國產(chǎn)特種計算機自動測試控制系統(tǒng)設(shè)計?

石釗銘 胡哲琨 陳敬東

（1.海裝駐武漢第四軍事代表室 武漢 430205）（2.武漢數(shù)字工程研究所 武漢 430205）

1 引言

特種計算機是用于特定工業(yè)領(lǐng)域的專用計算機，其功耗、體積、可靠性、實時性往往受到嚴格約束，需要在高溫、潮濕、震動等特定環(huán)境下保持長時間和高可靠運行，并完成各類數(shù)據(jù)處理、信息傳輸、實時控制等任務(wù)。相較于一般的通用計算機而言，特種計算機在可靠性和穩(wěn)定性方面的要求更為嚴格，因此在特種計算機的研制和生產(chǎn)過程中通過高效手段來測試和驗證其性能就更為重要。

近年來，隨著我國對工業(yè)領(lǐng)域信息安全問題日益重視，基于國產(chǎn)CPU和國產(chǎn)操作系統(tǒng)的特種計算機被越來越多地應(yīng)用于各類工業(yè)領(lǐng)域［1～2］，國產(chǎn)特種計算機的性能和可靠性也受到了更多的關(guān)注。由于指令集和編程接口等方面的差異，以往的計算機測試工具和測試系統(tǒng)并不能對國產(chǎn)特種計算機實施全面而有效的測試和檢驗，因此研制一套面向國產(chǎn)特種計算機的自動測試控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對國產(chǎn)特種計算機功能和性能的測試驗證，并通過批量控制手段提高試驗效率，對把控國產(chǎn)特種計算機的性能和可靠性從而保障其領(lǐng)域應(yīng)用效能具有重要意義。

在計算機測試系統(tǒng)方面，目前已開展多種研究。趙源［3］利用多線程技術(shù)有效提高了自動測試系統(tǒng)的吞吐率；李姍［4］面向航天器綜合電子系統(tǒng)提出了一種可重構(gòu)擴展的模塊化通用測試系統(tǒng)；云穎［5］對基于CAN總線的星載軟件測試系統(tǒng)進行了研究；王雷［6］提出了一種高鐵/地鐵信息處理系統(tǒng)應(yīng)力加速驗證方法，加快了可靠性評估過程。

本文設(shè)計了一套面向國產(chǎn)特種計算機的自動測試控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)配置的批量被測計算機信息及測試項生成測試命令，并按照測試控制通信協(xié)議將命令發(fā)送給被測計算機。被測計算機根據(jù)接收到的測試命令執(zhí)行相關(guān)測試用例，并將測試結(jié)果反饋給自動測試控制系統(tǒng)以存入數(shù)據(jù)庫。所有測試執(zhí)行完畢后，自動測試控制系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存放的結(jié)果生成測試報表。此外，基于心跳機制實現(xiàn)了測試狀態(tài)監(jiān)測功能，能夠及時發(fā)現(xiàn)試驗過程中的宕機等故障，從而使自動測試控制系統(tǒng)能夠適用于特種計算機長時間可靠性試驗場景。試驗表明，本文設(shè)計的自動測試控制系統(tǒng)能夠?qū)a(chǎn)龍芯、申威特種計算機實施測試控制，可滿足不同架構(gòu)的國產(chǎn)特種計算機批量測試與驗證需求。

2 自動測試控制系統(tǒng)架構(gòu)

為了對不同指令架構(gòu)的國產(chǎn)特種計算機實施批量測試控制，本文提出了如圖1所示的面向國產(chǎn)特種計算機的自動測試控制系統(tǒng)架構(gòu)，主要包括測試控制系統(tǒng)和批量的被測計算機，兩者通過通信網(wǎng)絡(luò)相連。

圖1 自動測試控制系統(tǒng)架構(gòu)

測試控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)測試用例配置、測試命令生成、測試狀態(tài)監(jiān)測、測試結(jié)果收集、測試報表生成等功能。其中：1）測試配置面板提供測試配置界面，測試配置信息包括每臺被測計算機的名稱、IP地址以及在該被測計算機上需要執(zhí)行的測試項。2）測試命令隊列是一組相互獨立的隊列，每個隊列分別對應(yīng)到每臺被測計算機，其包含的測試命令根據(jù)配置信息產(chǎn)生。3）控制端通信模塊負責測試控制系統(tǒng)與被測計算機之間的通信，具體包括命令報文的組裝和發(fā)送，以及結(jié)果報文和心跳信息的接收和解析。4）心跳檢測模塊維護每臺被測計算機的心跳記錄，若某一被測計算機的心跳計時發(fā)生了超時，則表明該被測計算機在測試中發(fā)生了故障，此時觸發(fā)相應(yīng)的心跳超時處理例程，以停止對該被測計算機的控制并產(chǎn)生報警。5）測試數(shù)據(jù)庫保存每臺被測計算機的測試結(jié)果，并對結(jié)果進行對比、合格判定及合格率統(tǒng)計，最終生成測試報表。

