嵌入式軟體的演進

隨著嵌入式系統的發展，使其體積越來越小，效能越來越強大，並且具備更多功能。開發者如今要求更高的運算效能、更低的功耗，以及更高的系統整合度。為了滿足這些需求，微控制器（MCU）與微處理器（MPU）技術也經歷了重大的進展。

自1971年Intel推出第一款4位元MCU以來，MCU的效能已大幅提升。如今，基於Arm架構的32位元與64位元MCU已經能夠運行超過1 GHz，而早期MCU的時脈則低於700 KHz。同時，記憶體容量也從幾個位元組（bytes）擴展到數百萬位元組（MB），使軟體能夠執行更複雜的功能。

過去的MCU主要用於基本的輸入/輸出（I/O）控制，而現在，它們已經能夠驅動影像分析、訊號處理、即時通訊協議等高階應用。MCU已從單純的控制器演變為現代數位裝置的核心智慧中樞。

然而，這種複雜度的提升也帶來了軟體開發的挑戰。如今的嵌入式軟體包含數百萬行程式碼，並需同時執行多種即時功能。隨著複雜度增加，未偵測出的軟體缺陷風險也隨之上升，因此，開發初期的品質管理變得至關重要。如果錯誤是在開發後期甚至產品部署後才被發現，其修復成本將呈指數級上升。

圖一 : 不同開發階段的除錯成本

為了降低風險並確保嵌入式軟體的高品質，測試必須從開發初期就開始進行。

嵌入式軟體測試的角色

嵌入式軟體的測試通常遵循V模型（V-Model）的方法論，其測試階段包括：1.單元測試—驗證最小的功能單元；2.整合測試—確保各元件能正常協同運作；3.系統測試—評估完整的嵌入式系統；4.驗收測試—部署前的最終確認。

圖二 : 系統化的軟體測試（Rick D. Craig & Stefan P. Jaskiel）

嵌入式軟體測試可分為兩大類：1.靜態分析（Static Analysis）：在不執行程式的情況下，檢查原始碼、設計文件與相依性；2.動態分析（Dynamic Analysis）：在模擬或實際環境中運行軟體，以偵測執行時錯誤。

為了確保最佳的缺陷偵測效果，應在開發全程中同時使用靜態與動態測試。

測試設計技術

測試案例通常透過以下方式設計：

‧ 基於規格的技術（Specification-Based）：根據需求規格來設計測試。

‧ 基於結構的技術（Structure-Based）：分析程式流程來進行測試。

‧ 基於經驗的技術（Experience-Based）：利用過去測試經驗來找出可能的問題點。

其中，基於經驗的測試技術在嵌入式系統測試中被廣泛應用，以因應實際開發環境中的限制。

嵌入式軟體測試的挑戰

相較於傳統軟體測試是在本機環境中執行，嵌入式軟體測試通常需要跨平台開發，因此也面臨著以下挑戰：

圖三 : 本機開發vs.跨平台開發環境

硬體資源限制

相較於PC，MCU具有有限的運算能力與記憶體，因此傳統的除錯工具難以直接應用。此外，有些嵌入式裝置甚至無法注入測試程式碼或模擬行為。

跨平台開發的複雜性

嵌入式軟體通常在與實際執行環境不同的平台上開發，例如，開發時可能在 PC上運行，但當部署到真實硬體時，則可能出現非預期行為，例如：硬體相依性（如時脈頻率、匯流排通訊）；環境因素（如溫度、濕度、電磁干擾），以及隱藏的硬體缺陷影響到軟體運作。

軟體架構限制

有別於Java或C#等物件導向語言，嵌入式軟體多使用C或組合語言（Assembly）開發，因此缺乏明確的單元分離，導致傳統測試方法難以直接應用。

基於這些挑戰，嵌入式軟體測試需要彈性的方法，以適應硬體資源限制、實際運行環境，以及系統整合的挑戰。

透過進階IDE提升軟體品質

隨著嵌入式軟體日益複雜，整合開發環境（IDE）也隨之演進。

在2000年代初期，開發重點集中在程式碼優化，例如降低記憶體占用與提升執行效能。當時的工具（如 IAR Embedded Workbench）便專注於編譯器效能，以達到最高的運行效率。

然而，隨著嵌入式軟體日趨複雜，產業標準（如 MISRA、ISO 26262、IEC 62304）開始強調軟體品質、驗證與確認（Validation & Verification）。因此，現代IDE已整合自動化測試工具，以確保：靜態分析可在開發早期偵測程式錯誤，動態分析可發現執行時錯誤，即時偵錯可提供記憶體、堆疊與執行流程監控。

全方位開發解決方案

IAR Embedded Workbench是目前最廣泛應用於MCU韌體開發的IDE之一，具備編譯器、連結器、除錯工具整合於單一環境；靜態分析（IAR C-STAT）與動態分析（IAR C-RUN），用於早期錯誤偵測；以及可進行即時記憶體、堆疊與執行流程分析的除錯功能。

圖四 : IAR Embedded Workbench–整合軟體測試與除錯

透過整合靜態與動態測試，現代IDE能夠顯著降低軟體缺陷，並降低開發成本。

結論

隨著嵌入式系統日益複雜，軟體缺陷的風險也隨之上升。測試已不再是開發後的附加步驟，而是開發過程中的關鍵環節。

為了降低風險與修復成本，開發者應採用具備整合測試功能的進階IDE。透過 靜態與動態分析及早發現問題，不僅能提升軟體品質，也能確保符合產業標準。

選擇正確的工具與方法，將能提升產品的可靠性、穩定性，並在嵌入式產業中取得競爭優勢。確保嵌入式軟體的高品質、安全性與資安防護，需要合適的工具與專業技術。

（本文作者Hyun-Do Lee為IAR業務經理）