基于QEMU实现的处理器类故障模拟与注入方法研究

故障注入技术在BIT软件测试中是一种有效的手段。针对电路板级BIT软件测试中遇到的问题,介绍了一种基于开源模拟器QEMU实现的处理器类故障模拟方法。采用该方法对多种处理器故障进行仿真建模,通过对QEMU的扩展开发,加入故障行为模拟模块和故障注入模块,以实现一个具有处理器类故障注入功能的系统级模拟器BitVaSim。首先分析处理器功能故障模式,提取故障的关键字值对,用XML Schema定义故障并用于故障建模;其次对QEMU代码进行二次开发以实现对处理器故障行为的模拟;然后通过配置故障注入接口实现模拟器运行时的故障模式匹配、故障按条件触发等功能;最后通过实验案例来观察模拟器的故障表现,评价这种基于模拟器的故障注入技术。实验过程和结果显示这种方法是有效可行的。     

基于Simics的系统级故障注入平台

故障注入技术是评价系统可靠性的有效方法。现有基于仿真的故障注入平台大多基于现场可编程门阵列或超高速集成电路硬件描述语言实现,对故障模型的支持非常有限。为此,基于Simics结构级模拟器,设计并实现系统级硬件故障注入平台。该平台上层支持不同固件、操作系统以及应用程序,底层支持对处理器典型流水部件的故障注入,同时实现瞬时故障、永久故障和间歇故障模型以及其他较全面的故障类型,并将一组系统级故障检测机制集成入平台中。实验通过监测硬件故障在系统级的传播,对比分析了故障对不同部件造成的系统级影响,结果表明,瞬时故障对系统影响较小,永久故障容易引起系统失效,间歇故障对各部件有不同程度的干扰作用。     

嵌入式软件机内测试的设计与测试

针对嵌入式软件中广泛开展的软件机内测试（BIT）设计,分析通用嵌入式系统结构,提出3种软件BIT的结构模式,结合实例对每种模式的算法设计进行描述。以故障模式的概念为核心提出一种基于故障注入的软件BIT测试方法,阐述方法中的需求分析、故障注入、测试设计和结果分析4个关键步骤。     

基于QEMU的高效指令追踪技术

系统模拟器通过模拟处理器、内存、外设等硬件资源创建一个完整的虚拟计算机环境, 支持运行和调试不同架构的软件, 可大大缩短跨架构的软件开发周期. 模拟器的调试模块通常具有指令追踪功能, 可记录程序运行的指令序列以用于进一步分析, 如程序运行时间评估、程序行为模式分析、软硬件联合仿真等. 支持RISC-V架构的主流模拟器QEMU和Spike均具有指令追踪功能, 但其时间和空间开销过大, 在应对规模较大的应用时效率低下. 本文提出了一种基于QEMU的指令追踪技术, 将程序中的基本块、控制流图等静态信息与分支选择等动态信息解耦, 在保证指令序列不失真的同时高效追踪执行序列. 相比QEMU原生实现的指令追踪, 本文提出的指令追踪技术的时间开销平均降低了80%以上, 空间开销平均降低了95%以上. 此外, 本文面向RISC-V架构, 实现了多种场景下的指令序列离线分析, 包括指令分类统计、程序热点标记、行为模式分析等.     

一种基于数据流分析的故障序列生成方法

故障注入是一种测评容错机制的有效方法,它通过有意识地向目标系统引入故障来加速测试容错机制的试验过程.目前大多数故障注入实验中采用的故障序列都是通过随机抽样获取的,容易造成故障潜伏,从而导致容错机制的评测结果不准确.本文提出一种基于数据流分析的故障序列生成方法.提出<故障注入位置,故障注入时间,故障类型,故障掩码>的单粒子故障模型.在此基础上,通过数据流活跃变量分析计算得出故障注入位置属性,以及定值-引用分析确定了故障注入时间属性.并以PowerPC8548处理器和它对应的Trace模拟器为实验平台,验证了该故障序列生成方法具有90%以上的失效加速比,较好地解决了故障潜伏问题.     

一种嵌入式软件逻辑覆盖测试方法研究

针对嵌入式软件测试覆盖率低的问题,提出了基于软件故障注入的逻辑覆盖测试方法,首先就嵌入式系统常用传感器建立故障模式库,设计了嵌入式软件故障注入系统;其次选取中间层作为故障注入点,研究基于VxWorks653嵌入式操作系统的故障注入实现方式,并通过分析故障信号在软件系统中的传播,提出优化测试用例的方法;最后通过实验验证了该方法可有效提高容错设计功能、冗余设计功能、故障检测功能测试的逻辑覆盖率;有助于提高嵌入式软件的可靠性.     

