嵌入式開(kāi)發(fā)中的C語(yǔ)言測(cè)試案例解析

思維再縝密的程序員也不可能編寫(xiě)完全無(wú)缺陷的C語(yǔ)言程序，測(cè)試的目的正是盡可能多的發(fā)現(xiàn)這些缺陷并改正。這里說(shuō)的測(cè)試，是指程序員的自測(cè)試。前期的自測(cè)試能夠更早的發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，相應(yīng)的修復(fù)成本也會(huì)很低，如果你不徹底測(cè)試自己的代碼，恐怕你開(kāi)發(fā)的就不只是代碼，可能還會(huì)聲名狼藉。

優(yōu)質(zhì)嵌入式C程序跟優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)元素關(guān)系密切，可以將函數(shù)作為基礎(chǔ)元素，我們的測(cè)試正是從最基本的函數(shù)開(kāi)始。判斷哪些函數(shù)需要測(cè)試需要一定的經(jīng)驗(yàn)積累，雖然代碼行數(shù)跟邏輯復(fù)雜度并不成正比，但如果你不能判斷某個(gè)函數(shù)是否要測(cè)試，一個(gè)簡(jiǎn)單粗暴的方法是：當(dāng)函數(shù)有效代碼超過(guò)20行，就測(cè)試它。

程序員對(duì)自己的代碼以及邏輯關(guān)系十分清楚，測(cè)試時(shí)，按照每一個(gè)邏輯分支全面測(cè)試。很多錯(cuò)誤發(fā)生在我們認(rèn)為不會(huì)出錯(cuò)的地方，所以即便某個(gè)邏輯分支很簡(jiǎn)單，也建議測(cè)試一遍。第一個(gè)原因是我們自己看自己的代碼總是不容易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，而測(cè)試能暴露這些錯(cuò)誤；另一方面，語(yǔ)法正確、邏輯正確的代碼，經(jīng)過(guò)編譯器編譯后，生成的匯編代碼很可能與你的邏輯相差甚遠(yuǎn)。

比如我們前文提及的使用volatile以及不使用volatile關(guān)鍵字編譯后生成的匯編代碼，再比如我們用低優(yōu)化級(jí)別編譯和使用高優(yōu)化級(jí)別編譯后生成的匯編代碼，都可能相差很大，實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，可以暴漏這些隱含錯(cuò)誤。最后，雖然可能性極小，編譯器本身也可能有BUG，特別是構(gòu)造復(fù)雜表達(dá)式的情況下（應(yīng)極力避免復(fù)雜表達(dá)式）。

1 使用硬件調(diào)試器測(cè)試

使用硬件調(diào)試器（比如J-link）測(cè)試是最通用的手段。可以單步運(yùn)行、設(shè)置斷點(diǎn)，可以很方便的查看當(dāng)前寄存器、變量的值。在尋找缺陷方面，使用硬件調(diào)試器測(cè)試是最簡(jiǎn)單卻又最有效的手段。

硬件調(diào)試器已經(jīng)在公司普遍使用，這方面的測(cè)試不做介紹，想必大家都已經(jīng)很熟悉了。

2 有些缺陷很難纏

就像沒(méi)有一種方法能完美解決所有問(wèn)題，在實(shí)際項(xiàng)目中，硬件調(diào)試器也有難以觸及的地方。可以舉幾個(gè)例子說(shuō)明：

使用了比較大的協(xié)議棧，需要跟進(jìn)到協(xié)議棧內(nèi)部調(diào)試的缺陷

比如公司使用lwIP協(xié)議棧，如果跟蹤數(shù)據(jù)的處理過(guò)程，需要從接收數(shù)據(jù)開(kāi)始一直到應(yīng)用層處理數(shù)據(jù)，之間會(huì)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)層、IP層、TCP層和應(yīng)用層，會(huì)經(jīng)過(guò)十幾個(gè)文件幾十個(gè)函數(shù)，使用硬件調(diào)試器跟蹤費(fèi)時(shí)費(fèi)力；

具有隨機(jī)性的缺陷

有一些缺陷，可能是不定時(shí)出現(xiàn)的，有可能是幾分鐘出現(xiàn)，也有可能是幾個(gè)小時(shí)甚至幾天才出現(xiàn)，像這樣的缺陷很難用硬件調(diào)試器捕捉到；

需要外界一系列有時(shí)間限制的輸入條件觸發(fā)，但這一過(guò)程中有缺陷

比如我們用組合鍵來(lái)完成某個(gè)功能，規(guī)定按下按鍵1不小于3秒后松開(kāi)，然后在6秒內(nèi)分別按下按鍵2、按鍵3、按鍵4這三個(gè)按鍵來(lái)執(zhí)行我們的特定程序，要測(cè)試類(lèi)似這種過(guò)程，硬件調(diào)試器很難做到；

