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★北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司程建明，徐先柱

關(guān)鍵詞：嵌入式操作系統(tǒng)；數(shù)學(xué)庫(kù)函數(shù)；對(duì)比測(cè)試；誤差分析

核鷺操作系統(tǒng)（NuEgretOS）是北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司開(kāi)發(fā)的嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)軟件，可運(yùn)行于基于龍芯2K1000處理器的專(zhuān)用硬件環(huán)境中，為執(zhí)行核安全重要功能的、符合包含IEC 62138-2018^[1]等標(biāo)準(zhǔn)要求的應(yīng)用軟件提供操作系統(tǒng)軟件環(huán)境。NuEgretOS提供在目標(biāo)硬件環(huán)境下資源分配、調(diào)度、輸入輸出控制以及數(shù)據(jù)管理等服務(wù)，應(yīng)用軟件在此基礎(chǔ)上提供信號(hào)和控制處理邏輯。NuEgretOS還提供部分C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)（其中包含數(shù)學(xué)庫(kù)函數(shù)），供基于NuEgretOS運(yùn)行的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)用。其中，NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)目前提供最常用的若干數(shù)學(xué)函數(shù)，包括三角函數(shù)、反三角函數(shù)、雙曲函數(shù)、指數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)，以及與浮點(diǎn)數(shù)特性相關(guān)的函數(shù)（如取整、取余、取絕對(duì)值、切分浮點(diǎn)數(shù)）等。

出于安全方面的原因，NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中不使用任何第三方函數(shù)庫(kù)，包括不調(diào)用編譯器自帶的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)中的函數(shù)。同時(shí)，由于NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)函數(shù)將直接參與應(yīng)用軟件處理邏輯，執(zhí)行包括核安全重要功能在內(nèi)的應(yīng)用軟件功能，因此在使用前必須對(duì)其進(jìn)行全面驗(yàn)證和確認(rèn)。通過(guò)測(cè)試保證其正確性和計(jì)算精度是NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)驗(yàn)證和確認(rèn)的重要工作之一。

1　庫(kù)函數(shù)設(shè)計(jì)NuEgretOS軟件和應(yīng)用軟件均使用C語(yǔ)言及必要的

匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，使用GCC工具進(jìn)行編譯。NuEgretOS以鏡像文件（.bin文件）方式存儲(chǔ)于目標(biāo)硬件中的存儲(chǔ)器上，并在設(shè)備上電時(shí)加載運(yùn)行。NuEgretOS的C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)（其中包含數(shù)學(xué)庫(kù)函數(shù)）以庫(kù)文件（.a文件）的形式提供給應(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境，并與應(yīng)用軟件代碼一起編譯生成可執(zhí)行與可鏈接格式文件（elf格式，.out文件），由NuEgretOS加載和運(yùn)行。

NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)（C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的一部分）中的全部函數(shù)定義和POSIX.1-2017^[2]標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)的函數(shù)相同，是POSIX.1-2017規(guī)定的數(shù)學(xué)函數(shù)的子集。

NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)各函數(shù)輸入和輸出中的數(shù)學(xué)上定義為實(shí)數(shù)的數(shù)值均使用double類(lèi)型浮點(diǎn)數(shù)表示，該浮點(diǎn)數(shù)類(lèi)型符合ISO/IEC 60559：2020（IEEE Std754-2019）^[3]對(duì)64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)（binary64）的規(guī)定。double型數(shù)據(jù)位串定義如圖1所示。

圖1 double型數(shù)據(jù)位串定義

按該標(biāo)準(zhǔn)定義，double型數(shù)以64位位串值（二進(jìn)制內(nèi)存值）表示實(shí)數(shù)域內(nèi)的若干個(gè)（264-253-1，約1.84×1019個(gè)）離散數(shù)值（有限小數(shù)，含整數(shù)）以及計(jì)算機(jī)在處理小數(shù)運(yùn)算時(shí)的特殊定義值（不表示任何實(shí)數(shù)的位串值，僅用于計(jì)算機(jī)對(duì)浮點(diǎn)數(shù)處理的特殊情況的表示）。double型數(shù)據(jù)位串值定義細(xì)分類(lèi)別及特點(diǎn)如表1所示。

表1 double型數(shù)據(jù)位串值定義細(xì)分類(lèi)別及特點(diǎn)

