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| 研究生： |
黃筠 Huang, Yun |
|---|---|
| 論文名稱： |
基於虛擬化硬體的自動化物聯網裝置韌體行為驅動測試工具 An Automated Behavior-Driven Testing Tool for IoT Device Firmware Based on Virtualized Hardware |
| 指導教授： |
廖峻鋒
許志堅 |
| 學位類別： |
碩士
Master |
| 系所名稱： |
傳播學院 - 數位內容碩士學位學程 Digital Content and Technologies |
| 論文出版年： | 2026 |
| 畢業學年度： | 114 |
| 語文別： | 中文 |
| 論文頁數： | 73 |
| 中文關鍵詞： | 物聯網 、自動化測試 、行為驅動開發 、Arduino 、虛擬化硬體 |
| 相關次數： | 點閱：4 下載：0 |
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物聯網（Internet of Things, IoT）與人工智慧物聯網（Artificial Intelligence of Things, AIoT）快速發展，使各類感測器、控制器與智慧裝置廣泛應用於資料蒐集、環境監控與即時控制。Arduino 因具備低成本、易於使用及開源生態完整等特性，成為常見的物聯網開發平台。然而，其韌體測試通常依賴實體開發板、外部元件及人工操作，使測試流程難以自動化，也增加重現與維護成本。
為改善上述問題，本研究提出一套基於虛擬化硬體的韌體行為驅動測試工具。其主要特色包括：第一，以 Gherkin 的 Given--When--Then 結構建立可執行的韌體行為規格；第二，建立由底層硬體狀態到行為斷言的觀測機制，將 PWM 波形與硬體狀態轉換為 duty cycle、平均電壓及變化趨勢等可斷言結果；第三，以軟體模組模擬 USART 的資料到達、緩衝區、狀態旗標與中斷觸發等非同步通訊行為；第四，以 CPU cycle 為基礎設計時間推進、執行切片與週期性觀測機制，以支援時間相關韌體行為之驗證。本研究以 Arduino UNO 與 ATmega328P 為驗證平台，將原本依賴實體硬體的事件輸入與狀態觀測，轉換為可控制、可重現且可自動執行的測試流程。
本研究透過測試規格覆蓋度、PWM 輸出觀測準確性、USART 通訊一致性及時間策略消融實驗進行評估。結果顯示，本工具能支援多數 Arduino 官方範例的常見韌體互動情境，並能對 PWM、USART 與時間相關行為提供可重現的測試結果。整體而言，本工具可降低韌體測試對實體設備與人工觀測的依賴，並提升測試流程的自動化、可重現性與可維護性。
第一章緒論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 研究背景與動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 研究目的與問題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.1 研究目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.2 研究問題. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 研究特色與研究流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.1 研究特色. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.2 研究流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
第二章文獻探討. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1 韌體自動化測試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 軟體測試種類與模擬策略. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 測試層級與測試目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 嵌入式系統的測試需求與常見策略. . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 測試替身（Test Doubles）之定義與分類. . . . . . . . . . . . 18
iii
2.2.4 本研究系統之測試種類定位與替身策略. . . . . . . . . . . . 22
2.3 驅動開發種類. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.1 Test-Driven Development（TDD） . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.2 Behavior-Driven Development（BDD） . . . . . . . . . . . . . 24
2.3.3 Acceptance Test-Driven Development（ATDD）與Specification
by Example（SBE） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4 既有方法比較與本研究定位. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
第三章研究方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1 系統架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.1.1 測試架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.1.2 系統運作流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 測試規格與測試介面設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.1 測試需求檔之可執行化設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.2 動態編譯：由規格內嵌程式生成.hex . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.3 測試介面設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 模擬硬體環境執行. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3.1 執行器：韌體程式載入與時間推進. . . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.2 控制器：事件輸入與狀態觀測的統一. . . . . . . . . . . . . . 38
3.3.3 USART 之通訊與中斷模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4 測試案例範例. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.1 測試種類與行為. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4.2 典型測試案例實施說明. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
第四章評估與討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1 測試規格覆蓋度分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.1 實驗設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.2 實驗結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.3 討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.2 PWM 輸出觀測準確性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.1 實驗設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.2.2 實驗結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.2.3 討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3 USART 通訊一致性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.1 TX 壓力測試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.2 RX 壓力測試. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.3 討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4 時間推進與觀測策略消融分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4.1 實驗設計. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4.2 實驗結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4.3 討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.5 研究問題討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.5.1 RQ1：Gherkin 與Step Definitions 是否能支援Arduino 韌體
常見互動情境？ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5.2 RQ2：在虛擬硬體環境中底層硬體狀態是否能被轉換為可斷
言之行為結果？ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.5.3 RQ3：軟體機制是否能模擬真實硬體之非同步USART 通訊
行為？ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.5.4 RQ4：時間推進與觀測策略如何影響測試穩定性？ . . . . . . 66
4.6 小結. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
第五章結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
附錄. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
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