除了測(cè)試缺陷需要，有時(shí)候我們?cè)谧龇€(wěn)定性測(cè)試時(shí)，需要知道軟件每時(shí)每刻運(yùn)行到那些分支、執(zhí)行了哪些操作、我們關(guān)心的變量當(dāng)前值是什么等等，這些都表明，我們還需要一種和硬件調(diào)試器互補(bǔ)的測(cè)試手段。

這個(gè)測(cè)試手段就是在程序中增加額外調(diào)試語(yǔ)句，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，通過(guò)這些調(diào)試語(yǔ)句將運(yùn)行信息輸出到可以方便查看的設(shè)備上，可以是PC機(jī)、LCD顯示屏、存儲(chǔ)卡等等。

以串口輸出到PC機(jī)為例，下面提供完整的測(cè)試思路。在此之前，我們先對(duì)這種測(cè)試手段提一些要求：

必須簡(jiǎn)單易用

我們?cè)诔鯇W(xué)C語(yǔ)言的時(shí)候，都接觸過(guò)printf函數(shù)，這個(gè)函數(shù)可以方便的輸出信息，并可以將各種變量格式化為指定格式的字符串，我們應(yīng)當(dāng)提供類(lèi)似的函數(shù)；

調(diào)試語(yǔ)句必須方便的從代碼中移除

在編碼階段，我們可能會(huì)往程序中加入大量的調(diào)試語(yǔ)句，但是程序發(fā)布時(shí)，需要將這些調(diào)試語(yǔ)句從代碼中移除，這將是件恐怖的過(guò)程。我們必須提供一種策略，可以方便的移除這些調(diào)試語(yǔ)句。

2.1簡(jiǎn)單易用的調(diào)試函數(shù)

使用庫(kù)函數(shù)printf。以MDK為例，方法如下：

I>初始化串口

II>重構(gòu)fputc函數(shù)，printf函數(shù)會(huì)調(diào)用fputc函數(shù)執(zhí)行底層串口的數(shù)據(jù)發(fā)送。

III> 在Options for Targer窗口，Targer標(biāo)簽欄下，勾選Use MicroLIB前的復(fù)選框以便避免使用半主機(jī)功能。（注：標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)printf函數(shù)默認(rèn)開(kāi)啟半主機(jī)功能，如果非要使用標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)，請(qǐng)自行查閱資料）

構(gòu)建自己的調(diào)試函數(shù)

使用庫(kù)函數(shù)比較方便，但也少了一些靈活性，不利于隨心所欲的定制輸出格式。自己編寫(xiě)類(lèi)似printf函數(shù)則會(huì)更靈活一些，而且不依賴(lài)任何編譯器。下面給出一個(gè)完整的類(lèi)printf函數(shù)實(shí)現(xiàn)，該函數(shù)支持有限的格式參數(shù)，使用方法與庫(kù)函數(shù)一致。

同庫(kù)函數(shù)類(lèi)似，該也需要提供一個(gè)底層串口發(fā)送函數(shù)（原型為：int32_t UARTwrite(const uint8_t *pcBuf, uint32_t ulLen)），用來(lái)發(fā)送指定數(shù)目的字符，并返回最終發(fā)送的字符個(gè)數(shù)。

?

?