在被測計算機中：1）被測端通信模塊接收來自控制端通信模塊的命令報文，對其進行解析后從測試用例集中調(diào)用相關(guān)的測試用例；此外，被測端通信模塊還負責結(jié)果報文的封裝和發(fā)送。2）心跳計時模塊在測試執(zhí)行過程中，每隔一段時間產(chǎn)生一次心跳事件，使被測端通信模塊向測試控制系統(tǒng)發(fā)送心跳信息，以表明該計算機處于正常的被測試狀態(tài)。3）測試用例集包含計算、內(nèi)存、硬盤、通信等多種測試用例，是基于C語言和POSIX標準接口開發(fā)的可移植的測試程序集，可在不同架構(gòu)的國產(chǎn)處理器上編譯和執(zhí)行，從而確保測試試驗的跨平臺一致性和可比性。

3 自動測試控制流程

基于以上自動測試控制系統(tǒng)架構(gòu)，特種計算機的批量自動測試過程主要包括以下步驟。

步驟1：測試控制系統(tǒng)根據(jù)試驗人員在測試配置面板上的配置為每臺被測計算機生成測試命令，并將命令存入測試命令隊列；

步驟2：控制端通信模塊從測試命令隊列讀取測試命令，按照通信協(xié)議封裝成報文，并經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送到與該命令隊列對應(yīng)的被測計算機；

步驟3：被測計算機中的被測端通信模塊接收到測試報文后，對報文進行解析得到測試命令，并從測試用例集中選取相應(yīng)的測試用例執(zhí)行測試；

步驟4：被測計算機在執(zhí)行測試的過程中，心跳計時模塊每隔一段時間向測試控制系統(tǒng)發(fā)送心跳信息；測試控制系統(tǒng)的心跳檢測模塊利用該信息監(jiān)控被測計算機的運行狀態(tài)；

步驟5：測試用例執(zhí)行完成后，被測端通信模塊根據(jù)通信協(xié)議將測試結(jié)果封裝成報文，反饋給測控制系統(tǒng)；

步驟6：控制端通信模塊接收到結(jié)果報文后對其進行解析，將測試結(jié)果存入測試數(shù)據(jù)庫；

步驟7：重復步驟2～步驟6，直到測試命令隊列不再包含測試命令；

步驟8：測控制系統(tǒng)根據(jù)測試數(shù)據(jù)庫中的結(jié)果對多臺被測計算機進行對比、合格判定及合格率統(tǒng)計，并生成測試報表。

根據(jù)以上過程，本文分別設(shè)計了控制端程序和被測端程序，分別部署于測試控制系統(tǒng)和被測計算機，其執(zhí)行流程和數(shù)據(jù)交互關(guān)系如圖2所示。

圖2 自動測試控制系統(tǒng)中控制端和被測端程序流程

4 測試控制通信協(xié)議

為了支撐以上自動測試控制流程，本文設(shè)計了圖3所示的測試控制通信協(xié)議，用于測試控制端與被測端之間測試命令和結(jié)果的封裝和解析。通信報文各字段的具體含義如下。

圖3 測試控制通信協(xié)議

Header：報文頭。標識一個合法報文的開始。

CMD：測試命令。在命令報文中CMD指定被測計算機需調(diào)用哪些測試用例執(zhí)行測試；在結(jié)果報文中CMD指定當前測試結(jié)果關(guān)聯(lián)到哪一條測試命令。

Dest Addr：報文目的地址。指定接收該報文的計算機的地址。

Src Addr：報文源地址。指定發(fā)出該報文的計算機的地址。被測計算機接收到命令報文后向Src Addr反饋心跳信息和測試結(jié)果；測試控制系統(tǒng)利用Src Addr判斷心跳信息或結(jié)果報文來自哪臺被測計算機。

A：應(yīng)答位。在命令報文中該位為“0”；在結(jié)果報文中該位為“1”。

C：完成位。在命令報文中該位為“1”；在結(jié)果報文中，針對任一測試命令CMD的最后一個結(jié)果報文將該位置為“1”，否則將該位置為“0”；

Serial：報文序號。在命令報文中該字段為“0”；在結(jié)果報文中，該字段從“1”開始編號，后續(xù)依次加1。

Type：數(shù)據(jù)類型。在包含數(shù)據(jù)Data的報文中，該字段指定數(shù)據(jù)的類型。數(shù)據(jù)類型由測試控制系統(tǒng)與被測計算機約定，可以為浮點、字符、結(jié)構(gòu)體等。