2　測(cè)試設(shè)計(jì)

2.1　計(jì)算誤差來(lái)源分析

基于ISO/IEC60559：2020（IEEE Std754-2019）^[3]對(duì)64位雙精度浮點(diǎn)數(shù)（binary64）的規(guī)定，雙精度浮點(diǎn)數(shù)除特殊定義值外，兩個(gè)位串值相鄰的浮點(diǎn)數(shù)數(shù)值之間的差值的絕對(duì)值定義為1個(gè)ULP（unit in the last place，最小有效數(shù)）。1ULP的實(shí)際表示值與指數(shù)域的大小相關(guān)：當(dāng)指數(shù)域?yàn)樽畲笾?x7FE時(shí)，1ULP≈8.99E307；當(dāng)指數(shù)域?yàn)樽钚≈?x000時(shí)，1ULP≈4.94E-324。對(duì)于浮點(diǎn)數(shù)表示范圍（約-1.79E308~約1.79E308）內(nèi)的任意實(shí)數(shù)，在最近舍入模式下，由浮點(diǎn)數(shù)離散特性帶來(lái)的最大表示誤差≤0.5ULPs。規(guī)格化數(shù)的二進(jìn)制有效數(shù)字個(gè)數(shù)為53個(gè)，由浮點(diǎn)數(shù)舍入帶來(lái)的最大表示誤差（≤0.5ULPs）帶來(lái)的數(shù)值相對(duì)誤差范圍為（2-54，2-53），非規(guī)格化數(shù)的二進(jìn)制有效數(shù)字個(gè)數(shù)最大為52個(gè)，隨數(shù)值減小而減少，由浮點(diǎn)數(shù)舍入帶來(lái)的最大表示誤差（≤0.5ULPs）造成的數(shù)值相對(duì)誤差也相應(yīng)增大，范圍為（2-53，2-1）。

對(duì)于NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)中與浮點(diǎn)數(shù)特性相關(guān)的算術(shù)函數(shù)（如取整、取余、取絕對(duì)值、切分浮點(diǎn)數(shù)等），函數(shù)的運(yùn)算輸出與其理論輸出之間不應(yīng)存在誤差，即允許誤差為0ULPs。而對(duì)于其它函數(shù)，包括三角函數(shù)、反三角函數(shù)、雙曲函數(shù)、指數(shù)和對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)等，其理論計(jì)算值與其函數(shù)輸出值之間的誤差受多種因素影響，主要包括：

（1）輸入值表示誤差；

（2）計(jì)算方法誤差，如使用泰勒展開(kāi)式有限項(xiàng)帶來(lái)的誤差；

（3）計(jì)算過(guò)程誤差，包括模型參數(shù)引入的誤差、中間計(jì)算結(jié)果的舍入誤差等；

（4）輸出值表示誤差。基于NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)函數(shù)的目標(biāo)應(yīng)用，除算術(shù)計(jì)算函數(shù)外，設(shè)定各函數(shù)輸出的允許誤差為2ULPs。

2.2　驗(yàn)證目標(biāo)

基于NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和應(yīng)用要求，NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)的驗(yàn)證目標(biāo)包括：

（1）各函數(shù)在其定義域內(nèi)的任意值（包括浮點(diǎn)定義的正負(fù)零值）的計(jì)算輸出值正確（符合函數(shù)定義）且在允許誤差范圍內(nèi)。

（2）各函數(shù)對(duì)異常及特殊情況處理正確，包括對(duì)計(jì)算值超浮點(diǎn)表示范圍的處理、輸入非函數(shù)定義域數(shù)值、輸入浮點(diǎn)特殊定義值等，函數(shù)輸出符合處理器特性以及IEC60559規(guī)定的特殊定義值。如有定義，NuEgretOS應(yīng)用軟件可通過(guò)注冊(cè)中斷處理程序獲知計(jì)算過(guò)程例外或異常并處理。

