自行搭建嵌入式持续集成工具:从0到1

2022-04-14 09:22:05 digiproto

为什么持续集成备受推崇?

软件开发过程中,开发方式及开发工具是至关重要的。


持续集成(Continuous Integration,CI)以使产品在快速迭代的同时保持高质量为目的,指开发人员定期将代码变更合并到一个中央存储库中,系统自动运行构建和测试操作的过程。持续集成出现之前,开发人员需要手动编译打包最新代码进行测试,费时费力;且往往要在模块集成的最后关头才能发现被遗漏的错误的存在,而定位错误的具体位置又将消耗大量时间。


引入持续集成的必要性显而易见。



如何从零构建一个嵌入式持续集成工具?

5upercircuits的创始人Pla讲述了他自建嵌入式持续集成工具的过程[1]


在建立之初,Pla希望这个工具尽可能地高效有用,满足动化、高品质、足够精简但有效的性能。他希望成品能够:


1. 自动执行当前必须手动、缓慢繁琐的工作;

2. 只要不断电,全天候24小时可用;

3. 拥有监控功能,可以立即汇报代码存在潜在的bug——这将大大降低调试难度,尽可能地确保软硬件的整体质量。


在经过细致的考量后,Pla最终决定:先利用docker部署嵌入式开发环境,然后通过GitLab的CI面板(GitLab内置的持续集成工具)对编写好的程序进行一键编译、烧录、运行和自动测试,达到持续集成的目的。


嵌入式持续集成的难点在哪里?

持续集成的设置通常包括:构建、测试、部署。


仅使用一个开发平台(如Web开发)实现持续集成并不难,但在嵌入式系统中却大不相同。首先,从构建的角度来说,开发者必须处理PC(一般是x86或ARM)与持续集成系统所使用的不同的处理器架构、操作系统和硬件之间的关系。但一般只要使用 makefile 和交叉编译器(例如 GNU Arm Embedded Toolchain[2]),自动化构建问题便会迎刃而解。


再者是测试,需要支持不同硬件架构的嵌入式系统可以正常运行,但大多数情况下,持续集成设置和待测设备 (Device Under Test,DUT) 不是同一硬件架构。Pla必须找到合适的接口和协议来进行持续集成设置和DUT的通信。


其他嵌入式系统公式是怎么做测试的?

许多嵌入式系统公司都在嵌入式开发中使用持续集成。在目标硬件上进行构建和单元测试是惯用手段。单元测试有着下述优点:

1. 立即发现代码中的潜在错误;

2. 更容易重构和扩展代码——单元测试确保了不会产生意外中断;

3. 使团队合作更加高效。

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但单元测试不适合像Pla这样的自由职业者、业余爱好者,或初创公司。单元测试必须在目标系统上运行,或将代码移植到X86平台并在持续集成系统上运行。如果需要对代码中的几乎每个函数进行测试,这意味着测试量与代码量相同,这将导致消耗目标系统大量内存。而如果将代码移植到X86平台来避免内存消耗问题,则不得不在移植、伪造驱动程序耗费大量额外的时间和精力。这么做的目的是欺骗代码,使之认为自己是在目标硬件上运行的。


对于Pla来说,这两种情况都过于费时费力,无法接受。

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该使用怎样的持续集成测试方法?

Pla选择了将单元测试和冒烟测试相结合的测试方法,并将之命名为命令行界面(Command Line Interface,CLI)测试:为在 x86 上运行的持续集成系统提供了一个接口,以便直接在目标平台上运行测试。


CLI测试为尽可能详尽的测试,甚至能直接访问最隐秘的系统功能,不需要在持续集成面板上运行,也无需移植,预处理器指令甚至可以暂时排除一些 CLI 测试。


Pla借此为不同的模块设置了不同的测试集,并且仅在需要时将其包含在构建中,从而降低了CLI测试的内存占用。


Pla的持续集成设置是什么样的?

Pla使用Gitlab来进行控制修订、备份,项目规划和笔记记录。Gitlab有一个非常精简的持续集成功能。Gitlab CI面板可以在普通Gitlab实例上运行。Gitlab Runner是一个用来执行Gitlab CI脚本的工具。可以理解成,Runner就像认真工作的工人,GitLab CI就是管理工人的中心,所有工人都要在GitLab CI里面注册,并且表明自己是为哪个项目服务。当相应的项目发生变化时,GitLab CI就会通知相应的工人执行对应的脚本。Gitlab Runner负责执行所有持续集成任务(例如构建、测试等)。

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▲Pla的Citlab CI控制台

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▲Pla自制的简易持续集成设置。左侧是被测设备(DUT),右侧是连接设备。


是否有更好的测试工具?

从Pla自制图中可以看到,他将两个设备都放在了金属盒中,用以降低测试期间设备爆炸发生火灾的风险。有一个更好的测试工具,可以完美规避这个问题。


SkyEye(天目全数字实时仿真软件),是一款国产的基于可视化建模的硬件行为级仿真平台,可以帮助Pla实现测试。

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▲SkyEye界面图


在Pla的持续集成工具搭建的过程中,只要将SkyEye部署在Gitlab Runner中,SkyEye便可模拟整个嵌入式系统,测试所需代码;也可将SkyEye运行在单独的容器中,直接将执行结果共享给Gitlab Runner。


Pla只需将代码提交至仓库,触发CLI测试的条件,SkyEye就会自动完成编译测试并输出报告。除了Gitlab CI外,Pla也可通过Jenkins与SkyEye的配合实现自动化测试。


SkyEye还可以使软件工程师通过可视化图形的硬件建模方式,快速搭建硬件模型,在硬件模型上运行和调试与真实硬件相同的二进制文件,并支持自动化测试。同时,SkyEye也可查看和修改处理器寄存器或设备寄存器的数据、查看反汇编、内存值、进行故障注入等。

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▲SkyEye产品矩阵


总体来说,SkyEye使开发人员可以在软件集成前尽可能地发现错误,大大缩短了产品的研发周期,提高了软件调试效率,有效地降低了开发成本。


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参考文献

[1] Continuous Integration for embedded developers - Starters (5upercircuits.com)

[2] Arm GNU Toolchain | GNU Arm Embedded Toolchain Downloads – Arm Developer


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