基于動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯技術(shù)的數(shù)管軟件虛擬測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)

，，，

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

0 引言

數(shù)管分系統(tǒng)(OBDH)是航天器的信息處理中心，分系統(tǒng)軟件承擔(dān)數(shù)據(jù)流控制和自主管理等功能[1]，是關(guān)鍵的星載軟件之一，需要進(jìn)行充分的測(cè)試驗(yàn)證。傳統(tǒng)的數(shù)管軟件測(cè)試環(huán)境由星上設(shè)備和地面測(cè)試設(shè)備組成[2]，包括：數(shù)管計(jì)算機(jī)、供電設(shè)備、專用地面測(cè)試設(shè)備、專用測(cè)試軟件、總線仿真設(shè)備及其軟件。這種實(shí)物測(cè)試環(huán)境可以為數(shù)管軟件運(yùn)行提供真實(shí)的平臺(tái)，但存在以下幾方面問題：1)硬件依賴性強(qiáng)，在星載計(jì)算機(jī)完成調(diào)試之前，無法進(jìn)行星載軟件的測(cè)試工作；2)地檢設(shè)備多、研制周期長(zhǎng)，存在地檢設(shè)備延期交付影響軟件測(cè)試進(jìn)度的風(fēng)險(xiǎn)；3)測(cè)試軟件分散，難以有效監(jiān)視系統(tǒng)所有的數(shù)據(jù)流變化；4)測(cè)試過程中不能記錄軟件內(nèi)部行為，不利于測(cè)試問題的排查定位。

為擺脫實(shí)物測(cè)試環(huán)境的限制，國(guó)外航天領(lǐng)域?qū)⑻摂M測(cè)試環(huán)境應(yīng)用在星載軟件開發(fā)中。NASA委托Triakis公司開發(fā)了通用虛擬系統(tǒng)模擬器開發(fā)工具IcoSim[3]，使用IcoSim為數(shù)十個(gè)航空航天項(xiàng)目創(chuàng)建了虛擬測(cè)試環(huán)境，在虛擬環(huán)境上進(jìn)行軟件的測(cè)試驗(yàn)證工作。ESA將虛擬測(cè)試環(huán)境技術(shù)應(yīng)用于歐空局地面控制中心[4]，利用虛擬機(jī)模擬真實(shí)目標(biāo)機(jī)并運(yùn)行星載軟件，用于地面飛行任務(wù)訓(xùn)練；同時(shí)將模擬器應(yīng)用于軟件開發(fā)、確認(rèn)測(cè)試和在軌維護(hù)中，其開發(fā)的SPARC模擬器TSIM在Ariane-5，PROBA-2等項(xiàng)目的軟件研制中發(fā)揮了重要作用。

我國(guó)航天領(lǐng)域近年來對(duì)虛擬測(cè)試環(huán)境也開展了研究，主要集中在第三方評(píng)測(cè)領(lǐng)域[5]，仍處于起步階段，沒有形成通用的、有效的虛擬環(huán)境解決方案和虛擬環(huán)境產(chǎn)品。虛擬測(cè)試環(huán)境對(duì)星載軟件調(diào)試手段的支持以及對(duì)新型星載處理器的支持尚不夠完善。

本文針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)管軟件實(shí)物測(cè)試環(huán)境的不足，設(shè)計(jì)和構(gòu)建了基于動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯技術(shù)的虛擬測(cè)試環(huán)境，基于廣泛應(yīng)用的QEMU模擬器，添加星載處理器的支持以及外圍設(shè)備的模擬，補(bǔ)充目標(biāo)碼指令跟蹤記錄功能，對(duì)星載數(shù)據(jù)流集中仿真和實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了在虛擬平臺(tái)下完成數(shù)管軟件的跟蹤調(diào)試、測(cè)試工作，集中記錄系統(tǒng)狀態(tài)變化，解決了實(shí)物測(cè)試環(huán)境對(duì)軟件調(diào)試、測(cè)試工作的制約，提高星載軟件開發(fā)效率。

1 動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯技術(shù)及QEMU模擬器

動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯技術(shù)是一種即時(shí)編譯技術(shù)，它將源體系結(jié)構(gòu)的二進(jìn)制機(jī)器指令動(dòng)態(tài)翻譯為可在目的體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行的代碼[6]。QEMU是一款基于動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯技術(shù)、開源的高性能模擬器[7-8]，能夠支持包括X86、ARM、MIPS和SPARC等多種目標(biāo)架構(gòu)的模擬。