2.3　測(cè)試方案

NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)為新開(kāi)發(fā)軟件，各函數(shù)遵循其數(shù)學(xué)定義，其輸出值實(shí)數(shù)范圍內(nèi)存在理論精確值，該理論精確值在確定的浮點(diǎn)數(shù)類(lèi)型定義和舍入方式下，經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算后輸出的浮點(diǎn)數(shù)（二進(jìn)制內(nèi)存值）是唯一的和確定的，與函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式以及運(yùn)行所依賴(lài)的硬件和軟件環(huán)境無(wú)關(guān)。同時(shí)，NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)范圍內(nèi)的各函數(shù)已在支持POSIX標(biāo)準(zhǔn)的大多數(shù)軟件開(kāi)發(fā)工具及編譯工具中實(shí)現(xiàn)。這些已實(shí)現(xiàn)的函數(shù)多包含在隨軟件開(kāi)發(fā)工具及編譯工具提供的函數(shù)庫(kù)中，其實(shí)現(xiàn)比較成熟且已有較多運(yùn)行經(jīng)歷，運(yùn)算結(jié)果相對(duì)可信，NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)測(cè)試時(shí)假定對(duì)應(yīng)函數(shù)的預(yù)期運(yùn)算結(jié)果。當(dāng)運(yùn)算結(jié)果一致時(shí)，可在較高可信度上證明NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)函數(shù)的正確性和精度，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果不一致時(shí)，進(jìn)行函數(shù)實(shí)現(xiàn)分析以定位問(wèn)題或通過(guò)設(shè)計(jì)分析證明NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)函數(shù)的正確性和精度。測(cè)試前對(duì)NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)全部函數(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)代碼的評(píng)審和分析也是保證NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)函數(shù)的正確性和精度的措施。因此，可以通過(guò)對(duì)比其它已實(shí)現(xiàn)的成熟函數(shù)庫(kù)執(zhí)行結(jié)果的方式，對(duì)NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)的正確性和精度進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)對(duì)比測(cè)試總體方案如圖2所示。

圖2 對(duì)比測(cè)試方案

分別建立數(shù)學(xué)庫(kù)的參考運(yùn)行環(huán)境和目標(biāo)機(jī)運(yùn)行環(huán)境，目標(biāo)機(jī)運(yùn)行環(huán)境和NuEgretOS應(yīng)用軟件運(yùn)行環(huán)境完全一致。在參考運(yùn)行環(huán)境下，可以用與NuEgretOS應(yīng)用程序相同的方式調(diào)用相同定義的各數(shù)學(xué)庫(kù)函數(shù)。參考運(yùn)行環(huán)境由通用PC機(jī)搭建，同時(shí)作為測(cè)試應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

用相同的方式分別建立參考環(huán)境測(cè)試工程和目標(biāo)機(jī)測(cè)試工程，兩個(gè)測(cè)試工程共用一套C語(yǔ)言代碼，兩個(gè)工程中的測(cè)試應(yīng)用程序內(nèi)必要的有差別的行為通過(guò)預(yù)編譯開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。測(cè)試應(yīng)用程序中含用例生成、用例執(zhí)行、結(jié)果保存、用例讀取、結(jié)果比較等主要功能模塊。參考環(huán)境應(yīng)用程序?qū)嶋H執(zhí)行用例生成、用例執(zhí)行、結(jié)果保存三項(xiàng)功能。參考環(huán)境測(cè)試應(yīng)用程序運(yùn)行結(jié)果保存中包括了測(cè)試用例中各函數(shù)的輸入序列和其在參考環(huán)境中的運(yùn)算結(jié)果。各函數(shù)的輸入序列和對(duì)應(yīng)的參考環(huán)境運(yùn)算結(jié)果組成測(cè)試向量，以二進(jìn)制內(nèi)存拷貝的方式保存成文件，并下載到目標(biāo)機(jī)運(yùn)行環(huán)境。目標(biāo)機(jī)測(cè)試應(yīng)用程序讀取各待測(cè)函數(shù)測(cè)試向量生成測(cè)試用例。目標(biāo)機(jī)測(cè)試應(yīng)用程序執(zhí)行完成測(cè)試用例后進(jìn)行結(jié)果比較，以文件和串口打印輸出的形式輸出與參考環(huán)境計(jì)算結(jié)果的比較情況。同時(shí)目標(biāo)機(jī)測(cè)試應(yīng)用程序用與參考環(huán)境測(cè)試應(yīng)用程序相同的方式保存測(cè)試結(jié)果。參考環(huán)境和目標(biāo)機(jī)處理器大小端模式相同，測(cè)試向量的保存、傳遞和讀取過(guò)程不引入浮點(diǎn)數(shù)表示誤差。參考環(huán)境和目標(biāo)機(jī)的測(cè)試應(yīng)用程序的全部輸出作為人工分析的輸入，用以最終判定NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)的正確性和計(jì)算精度是否符合設(shè)計(jì)和應(yīng)用目標(biāo)。