基于模型的软件接口故障注入测试平台技术

针对软件接口类型多、接口故障注入自动控制复杂的困难以及目前缺少有效的软件接口故障注入工具现状,对软件故障注入中的交联接口故障注入技术展开研究,提出了一种基于模型的软件接口故障注入测试平台技术。通过交联接口测试可视化建模和接口故障注入算子设计,自动生成XML 格式的测试用例,并且通过基于XSLT的脚本自动化生成与执行技术实现测试的控制与执行。故障注入测试主机与接口故障注入器网络连接,接口故障注入器将接口故障数据转换成以太网、串口或CAN网络数据注入到被测软件中,并返回被测件输出数据到测试主机实现测试数据收集与判断。基于模型的软件接口故障注入测试平台具有较强的通用性与易用性,提高了接口故障注入测试的效率,降低了接口测试的成本。     

基于动态二进制翻译技术的数管软件虚拟测试环境设计

针对传统的数管软件测试环境硬件设备依赖性强、地检设备多、监视点分散和软件内部状态跟踪困难等问题,设计和构建了基于QEMU模拟器的数管软件虚拟测试环境。该环境基于动态二进制翻译技术模拟星载处理器,实现在异构平台下运行星载数管软件,同时增加指令跟踪记录功能,帮助软件异常问题定位;融合外围设备驱动和终端应用功能,对数据流进行仿真,并采用统一的格式集中管理数据,进行分层处理和实时差异比对,以日志形式记录数据变化,实现对系统状态的单窗口监视。在高分四号卫星等型号的应用表明,文章设计的虚拟测试环境能够模拟数管软件运行环境,提供更多的调试手段,使软件测试工作提前,促进了软硬件协同开发,提高了星载软件的开发测试效率。     

一种星载嵌入式软件安全性测试方法

研究了星载嵌入式软件安全性测试问题.提出一种基于故障注入的安全性测试框架,通过构建全数字仿真测试环境,模拟目标系统输入异常故障及运行态异常故障,可以灵活地实现故障注入.根据软件实际运行结果与预期结果的一致性来评价软件检错、容错能力,进而完成对软件的安全性测试及验证过程.     

基于Linux的无人机故障注入软件研究

无人机故障注入软件利用故障注入技术实时地模拟飞行控制系统的故障,它主要用于飞行控制系统的故障注入与故障状态下动态性能测试和综合测试;它通过动态修改被测系统输入和输出信号达到故障注入目的,并能实时记录被测系统的响应从而分析不同故障对被测系统的影响程度;为了解决该软件在WINDOWS平台运行中所存在的缺点,设计构造了基于Linux的无人机故障注入与分析系统软件,完成了软件开发和故障分析;在无人机动态测试过程中,故障注入试验结果表明了这种方案的正确性和可行性。     

一种时钟级处理器模拟器的快速开发方法

基于功能级处理器模拟器,采用时序制导的方法,提出了一种时钟级处理器模拟器的快速开发方法。该方法对指令的模拟引入流水线,依靠流水线的时序推动功能模块的运行,如ALU、Co-processor、MMU、TLB等。给出了RISC/MIPS流水线的设计方法,并进一步阐述了如何将流水线和处理器功能级模拟单元的耦合起来,构成时钟级模拟的整体框架。基于此框架,开发了ClkSim模拟器。经过SPEC CPU 2000的对比测试,ClkSim拥有较高的模拟性能和精度。     

一种筒弹测试故障模拟器系统设计

为了测试人员能在平时使用模拟器系统进行测试训练;设计并实现了一种筒弹测试故障模拟器系统,对该系统的结构进行了设计,给出了资源配置框图,根据任务需求确认了筒弹测试故障模拟器系统的硬件设计原理和软件设计流程,该系统能对筒弹基本电气性能和测试接口进行模拟,通过操作故障模拟器软件,选择相应的故障类型,并通过网线,将所选故障类型相对应的指令发送到主控插箱,主控插箱依据所选故障进行操作,将测试结果通过测试电缆输出到筒弹测试设备,实现模拟筒弹正常测试项目和模拟筒弹测试故障等功能,应用结果表明,该系统运行可靠,各项功能及技术指标均符合设计要求;可以有效地对测试人员进行基础训练,故障诊断与排除训练,有效地提高了测试人员工作效率,很好的完成测试人员对筒弹测试的操作训练任务。     

航电中继系统多通道ARINC429总线故障注入方法

针对民用飞机航电系统集成测试中多通道故障并行注入的问题,研究ARINC429总线故障注入方法并实现功能设计;首先,分析航电中继系统的数据交互方式,设计基于航电中继系统的故障注入架构,研究基于反射内存通信网络的多通道并行故障注入方法;然后,分析ARINC429总线在协议层和应用层的故障类型和对应的注入方式,并完成故障注入功能的逻辑设计;最后,基于航电中继系统搭建故障注入实验平台,进行故障注入实验;实验结果表明,所研究的故障注入方法能够有效完成多设备、多通道航电总线在协议层和应用层的低延时故障注入,满足航电系统集成测试的要求。     