QEMU作為一個(gè)用戶進(jìn)程運(yùn)行于宿主操作系統(tǒng)之上，以基本塊為單位進(jìn)行二進(jìn)制指令翻譯執(zhí)行。基本塊是一組順序執(zhí)行的指令序列，以控制轉(zhuǎn)移指令結(jié)尾，只有一個(gè)入口和一個(gè)出口。如圖1所示，動(dòng)態(tài)翻譯器會(huì)把對(duì)基本塊翻譯和優(yōu)化的結(jié)果緩存起來，再次執(zhí)行該基本塊時(shí)，就可以執(zhí)行預(yù)存起來的翻譯后的代碼。模擬器開始執(zhí)行時(shí)，首先從翻譯緩存中查找對(duì)應(yīng)的翻譯塊，為提高查找效率，QEMU將最近使用的翻譯塊存放在一個(gè)哈希表中。如果基本塊不在翻譯緩沖中(該基本塊尚未被翻譯或已經(jīng)從緩沖中移除)，則啟動(dòng)基本塊翻譯過程。讀取基本塊目標(biāo)指令，生成中間操作序列，翻譯器將中間序列轉(zhuǎn)換為宿主機(jī)器代碼，并存放在翻譯緩存中。物理處理器每執(zhí)行完一條指令都會(huì)進(jìn)行中斷檢查，對(duì)于QEMU，每執(zhí)行完一次基本塊會(huì)進(jìn)行一次中斷響應(yīng)檢查。

圖1 動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯執(zhí)行流程

2 虛擬測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)管計(jì)算機(jī)硬件配置，在虛擬測(cè)試環(huán)境中實(shí)現(xiàn)星載數(shù)管軟件運(yùn)行所必需的環(huán)境支持，首先要解決在開發(fā)主機(jī)環(huán)境下運(yùn)行星載處理器架構(gòu)下可執(zhí)行二進(jìn)制代碼的問題。本虛擬環(huán)境基于QEMU中的動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯技術(shù)，將被測(cè)試系統(tǒng)的可執(zhí)行二進(jìn)制代碼動(dòng)態(tài)翻譯為本地可執(zhí)行的代碼，在翻譯過程中增加可執(zhí)行代碼的跟蹤記錄以增強(qiáng)調(diào)試功能；其次，實(shí)現(xiàn)數(shù)管計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的虛擬仿真，為星載軟件運(yùn)行提供數(shù)據(jù)激勵(lì)。對(duì)1553B總線等復(fù)雜的外部設(shè)備接口，采用數(shù)據(jù)解析的方法，融合終端應(yīng)用功能，對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行仿真；最后，采用統(tǒng)一存儲(chǔ)、分層處理的方法對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)差異記錄，提高星載軟件測(cè)試狀態(tài)的監(jiān)視效率。

2.1 虛擬測(cè)試環(huán)境的組織結(jié)構(gòu)

數(shù)管軟件虛擬測(cè)試環(huán)境以QEMU模擬器為基礎(chǔ)，包括星載處理器模擬模塊、外圍設(shè)備模擬及數(shù)據(jù)流仿真模塊，數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊以及指令跟蹤記錄模塊，組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)管軟件虛擬測(cè)試環(huán)境結(jié)構(gòu)圖

星載處理器模擬模塊是整個(gè)虛擬測(cè)試環(huán)境的核心，負(fù)責(zé)運(yùn)行星載軟件可執(zhí)行二進(jìn)制代碼，將執(zhí)行記錄傳到指令跟蹤記錄模塊保存，同時(shí)通過中斷和IO處理指令與外圍設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；外圍設(shè)備模擬及數(shù)據(jù)流仿真模塊實(shí)現(xiàn)外設(shè)接口的模擬以及數(shù)據(jù)流的仿真，為數(shù)管軟件運(yùn)行提供數(shù)據(jù)激勵(lì)，接收軟件輸出數(shù)據(jù)，并傳到數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊處理；數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)對(duì)計(jì)算機(jī)所有輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)分析，實(shí)時(shí)反映星載軟件的狀態(tài)變化，是星載軟件測(cè)試的直接操作界面；指令跟蹤記錄模塊提供處理器已執(zhí)行指令的存儲(chǔ)和查詢功能，補(bǔ)充了QEMU的調(diào)試接口能力，為軟件調(diào)試提供更多的手段。

