进行分析和优化。

本发明提出的一种基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法具有如下特点：

1)采用指令集仿真技术和可配置的通信协议模拟技术，构建虚拟目标机模型和通信协议模拟器模型，对虚拟目标机和通信协议模拟器进行封装，为系统级仿真测试环境提供基础组件。

2)采用DDS作为底层通信组件，实现分布式协同仿真总线，封装虚拟目标机和通信协议模拟器模型并动态接入仿真总线，定义通信数据对象，解决仿真节点的数据通信和时间同步问题，完成基于DDS 的系统级仿真测试环境的构建。

3)实现系统特征状态采集与分析功能，对系统特征进行定义和描述，基于特征状态组合生成测试用例，在系统级仿真测试环境上运行测试用例，采集测试结果数据并进行分析，根据结果进行系统特征状态覆盖性统计分析，从而提高系统级测试充分性。

本发明给出了一种基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法，该方法首先采用指令集仿真技术和可配置的通信协议模拟技术构建虚拟目标机和通信协议模拟器模型；其次，基于DDS实现分布式系统仿真总线，对虚拟目标机和通信协议模拟器模型进行封装并定义通信数据对象，建立节点间的通信连接，实现虚拟目标机和通信协议模拟器的数据交换；然后，通过基于时间的管理服务，驱动虚拟目标机与通信协议模拟器运行，节点间时间误差超过同步阈值时进行时间同步，实现高精准度的系统级仿真测试环境；最后，基于此系统级仿真测试环境设计测试用例并运行，进行系统特征状态采集与分析，为系统级测试提供有效的支撑手段。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法，其特征在于，包括：

构建指令集仿真模型，结合虚拟外围设备模型为系统级仿真测试环境构建虚拟目标机模型；采用插件方式构建基于可配置通信协议的通信协议模拟器模型，根据测试需要选择通信协议模拟器模型的组件；

定义虚拟目标机模型和通信协议模拟器模型间的通信数据对象，根据DDS的数据规范进行封装，绑定数据写入者和数据读取者，进行虚拟目标机模型与通信协议模拟器模型间所有通信接口数据的覆盖；

基于DDS分布式协同仿真总线动态接入虚拟目标机模型和通信协议模拟器模型，建立通信连接，将虚拟目标机模型和通信协议模拟器模型与主题绑定，设置通信方式进行数据交换；

进行虚拟目标机模型与通信协议模拟器模型多节点时间同步；

进行系统特征状态采集与分析；

其中，进行虚拟目标机模型与通信协议模拟器模型多节点时间同步包括：

基于DDS分布式协同仿真总线建立虚拟目标机模型和通信协议模拟器模型的连接，构建系统级仿真测试环境，由系统控制模块驱动虚拟目标机模型和通信协议模拟器模型运行，监控不同节点间的时间误差，按照预设的同步阈值进行多节点时间同步，然后修正驱动步长和同步阈值，逐步实现虚拟目标机模型与通信协议模拟器模型的时间同步；

或者

首先，设置同步参数并驱动虚拟目标机模型和通信协议模拟器模型节点运行；

其次，获取虚拟目标机模型运行时钟和通信协议模拟器模型运行时钟；

然后，计算时间误差，发送同步信号，控制虚拟目标机模型和通信协议模拟器模型运行状态；

消除误差后，进行数据同步并修正时间同步参数，以逐步实现多节点同步运行；

进行系统特征状态采集与分析包括：

定义和描述系统特征状态，设计系统级测试用例，在基于DDS的系统级仿真测试环境中运行测试用例，采集测试结果并进行数据分析，提高系统级测试充分性；

或者

定义系统级测试充分性准则并进行系统特征状态定义和描述；

生成系统级组合测试用例，在系统级仿真测试环境中运行测试用例并采集数据；

结合系统级测试充分性准则进行测试数据分析，包括特征状态覆盖、特征状态组合覆盖以及特征状态逻辑组合覆盖；

测试数据分析结果，重新设计测试用例，并运行并采集数据。

2.如权利要求1所述的基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法，其特征在于，构建虚拟目标机模型包括：

对真实目标机进行虚拟化仿真，生成虚拟处理器和虚拟外部设备，封装虚拟处理器和虚拟设备，并提供DDS分布式仿真总线的数据通信接口、控制接口和时间同步接口。

3.如权利要求1所述的基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法，其特征在于，通信协议模拟器模型的组件包括：测试监控器、用例设计器、脚本编辑器、脚本引擎、数据记录器、结果解析器以及测试模拟器。

4.如权利要求1所述的基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法，其特征在于，虚拟目标机模型的封装包括：

分析真实目标机组成结构，获取处理器和外部设备相关信息；

采用指令集仿真和通用外部设备仿真构建虚拟化处理器模型和虚拟外部设备模型；

对虚拟目标机进行封装并接入基于DDS的分布式协同仿真框架，提供数据通信接口、控制接口和时间同步接口。

5.如权利要求1所述的基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法，其特征在于，对于虚拟目标机模型与通信协议模拟器模型的数据通信包括：

首先，定义复杂嵌入式软件系统中不同配置项软件和场景的数据域，虚拟目标机模型和通信协议模拟器模型在同一个域中进行通信；

其次，将虚拟目标机模型和通信协议模拟器模型的对外交互接口与主题进行绑定；

然后，在QoS策略控制下建立连接，实现点对点、点对多以及多对多的数据通信。

6.如权利要求1所述的基于DDS的系统级仿真测试环境构建方法，其特征在于，采用LLVM即时编译框架进行国产指令集的仿真加速，构建指令集仿真模型。

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