实时嵌入式系统协调设计的行为验证模型

嵌入式系统协调设计中，通常采用协同验证方法检验系统设计的正确性，目前比较常用的验证手段有行为验证和基于处理器结构的指令集模拟．指令集模拟从底层时序关系模拟CPU功能，通过建立与硬件模拟器连结关系来验证软硬件接口．指令集模拟的主要特点是模拟精度高，但模拟速度慢，对于不同的CPU结构需要构造不同的指令集模拟器．文中研究一种基于RTOS实时嵌入式系统行为验证模型，通过扩展RTOS功能，建立RTOS软件模拟器，实现RTOS模拟器和VHDL／VerilogHDL协同模拟交互．RTOS模拟器把嵌入式软件功能代码、CPU接口代码以及定制硬件驱动代码分开，实现嵌入式软件设计与硬件平台的弱相关，从更高层次验证系统功能。     

基于信息融合技术的装备BIT故障诊断系统应用研究

BIT就是系统、设备内部提供的检测、隔离故障的自动测试能力;传统BIT主要面向单一功能设计,不具有同时应对多信息的处理功能,面对复杂电子装备的多信息处理问题,传统BIT故障诊断能力不足,导致系统虚警率过高,测试性与故障诊断能力下降,在BIT系统中运用信息融合技术对多信息进行整合,对于提高BIT综合效能,实现快速高效的故障诊断具有重要意义;文章首先对信息融合基本原理进行了介绍,构建了基于信息融合的装备BIT故障诊断系统结构,接着对信息融合诊断系统进行了建模,并对模型中基于神经网络的BIT诊断技术、基于D—S理论的BIT决策技术的关键技术进行了研究,最后给出了故障诊断程序流程;该技术研究通用性强,适用于多种不同型号的复杂电子装备的BIT快速故障诊断。     

复杂机载电子系统故障综合诊断技术研究

故障综合诊断技术一直是复杂机载电子系统研发过程中的关键部分,当前的故障诊断技术同时需要机内测试（BIT）和场外自动化测试设备（ATE）的测试结果才能得出诊断结果,诊断效率低,时间长并且不能在线诊断。针对新一代战斗机将更加依赖航空电子系统的趋势,迫切需要一种诊断时间短,且能够实现在线诊断的故障诊断技术。因此,一种基于模型的故障诊断方法被提出。该方法通过融合多信号模型和整数编码故障字典模型,模块间采用多信号模型,单个模块中采用整数编码故障字典模型,克服了多信号模型对测试信息的浪费和整数编码故障字典模型建模困难的缺点,并提出一种多目标测试优选方法,通过优化检测方案,充分发挥BIT的检测性能。该方法通过充分使用BIT的测试信息,摆脱了对场外ATE的依赖,实现了在线快速定位故障并识别故障模式。     

基于LabVIEW与Multisim的火控系统半实物联合仿真方法

针对当前装甲装备火控系统电路组成与功能特点,对火控系统维修保养过程中的故障诊断方法与测试需求进行了研究,提出了一种火控系统半实物联合仿真方法,介绍了该仿真建模方法的设计思路与实现方法;该方法可充分发挥LabVIEW和Multisim软件的优势,通过半实物联合仿真的方法,以仿真模型代替部分或者全部火控系统部组件,能够很好地实现火控系统不同级别的电路功能模拟、故障复现,快速完成故障诊断分析,解决了当前装甲装备火控系统维修诊断设备通用性差、规范化程度低、开放性差,难以真实的模拟系统级、部件级功能、故障注入和故障检测等问题,为装甲装备火控系统故障诊断与测试设备开发提供了有效平台,为基层部队开展维修训练和维护保障提供了有效途径。     

BIT试验中VME总线故障注入设备控制单元设计

针对航空电子设备BIT(机内测试)试验,设计了一种基于FPGA（现场可编程门阵列）的VME总线故障注入设备。该设备的控制单元用于完成故障注入设备的总体控制,是实现故障注入任务的关键。详细分析了VME总线故障注入设备的总体框架,给出了VME总线故障注入设备控制单元的设计方案,包括详细的软、硬件设计方法以及该系统的工作流程,并通过测试工具验证了控制单元设计和功能的正确性。最后,讨论了BIT试验中故障注入技术应用未来研究工作的开展方向。     

基于Windows平台的无线网络模拟器设计与实现

基于有线网络仿真器NISTNet软件包的思想,通过对Windows平台下NDIS网络驱动程序的分析与修改,增加基于RTC的精确定时器模块和无线扩展模块,构建了基于Windows平台的无线网络模拟器。该模拟器可以用一些模拟节点和测试节点来模拟一个较大型的目标网络。实验结果验证了模拟对网络条件控制的有效性与准确性。     

一种基于FPGA的存储器模块测试系统设计

存储器模块测试对于航空电子综合系统的可靠性至关重要,设计了一种基于FPGA实现的高速存储器测试系统,由基于March-B存储器测试算法的波形产生器、SDRAM控制器和串行口控制器等组成;采用Altera EP1C6-6芯片进行实现,综合与布局布线结果显示波形发生器的运行频率高达266.7MHz,逻辑占用率68%;使用C++语言开发了上层控制软件与用户界面,在实验中采用故障注入方式模拟存储器模块出错情况;结果显示设计的存储器模块测试系统达到了设计要求;实验结果显示该系统能够测试多种LocalBus总线协议兼容的存储器模块,并且能够覆盖多种典型存储器故障。