另外，還使用不同的編譯工具生成多個(gè)參考環(huán)境測(cè)試應(yīng)用程序并對(duì)其運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行比較，用以提高參考環(huán)境測(cè)試應(yīng)用程序運(yùn)算結(jié)果作為NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)預(yù)期結(jié)果的可信度。

2.4　測(cè)試用例生成

在本項(xiàng)測(cè)試中，各函數(shù)的測(cè)試輸入覆蓋率是保證對(duì)NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)各函數(shù)測(cè)試全面性的最重要指標(biāo)。由于double型數(shù)據(jù)位串值個(gè)數(shù)（264）遠(yuǎn)大于目標(biāo)機(jī)運(yùn)行環(huán)境可執(zhí)行測(cè)試輸入數(shù)量，進(jìn)行位串值完全窮舉是不可行的，需按適當(dāng)?shù)囊?guī)則進(jìn)行抽樣。

為保證充分的輸入覆蓋率，測(cè)試用例設(shè)計(jì)前先分析各函數(shù)的基本特性，包括定義域、周期（如有）、單調(diào)性、與函數(shù)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法相關(guān)的特殊值等，再根據(jù)各函數(shù)特性和浮點(diǎn)數(shù)定義自動(dòng)生成測(cè)試輸入序列。在參考環(huán)境測(cè)試應(yīng)用程序中生成各函數(shù)測(cè)試輸入值序列時(shí)，需滿(mǎn)足以下規(guī)則：

2.4.1　插入函數(shù)整體定義域邊界值、典型周期定義域邊界值、函數(shù)拐點(diǎn)值，無(wú)論函數(shù)在這些值上是否有定義；

2.4.2　插入函數(shù)整體定義域、典型周期定義域內(nèi)若干（40個(gè)以上）隨機(jī)值；

2.4.3　插入與各函數(shù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的特殊值，可能包括：

（1）與函數(shù)計(jì)算方法相關(guān)的函數(shù)定義域邊界值，如sin函數(shù)中泰勒展開(kāi)式計(jì)算前x的邊界值π/4；

（2）與函數(shù)計(jì)算所用參數(shù)相關(guān)的特殊值等；

（3）函數(shù)計(jì)算過(guò)程中可能出現(xiàn)溢出例外的函數(shù)定義域值。

2.4.4　插入與浮點(diǎn)數(shù)定義相關(guān)的特殊值（無(wú)論數(shù)學(xué)函數(shù)在這些值上是否有定義），包括正負(fù)零、正負(fù)無(wú)窮大、qNaN（靜默非數(shù)）/sNaN（信號(hào)非數(shù)）典型值、規(guī)格化數(shù)和非規(guī)格化數(shù)的最大值和最小值。

除自動(dòng)生成的隨機(jī)數(shù)值外，以上各項(xiàng)中的輸入值均以C語(yǔ)言共用體方式直接對(duì)內(nèi)存賦值，以避免因常量編譯等因素造成實(shí)際輸入值與需輸入值不一致。另外，在按以上規(guī)則插入各函數(shù)測(cè)試輸入值時(shí)，同時(shí)插入每個(gè)輸入值的二進(jìn)制位串值的相鄰值。

3　測(cè)試工程的編譯和運(yùn)行

在參考環(huán)境中，使用MinGW提供的GCC編譯工具編譯測(cè)試工程，編譯過(guò)程中數(shù)學(xué)函數(shù)調(diào)用GCC編譯工具自帶函數(shù)庫(kù)（libgcc.a）中的對(duì)應(yīng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，編譯后的測(cè)試應(yīng)用程序在Windows操作系統(tǒng)下運(yùn)行。