2.2 星載處理器模擬及指令跟蹤記錄

本文所述在QEMU中增加星載處理器模擬的工作，主要包括對(duì)星載處理器特性參數(shù)的定義和系統(tǒng)寄存器的處理。根據(jù)動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯技術(shù)的特點(diǎn)和星載數(shù)管軟件運(yùn)行的實(shí)際需要，星載處理器模擬模塊只對(duì)物理處理器的部分功能進(jìn)行仿真模擬。

QEMU為每個(gè)支持的虛擬處理器設(shè)置了一組特性參數(shù)，包括處理器名稱、IU版本號(hào)、FPU版本號(hào)、MMU特性、寄存器窗口數(shù)量、以及指令集范圍等，根據(jù)真實(shí)處理器情況定義星載處理器特征參數(shù)，并使用這些參數(shù)完成目標(biāo)處理器動(dòng)態(tài)翻譯功能的初始化。

系統(tǒng)寄存器主要包括內(nèi)存配置寄存器、IO配置寄存器、中斷配置和狀態(tài)寄存器、RTC寄存器等。其中，中斷和RTC是星載軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)，模擬器必須實(shí)現(xiàn)；內(nèi)存配置寄存器和IO配置寄存器控制處理器對(duì)內(nèi)存和IO的訪問時(shí)序，基于動(dòng)態(tài)翻譯技術(shù)的模擬器無法模擬精確的時(shí)序訪問控制，因此在模擬器中不考慮此類寄存器配置數(shù)據(jù)對(duì)軟件運(yùn)行狀態(tài)的影響。為方便星載軟件開發(fā)人員確認(rèn)星載軟件向此類配置寄存器寫入了正確的配置數(shù)據(jù)，所有對(duì)寄存器的訪問都會(huì)被記錄。

星載處理器模擬模塊在系統(tǒng)環(huán)境中注冊(cè)中斷響應(yīng)函數(shù)，用于響應(yīng)外圍設(shè)備提出的中斷請(qǐng)求。星載處理器模擬模塊綜合分析中斷未決寄存器、中斷強(qiáng)制寄存器和中斷屏蔽寄存器，判斷虛擬星載處理器是否需要處理中斷。當(dāng)需要處理系統(tǒng)中斷時(shí)，設(shè)置系統(tǒng)中相應(yīng)的中斷位，設(shè)置虛擬星載處理器下一步進(jìn)入中斷處理狀態(tài)。RTC是虛擬星載處理器運(yùn)行的時(shí)間基準(zhǔn)，為避免模擬器在不同環(huán)境下運(yùn)行的速度差異對(duì)軟件測(cè)試的影響，RTC時(shí)間源以模擬器程序運(yùn)行的時(shí)間為準(zhǔn)，并為所有的外圍設(shè)備模擬模塊提供統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)。

圖3 目標(biāo)計(jì)算機(jī)初始化流程

如圖3所示，虛擬星載計(jì)算機(jī)初始化包括處理器初始化、內(nèi)存初始化、程序加載運(yùn)行和外圍設(shè)備初始化。處理器初始化完成處理器狀態(tài)設(shè)置、寄存器初值設(shè)置以及中斷申請(qǐng)、中斷處理模塊掛接。內(nèi)存初始化完成內(nèi)存的申請(qǐng)，設(shè)置內(nèi)存大小和起始地址。程序加載有兩種方式：一是加載ELF可執(zhí)行文件，通過-kernel參數(shù)指定，該方式包含調(diào)試信息，在利用GDB接口進(jìn)行調(diào)試時(shí)是必需的；二是加載燒寫在PROM中的程序二進(jìn)制映像文件，通過-bios參數(shù)指定。該方式與真實(shí)硬件環(huán)境下運(yùn)行程序的狀態(tài)完全一致。最后需要加載初始化各個(gè)外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)模擬模塊，為了方便添加、修改外圍設(shè)備模擬模塊，實(shí)現(xiàn)具有不同外圍設(shè)備的數(shù)管計(jì)算機(jī)模擬，本文所述設(shè)計(jì)改進(jìn)了QEMU加載外圍設(shè)備模擬模塊的方式，采用動(dòng)態(tài)共享庫的方式加載外圍設(shè)備模擬模塊。