Length：數(shù)據(jù)長度。該字段指定報文所包含的數(shù)據(jù)Data的長度。

Data：數(shù)據(jù)。該字段為報文所包含的有效數(shù)據(jù)，若報文不包含數(shù)據(jù)則該字段為空。

Parity：校驗字節(jié)。根據(jù)當前報文中該字段之前的所有字節(jié)按奇校驗算法產(chǎn)生。

5 測試狀態(tài)監(jiān)測方法

5.1 控制端基于心跳的狀態(tài)監(jiān)測

為了在特種計算機批量測試過程中及時發(fā)現(xiàn)被測計算機有可能發(fā)生的宕機等故障，本文采用心跳機制實現(xiàn)對批量被測計算機的狀態(tài)監(jiān)測，控制端基于心跳的測試狀態(tài)監(jiān)測方法如圖4所示。

圖4 控制端基于心跳的測試狀態(tài)監(jiān)測流程

在測試控制系統(tǒng)中，控制端程序向某一被測計算機發(fā)送完測試命令之后，立刻為該被測計算機啟動心跳計時器，然后偵聽通信端口以等待接收來自被測端的報文。若接收到的報文為心跳信息，則對心跳計時器進行復位，然后繼續(xù)接收報文；若接收到的報文為結(jié)果報文，則按照報文序列號緩存測試結(jié)果，并且在結(jié)果報文的完成位C被置位的情況下，取消心跳計時。

如果在心跳計時周期內(nèi)未接收到心跳報文，則心跳計時器將發(fā)生超時，此時會觸發(fā)心跳超時處理從而將該計時器對應(yīng)的被測計算機標記為故障狀態(tài)，并根據(jù)用戶設(shè)定產(chǎn)生報警信息。

5.2 被測端基于心跳的狀態(tài)反饋

對應(yīng)地，被測端也需要定時向控制端反饋心跳報文，以表明該被測計算機處于正常狀態(tài)，其心跳反饋流程如圖5所示。

圖5 接收端測試執(zhí)行與心跳反饋流程

被測端程序接收到測試命令后，首先創(chuàng)建心跳進程（或線程），然后生成測試用例列表并執(zhí)行測試。心跳進程（或線程）獨立于測試用例執(zhí)行，并按照心跳計時間隔周期性地向測試控制系統(tǒng)發(fā)送心跳報文。等到所有的測試用例都執(zhí)行完畢之后，被測端程序再取消心跳進程（或線程），然后繼續(xù)等待下一測試命令。

6 自動測試控制系統(tǒng)驗證

本文設(shè)計了界面化的自動測試控制軟件，其測試配置界面如圖6所示，并搭建了測試驗證環(huán)境，實現(xiàn)了對龍芯、申威等國產(chǎn)特種計算機的測試控制與結(jié)果統(tǒng)計。

圖6 待測計算機參數(shù)配置界面

在測試用例方面，本文面向龍芯3A1000和申威410國產(chǎn)特種計算機設(shè)計了并行計算性能、內(nèi)存訪問性能、硬盤讀寫性能、網(wǎng)絡(luò)通信性能等測試程序，測試和驗證國產(chǎn)特種計算機的計算性能、多核加速比、訪存帶寬、存儲帶寬、網(wǎng)絡(luò)帶寬和時延等指標。其中，龍芯 3A1000處理器［7～8］運行在800MHz，申威 410 處理器［9～10］運行在 1.4GHz，以并行計算性能測試程序為例，兩臺特種計算機執(zhí)行多次快速傅里葉變換［11］和最短路徑搜索［12］用例所生成的測試結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖7 快速傅里葉變換測試結(jié)果

圖8 最短路徑搜索測試結(jié)果

從測試結(jié)果可以看出，由于龍芯3A1000處理器和申威410處理器均為4核處理器，兩種測試用例在雙線程和四線程時能夠取得較好的并行加速比，但在八線程時不僅不能獲得性能提升，其計算時間反而還比四線程時稍有增長，這是由多個線程在處理器上頻繁切換導致的，符合試驗預期。

以上試驗表明，本文設(shè)計的國產(chǎn)特種計算機自動測試控制系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)了對龍芯、申威等國產(chǎn)特種計算機的性能測試與結(jié)果采集，并支持測試報表生成與結(jié)果對比，能夠滿足不同架構(gòu)的國產(chǎn)特種計算機批量測試與驗證需求。

7 結(jié)語

本文針對國產(chǎn)特種計算機設(shè)計了一種自動測試控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了測試用例配置、測試命令生成、測試狀態(tài)監(jiān)測、測試結(jié)果收集、測試報表生成等功能。試驗結(jié)果表明，該自動測試控制系統(tǒng)能夠?qū)埿尽⑸晖炔煌軜?gòu)的國產(chǎn)特種計算機實施批量測試控制，可應(yīng)用于國產(chǎn)特種計算機批量性能測試或無人值守的長時間可靠性試驗場景，對于提升國產(chǎn)特種計算機測試驗證效率、降低試驗人工成本具有實用意義。