目標(biāo)機(jī)測(cè)試工程在Windows操作系統(tǒng)下調(diào)用GCC編譯工具進(jìn)行交叉編譯，編譯過(guò)程中數(shù)學(xué)函數(shù)調(diào)用NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)（libEgretLibc.a）中的對(duì)應(yīng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。另外，在參考環(huán)境中還調(diào)用了MSVC編譯器編譯測(cè)試工程，編譯過(guò)程中數(shù)學(xué)函數(shù)調(diào)用MSVC編譯工具自帶的C運(yùn)行時(shí)庫(kù)中的對(duì)應(yīng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

4　運(yùn)行結(jié)果比較

4.1　參考環(huán)境下不同編譯的測(cè)試應(yīng)用程序運(yùn)算結(jié)果比較

Windows操作系統(tǒng)下使用MinGW和MSVC編譯的測(cè)試應(yīng)用程序可以相互傳遞各自生成的二進(jìn)制測(cè)試向量文件。在相同的函數(shù)輸入下，兩個(gè)程序的函數(shù)運(yùn)行結(jié)果僅存在細(xì)微差別，包括：

（1）部分函數(shù)在特殊輸入值下計(jì)算值僅相差1ULP（如sqrt函數(shù)輸入最大規(guī)格化數(shù)，sin/cos函數(shù)的部分輸入值）。

（2）部分函數(shù)在輸入為NaN時(shí)，輸出的NaN位串值不同（如fabs函數(shù)是否將NaN位串值的符號(hào)位設(shè)置為0，exp函數(shù)輸出NaN時(shí)是否將位串值尾數(shù)域的全部非首位設(shè)置為0），對(duì)NaN的不同處理均不違反C99^[4]和POSIX.1-2017標(biāo)準(zhǔn)的要求。

結(jié)合MinGW和MSVC編譯工具（包括工具自帶的函數(shù)庫(kù)）的應(yīng)用廣泛程度和函數(shù)輸出比較結(jié)果，以MinGW編譯工具生成的參考環(huán)境測(cè)試應(yīng)用程序的運(yùn)算結(jié)果作為NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)各函數(shù)的參考值是相對(duì)可信的。

4.2　參考環(huán)境和目標(biāo)機(jī)運(yùn)行環(huán)境測(cè)試應(yīng)用程序運(yùn)算結(jié)果比較

以MinGW作為參考環(huán)境測(cè)試應(yīng)用程序編譯工具，并以該參考環(huán)境測(cè)試應(yīng)用程序生成的各函數(shù)輸入序列作為目標(biāo)機(jī)測(cè)試應(yīng)用程序的被測(cè)函數(shù)輸入序列，假定該參考環(huán)境測(cè)試應(yīng)用程序?qū)ψ陨砩傻臏y(cè)試輸入序列的函數(shù)運(yùn)算結(jié)果為目標(biāo)機(jī)測(cè)試應(yīng)用程序執(zhí)行NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)各函數(shù)的預(yù)期結(jié)果（即參考值）。經(jīng)目標(biāo)機(jī)測(cè)試應(yīng)用程序運(yùn)行結(jié)果比較，除以下兩項(xiàng)主要問(wèn)題外，NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)運(yùn)算結(jié)果符合驗(yàn)證目標(biāo)：函數(shù)對(duì)有定義輸入值、異常及特殊情況處理正確，并且函數(shù)輸出為有限小數(shù)值的計(jì)算誤差≤2ULPs。

（1）問(wèn)題1：exp、sinh、sqrt、log、log10這5個(gè)函數(shù)輸入為非規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)時(shí)，計(jì)算值錯(cuò)誤。部分測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 問(wèn)題1測(cè)試結(jié)果

（2）問(wèn)題2：cos、sin、tan這三個(gè)周期性函數(shù)在輸入值較大時(shí)，計(jì)算誤差超允許值（2ULPs）。部分測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 問(wèn)題2測(cè)試結(jié)果

5　問(wèn)題分析和處理

經(jīng)過(guò)對(duì)已發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)問(wèn)題（如表2和表3所示）相關(guān)的軟件代碼進(jìn)行分析和調(diào)試，兩個(gè)問(wèn)題的原因和處理方式如下：