為全面準(zhǔn)確記錄星載軟件的執(zhí)行過程，提供更多的星載軟件調(diào)試手段，本文所述設(shè)計(jì)在QEMU模擬器執(zhí)行每個(gè)基本塊時(shí)，記錄該基本塊的首地址，作為虛擬星載處理器目標(biāo)碼指令執(zhí)行跟蹤記錄。每個(gè)基本塊只使用4字節(jié)空間記錄首地址，在內(nèi)存中申請(qǐng)10 MB的存儲(chǔ)空間進(jìn)行循環(huán)緩存，實(shí)現(xiàn)記錄多達(dá)數(shù)百萬條歷史指令的功能，遠(yuǎn)超過星載處理器調(diào)試單元的指令記錄容量[9]。按順序記錄的歷史指令為星載軟件運(yùn)行異常后，回查軟件執(zhí)行過程提供依據(jù)。在需要時(shí)，指令跟蹤記錄模塊根據(jù)存儲(chǔ)的基本塊地址，在反匯編文件中獲取匯編指令提供給軟件調(diào)試人員。

2.3 外圍設(shè)備模擬及數(shù)據(jù)流仿真

數(shù)管計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備一般包括遙控遙測(cè)接口和總線接口。外圍設(shè)備的模擬需要完成中斷掛接和觸發(fā)，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)對(duì)設(shè)備寄存器讀寫操作進(jìn)行處理。

遙控遙測(cè)接口實(shí)現(xiàn)遙控?cái)?shù)據(jù)的注入和遙測(cè)數(shù)據(jù)的下行功能。收到上行數(shù)據(jù)注入時(shí)，虛擬遙控設(shè)備模塊向虛擬處理器提出中斷請(qǐng)求，星載軟件在中斷處理過程中，讀取相應(yīng)的設(shè)備寄存器，觸發(fā)模擬器調(diào)用外圍設(shè)備模塊對(duì)應(yīng)地址寄存器的處理函數(shù)。虛擬設(shè)備模塊在處理函數(shù)中向星載軟件提供注入數(shù)據(jù)。

1553B總線是國(guó)內(nèi)航天器最常用的數(shù)據(jù)總線之一，通常承擔(dān)平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)[10]。根據(jù)數(shù)管軟件訪問總線接口的特點(diǎn)，虛擬總線模擬模塊不僅實(shí)現(xiàn)了總線接口的模擬，還包括總線終端設(shè)備數(shù)據(jù)的仿真和處理。1553B總線芯片寄存器多，設(shè)備存儲(chǔ)區(qū)大，狀態(tài)復(fù)雜。虛擬總線設(shè)備首先將芯片的寄存器區(qū)和內(nèi)存區(qū)映射到內(nèi)存，保存所有寫入的配置數(shù)據(jù)和消息數(shù)據(jù)。虛擬模塊監(jiān)視配置寄存器值的變化，當(dāng)發(fā)現(xiàn)配置寄存器的傳輸啟動(dòng)位被設(shè)置時(shí)，虛擬模塊從映射的內(nèi)存區(qū)中讀出所保存的總線芯片棧寄存器地址、命令棧區(qū)內(nèi)容和數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容，依次解析命令棧區(qū)的消息格式，根據(jù)設(shè)置的總線終端仿真數(shù)據(jù)內(nèi)容重新設(shè)置數(shù)據(jù)區(qū)和命令棧區(qū)，實(shí)現(xiàn)1553B總線消息傳輸?shù)姆抡妗?/p>

2.4 數(shù)據(jù)監(jiān)控

作為整星的數(shù)據(jù)管理核心，數(shù)管分系統(tǒng)需要處理總線各終端設(shè)備的數(shù)據(jù)收發(fā)，遙控上注和遙測(cè)下傳等多個(gè)數(shù)據(jù)流，對(duì)這些數(shù)據(jù)流的監(jiān)控和分析是數(shù)管軟件測(cè)試的主要工作。為解決傳統(tǒng)數(shù)管測(cè)試環(huán)境中數(shù)據(jù)監(jiān)視點(diǎn)分散的問題，防止數(shù)據(jù)漏判、錯(cuò)判，虛擬測(cè)試環(huán)境采用對(duì)所有數(shù)管軟件輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分層處理、集中管理的方法，并實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)的變化情況，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊

