实时控制软件的质量控制（1）

实时控制软件的质量控制（1）

陈志才 （转载自计算机世界网）

 

　　如何确保嵌入式实时控制软件的质量?对这类软件的生产过程如何进行有效的质量控制?这是一个重要的研究课题。为解决软件危机而产生和发展起来的软件工程成功地解决了软件开发中存在的许多问题。它不仅对软件开发、设计和生产有直接影响，而且对提高软件质量有显著成效。实践表明，使用软件工程方法，可达到一般的质量要求。但当软件质量要求更高时，则必须在实施软件工程的同时，采取一些专门的可靠性工程技术和方法，以保证需求的可靠性。

　　软件工程是指按照工程的规律来组织软件的生产与开发。软件工程化要求以软件质量控制为核心，紧紧抓住软件生产方法、需求分析、软件设计、软件生产工具、测试、验证与确认、评审和管理等8个主要环节(图1)。

软件生产方法

　　软件是产品。从产品的意义上说，所谓软件开发应为软件生产。软件应采用工程化、结构化和规范化方法进行生产。软件工程化是指使用软件工程的理论、技术、要求和管理等来规范软件开发过程中的全部活动。硬件生产已有一套成熟的工程化方法，软件要向硬件学习，使软件硬化，把软件看作是软件工厂中的产品。

　　软件规范化是指在软件生存周期中，软件的生产活动必须严格遵循各项软件规范和标准。经验证明，没有规范就没有产品，也就没有软件。执行规范必须动真格。执行规范工作量是大些(工作量主要在文档、审查、验证、评审和管理上)，但受益却是明显的。由于软件开发过程规范提高了软件质量，这样不仅减轻了损失，而且还促进了软件的生产进度，提高了软件的生产率。

　　软件结构化是指软件生产过程中采用了结构化分析和结构化设计方法。

软件需求分析

　　软件需求分析的目的是使软件设计人员和用户之间进行全面和深入的沟通，以明确用户所需的究竟是一种什么样的软件。需沟通的主要内容有：将要开发的软件所涉及的概念、定义、目标、指标、功能、控制逻辑、算法、环境、时序、执行过程和特点等。通过需求分析产生的软件规格说明书是此后软件设计、调试和测试工作的基础，是软件评审、鉴定和验收的依据之一。因此，需求分析是软件生产中的一个首要步骤。一份软件规格说明书的质量优劣，一方面取决于需要分析深入的程度，另一方面取决于系统分析员刻画软件需求的正确性、完整性、合理性和一致性达到的程度。

　　众所周知，软件怕修改，更怕需求变更。原因在于：

　　·软件修改的工作量大，关键软件的任何修改，必须经历一个调试、测试、验证与确认的步骤。

　　·花费的代价高，经试验考核过的软件，又要更改软件需求，即使是只改了一个参数，也需要对更改的软件作重复考核。有的实时控制系统一次试验的代价是相当大的。

　　·软件修改的牵涉面广，往往有牵一发而动全身的问题。尤其是由多个分系统组成的系统 (例如军事指挥的C3I系统)，任何·一项修改均要考虑是否会影响其他的分系统。

　　软件可靠性需求分析要求全面、细致和深入。

　　不难看出，软件需求分析的过程，也是软件设计方案的酝酿过程。通过分析应得出用户需求的正确性、合理性和完整性的结论；同时，也应得出软件付诸实现的可行性、可靠性和安全性的结论。软件需求分析的衔接关系见图2。

软件设计

　　软件也和硬件一样，它的质量是设计出来的，生产出来的。其中，设计对软件质量具有关键性的影响。设计的重要性可从图3看出，其中(a)为经历了设计步骤后的效果，在软件使用和维修阶段，软件的问题少；反之，(b)为跳过设计步骤，到了使用和维修阶段，软件问题成堆，到了不可收拾的地步。基于这种情况，应强调：软件设计未完成，不得转入软件编码阶段。

　　良好的软件设计与所采用的软件设计方法、设计工具和设计准则有关。软件设计方法主要有面向数据流的设计、面向对象的设计和面向数据的设计方法等。这些方法均有其优缺点和不同的应用领域。目前，大多数嵌入式的实时控制软件使用的是面向数据流的设计方法。该方法的目标是以一种全局的软件观点和体系结构设计的角度派生出程序结构。

　　面向数据流的设计又称为结构化设计。它强调模块化、层次化和自顶向下等设计思想。这些思想的根本目的是对复杂问题的解决采用一个简化过程以获得满意的答案。通过这种简化，纵有千头万绪也能理得清清楚楚。一个设计准则是要将复杂的问题简化，切忌将简单的问题复杂化。好的程序设计语言，无疑对设计高质量的软件是有益的。例如，Ada语言，与一般语言比较，它所特有的一些语言成分旨在突出软件可靠性和安全性，便于软件维护，便于实行程序的层次式管理和提高程序的易读性、高效性等。

　　软件可靠性设计主要将软件的检错、避错、容错和异常处理技术灌输到软件设计中去，设计时应处处关心：

　　·控制逻辑的完整性；
　　·软件与硬件、软件与软件界面之间的协调性；
　　·人机交互的有效性；
　　·信息交换的正确性；
　　·设备控制的安全性；
　　·时序控制的合理性；
　　·数学运算中变量定义域的合法性。

软件生产工具

　　软件生产的主要工具是软件试验台(Software Testbed) 或软件开发平台。在软件需求分析的同时，就要考虑到这类软件开发环境的创造。它应满足下列要求：

　　(1)它的组成、结构、性能、功能和工作的方式与状态，力求与实际系统一致。优点是：

　　·它与实际系统出现的故障现象是一样的，便于故障隔离。
　　·软件试验台与实际系统的软件可彼此互相复制，便于软件开发过程交替上升。
　　·具有互补性，试验台有局限性的问题可在实际系统解决；实际系统上有困难的，代价太大的检测活动可在试验台上进行。

　　(2)配上多媒体工作站，提供软件测试过程中综合信息的显示和生产真实工作环境中的音响效果。

　　(3)配备实时数据采集器。

　　(4)能支持实时与非实时两种运行方式的调试活动。

　　软件试验台是辅助软件调试、测试、试验和验证的重要工具。在某种程度上可以得出这样的结论：没有软件试验台就不能顺利地开发出实时控制系统软件。原因在于：

　　(1)这类复杂的软件在实际系统上开发是不可能的，其代价太大，效率太低，效果太差。

　　(2)软件开发是个做细致研究、分析和不断探索的过程，软件试验台能适应这种工作方式。

　　(3)它是软件编程、调试、测试、集成和试验的综合环境。

　　(4)它是支持软件原型化开发方法的重要手段。

　　一般来说，实时控制系统软件的第一个原型是在软件试验台上开发出来的。有了软件原型，就有了与用户深入讨论、分析和确认软件需求的基础。实践证明，经过软件试验台测试通过的软件，基本上能用于实际实时控制系统的系统联调、测试、试验和系统验收。