（1）問(wèn)題1，屬例外處理的匯編代碼錯(cuò)誤。錯(cuò)誤原因?yàn)閰R編代碼中寄存器使用錯(cuò)誤，使得NuEgretOS在處理龍芯2K1000浮點(diǎn)協(xié)處理器（FPU）的例外（未實(shí)現(xiàn)操作例外，2K1000未實(shí)現(xiàn)的MIPS64全部浮點(diǎn)指令）時(shí)的處理邏輯出現(xiàn)錯(cuò)誤。匯編代碼修改后問(wèn)題得到解決。經(jīng)回歸測(cè)試，這5個(gè)函數(shù)（exp、sinh、sqrt、log、log10）在參考環(huán)境和目標(biāo)環(huán)境的計(jì)算誤差不超過(guò)2UPLs，符合NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)預(yù)先設(shè)定的要求。

（2）問(wèn)題2，由計(jì)算參數(shù)表示誤差而引起的中間計(jì)算值誤差隨三角函數(shù)2π周期數(shù)擴(kuò)大。NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)在實(shí)現(xiàn)cos、sin、tan這三個(gè)周期性函數(shù)，其中sin和cos函數(shù)采用這兩個(gè)函數(shù)的泰勒展開(kāi)式求解，tan函數(shù)利用tanx=sinx/cosx關(guān)系式求解。在代入泰勒展開(kāi)式前，將輸入值x通過(guò)三角函數(shù)變換公式整理到絕對(duì)值不大于π/4的弧度值。首先需利用公式（如sinx=sin(k·2π+θ),x∈R,k∈N,θ∈[-π,π]）將NuEgretOS數(shù)學(xué)庫(kù)中的三角函數(shù)定義域轉(zhuǎn)化到±π之間時(shí)，使用位串值為0x401921FB54442D18的參數(shù)（名為PI2）表示理論數(shù)值2π，其表示值（6.283185307179586231996）與精確值（6.283185307179586476925）之間的表示誤差為δPI2≈2.449×10-16，約0.276ULPs。經(jīng)過(guò)k個(gè)2π周期后，造成θ值的誤差為δθ=k·δPI2，因此|k|≥1時(shí)，這一單一因素將可以造成函數(shù)值誤差大于2ULPs。解決這一問(wèn)題可以有兩個(gè)途徑：

（1）限制函數(shù)輸入值的范圍，以減少中間值θ的計(jì)算誤差；

（2）使用更高精度的浮點(diǎn)數(shù)（如binary128或兩個(gè)binary64）表示2π的值并參與計(jì)算。

6　總結(jié)

研究者引入對(duì)比測(cè)試方法快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)了對(duì)新開(kāi)發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)數(shù)學(xué)庫(kù)的測(cè)試，并通過(guò)誤差分析輔助完成了對(duì)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的被測(cè)函數(shù)問(wèn)題的定位和處理，提高了被測(cè)試函數(shù)庫(kù)的計(jì)算精度和結(jié)果可信度。

按照經(jīng)分析確定的規(guī)則生成各被測(cè)試函數(shù)輸入值序列保證了測(cè)試的有效覆蓋率。

在參考環(huán)境中采用不同編譯工具并調(diào)用不同工具自帶函數(shù)庫(kù)執(zhí)行相同輸入序列的函數(shù)計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，提高了參考環(huán)境生成的、擬作為目標(biāo)機(jī)環(huán)境被測(cè)函數(shù)預(yù)期值的函數(shù)值的正確性和精度的可信度。

使用浮點(diǎn)數(shù)內(nèi)存值二進(jìn)制方式保存、傳遞和比較各函數(shù)的輸入序列和對(duì)應(yīng)的參考環(huán)境運(yùn)算結(jié)果組成的測(cè)試向量，避免了浮點(diǎn)數(shù)值在不同環(huán)境中交換和比較可能帶來(lái)的表示誤差和比較不確定性。

通過(guò)參考環(huán)境和目標(biāo)環(huán)境測(cè)試應(yīng)用程序，測(cè)試用例按規(guī)則自動(dòng)生成、執(zhí)行并比較結(jié)果，提高了本項(xiàng)測(cè)試的自動(dòng)化程度。

作者簡(jiǎn)介：

程建明（1976-），男，四川人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事核安全級(jí)軟件的驗(yàn)證和確認(rèn)工作。

徐先柱（1982-），男，黑龍江人，高級(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，主要從事于核安全級(jí)軟件的驗(yàn)證與確認(rèn)工作。

參考文獻(xiàn)：

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[4] ISO/IEC 9899:1999 Programming languages-C[S]. 1999.

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年11月刊