 #include                /*支持函數(shù)接收不定量參數(shù)*/  
 const char * const g_pcHex = "0123456789abcdef";
 /** 
 * 簡(jiǎn)介:   一個(gè)簡(jiǎn)單的printf函數(shù),支持\%c, \%d, \%p, \%s, \%u,\%x, and \%X. 
 */  
 void UARTprintf(const uint8_t *pcString, ...)  
 {
     uint32_t ulIdx;
     uint32_t ulValue;       //保存從不定量參數(shù)堆棧中取出的數(shù)值型變量  
     uint32_t ulPos, ulCount;
     uint32_t ulBase;        //保存進(jìn)制基數(shù),如十進(jìn)制則為10,十六進(jìn)制數(shù)則為16  
     uint32_t ulNeg;         //為1表示從變量為負(fù)數(shù)  
     uint8_t *pcStr;         //保存從不定量參數(shù)堆棧中取出的字符型變量  
     uint8_t pcBuf[32];      //保存數(shù)值型變量字符化后的字符  
     uint8_t cFill;          //'%08x'->不足8個(gè)字符用'0'填充,cFill='0';    
                             //'%8x '->不足8個(gè)字符用空格填充,cFill=' '  
     va_list vaArgP;
     va_start(vaArgP, pcString);
     while(*pcString)
     {
         // 首先搜尋非%核字符串結(jié)束字符  
         for(ulIdx = 0; (pcString[ulIdx] != '%') && (pcString[ulIdx] != ''); ulIdx++)
         { }
         UARTwrite(pcString, ulIdx);
         pcString += ulIdx;
         if(*pcString == '%')
         {
             pcString++;
             ulCount = 0;
             cFill = ' ';
 again:
             switch(*pcString++)
             {
                 case '0': case '1': case '2': case '3': case '4':
                 case '5': case '6': case '7': case '8': case '9':
                 {
                     // 如果第一個(gè)數(shù)字為0, 則使用0做填充,則用空格填充)  
                     if((pcString[-1] == '0') && (ulCount == 0))
                     {
                         cFill = '0';
                     }
                    ulCount *= 10;
                    ulCount += pcString[-1] - '0';
                    goto again;
                 }
                 case 'c':
                 {
                     ulValue = va_arg(vaArgP, unsigned long);
                     UARTwrite((unsigned char *)&ulValue, 1);
                     break;
                 }
                 case 'd':
                 {
                     ulValue = va_arg(vaArgP, unsigned long);
                     ulPos = 0;
                     if((long)ulValue < 0)
                     {
                         ulValue = -(long)ulValue;
?????????????????????????ulNeg?=?1;
                     }
                     else  
                     {
                         ulNeg = 0;
                     }
                     ulBase = 10;
                     goto convert;
                 }
                 case 's':
                 {
                     pcStr = va_arg(vaArgP, unsigned char *);
                     for(ulIdx = 0; pcStr[ulIdx] != ''; ulIdx++)
                     {
                     }
                     UARTwrite(pcStr, ulIdx);
                     if(ulCount > ulIdx)
                     {
                         ulCount -= ulIdx;
                         while(ulCount--)
                         {
                             UARTwrite(" ", 1);
                         }
                     }
                     break;
                 }
                 case 'u':
                 {
                     ulValue = va_arg(vaArgP, unsigned long);
                     ulPos = 0;
                     ulBase = 10;
                     ulNeg = 0;
                     goto convert;
                 }
                 case 'x': case 'X': case 'p':
                 {
                     ulValue = va_arg(vaArgP, unsigned long);
                     ulPos = 0;
                     ulBase = 16;
                     ulNeg = 0;
          convert:   //將數(shù)值轉(zhuǎn)換成字符  
                     for(ulIdx = 1; (((ulIdx * ulBase) <= ulValue) &&(((ulIdx * ulBase) / ulBase) == ulIdx)); ulIdx *= ulBase, ulCount--)
                     { }
                     if(ulNeg)
                     {
                         ulCount--;
                     }
                     if(ulNeg && (cFill == '0'))
                     {
                         pcBuf[ulPos++] = '-';
                         ulNeg = 0;
                     }
                     if((ulCount > 1) && (ulCount < 16))
                     {
                         for(ulCount--; ulCount; ulCount--)
                         {
                             pcBuf[ulPos++] = cFill;
                         }
                     }
                     if(ulNeg)
                     {
                         pcBuf[ulPos++] = '-';
                     }
                     for(; ulIdx; ulIdx /= ulBase)
                     {
?????????????????????????pcBuf[ulPos++]?=?g_pcHex[(ulValue?/?ulIdx)%?ulBase];
                     }
                     UARTwrite(pcBuf, ulPos);
                     break;
                 }
                 case '%':
                 {
                     UARTwrite(pcString - 1, 1);
                     break;
                 }
                 default:
                 {
                     UARTwrite("ERROR", 5);
                     break;
                 }
             }
         }
     }
     //可變參數(shù)處理結(jié)束  
     va_end(vaArgP);
 }

2.2對(duì)調(diào)試函數(shù)進(jìn)一步封裝

上文說(shuō)到，我們?cè)黾拥恼{(diào)試語(yǔ)句應(yīng)能很方便的從最終發(fā)行版中去掉，因此我們不能直接調(diào)用printf或者自定義的UARTprintf函數(shù)，需要將這些調(diào)試函數(shù)做一層封裝，以便隨時(shí)從代碼中去除這些調(diào)試語(yǔ)句。參考方法如下：

在我們編碼測(cè)試期間，定義宏MY_DEBUG，并使用宏MY_DEBUGF（注意比前面那個(gè)宏多了一個(gè)‘F’）輸出調(diào)試信息。經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，宏MY_DEBUGF(message)會(huì)被UARTprintf message代替，從而實(shí)現(xiàn)了調(diào)試信息的輸出；當(dāng)正式發(fā)布時(shí)，只需要將宏MY_DEBUG注釋掉，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后，所有MY_DEBUGF(message)語(yǔ)句都會(huì)被空格代替，而從將調(diào)試信息從代碼中去除掉。

編輯：黃飛

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