總線傳輸數(shù)據(jù)，遙控注入數(shù)據(jù)和遙測(cè)下傳數(shù)據(jù)由不同的虛擬外圍設(shè)備產(chǎn)生或接收，經(jīng)過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的解析處理后，添加時(shí)間信息，進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)。各項(xiàng)數(shù)據(jù)記錄在存儲(chǔ)時(shí)與前一次的內(nèi)容進(jìn)行比對(duì)，形成差異日志，實(shí)時(shí)顯示。本文所述設(shè)計(jì)在日志監(jiān)視窗口中按時(shí)間順序提示數(shù)管軟件遙控?cái)?shù)據(jù)接收情況、遙測(cè)數(shù)據(jù)變化情況以及總線數(shù)據(jù)變化情況，實(shí)現(xiàn)在單一窗口界面下監(jiān)視數(shù)管軟件狀態(tài)變化過程，有效減少系統(tǒng)狀態(tài)漏判、錯(cuò)判的風(fēng)險(xiǎn)。統(tǒng)計(jì)總線遙測(cè)采集周期、遙測(cè)源包下傳周期等測(cè)試任務(wù)也可以通過對(duì)統(tǒng)一存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的查詢獲取。

3 虛擬測(cè)試環(huán)境的驗(yàn)證與應(yīng)用

使用高分四號(hào)衛(wèi)星數(shù)管軟件對(duì)本文設(shè)計(jì)的虛擬測(cè)試環(huán)境進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試。表1列出了虛擬測(cè)試環(huán)境與實(shí)物測(cè)試環(huán)境的對(duì)比情況。首先在開發(fā)主機(jī)Linux操作系統(tǒng)中運(yùn)行虛擬測(cè)試平臺(tái)，加載高分四號(hào)數(shù)管軟件映像；然后，通過虛擬遙控接口上注數(shù)管指令，由數(shù)據(jù)監(jiān)視模塊記錄下數(shù)管軟件的狀態(tài)變化；最后，對(duì)比實(shí)物測(cè)試環(huán)境下數(shù)管軟件運(yùn)行結(jié)果與虛擬環(huán)境下軟件運(yùn)行結(jié)果是否一致。圖5是在虛擬測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行高分四號(hào)衛(wèi)星數(shù)管軟件指令組功能測(cè)試的情況。驗(yàn)證結(jié)果表明，數(shù)管軟件在虛擬測(cè)試環(huán)境下的運(yùn)行結(jié)果與實(shí)物環(huán)境下的結(jié)果一致。

表1 虛擬測(cè)試環(huán)境與實(shí)物測(cè)試環(huán)境對(duì)比

圖5 虛擬測(cè)試環(huán)境下數(shù)管軟件測(cè)試界面

本文設(shè)計(jì)的虛擬測(cè)試環(huán)境已經(jīng)應(yīng)用在高分四號(hào)衛(wèi)星、火星著陸巡視器等型號(hào)的星載軟件研發(fā)中。在型號(hào)中的應(yīng)用表明，能夠使用虛擬測(cè)試環(huán)境完成星載軟件的運(yùn)行、測(cè)試工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)星載數(shù)據(jù)流的仿真和單窗口監(jiān)視。同時(shí)，虛擬測(cè)試環(huán)境提供更多的調(diào)試手段，為星載軟件問題定位分析提供幫助。虛擬測(cè)試環(huán)境的應(yīng)用，可以避免物理設(shè)備不能及時(shí)到位對(duì)軟件開發(fā)進(jìn)度的影響，實(shí)現(xiàn)星載軟件提前測(cè)試和軟硬件協(xié)同開發(fā)，加快了軟件研制進(jìn)度，提高了軟件開發(fā)效率。

4 結(jié)論

針對(duì)實(shí)物測(cè)試環(huán)境對(duì)數(shù)管軟件開發(fā)測(cè)試的制約問題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了虛擬集成測(cè)試環(huán)境。該環(huán)境基于動(dòng)態(tài)二進(jìn)制翻譯技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)星載計(jì)算機(jī)以及外圍設(shè)備的模擬和數(shù)據(jù)流的仿真監(jiān)視，具備目標(biāo)碼指令跟蹤記錄以及單窗口監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)變化等功能。相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)物測(cè)試環(huán)境，該虛擬測(cè)試環(huán)境具有不依賴硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)流仿真和監(jiān)視便捷、調(diào)試手段豐富等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用在高分四號(hào)、火星著陸巡視器等型號(hào)的數(shù)管軟件開發(fā)中，提高了軟件的開發(fā)效率。該設(shè)計(jì)方案可以推廣到其他星載軟件或嵌入式軟件的虛擬測(cè)試仿真，也可應(yīng)用于飛控協(xié)調(diào)演練等活動(dòng)，具有一定的推廣價(jià)值。

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