【C++ 硬核】摆脱开发板：用 Google Test + Mock 构建嵌入式 TDD (测试驱动开发) 体系

摘要：嵌入式软件质量往往依赖于手工测试，回归测试成本极高。一旦底层硬件没就位，软件开发就得停滞。本文将介绍如何通过 接口抽象 和 依赖注入，将业务逻辑与硬件驱动解耦。利用 Google Mock 模拟硬件行为（如模拟 Flash 写入失败、模拟传感器数据），在 PC 上实现自动化的单元测试。

一、 痛点：被硬件“绑架”的软件开发

假设你要写一个 “数据记录器” 的逻辑：

典型的“耦合”代码

// DataLogger.cpp
#include "stm32f4xx_hal.h" // 强依赖硬件库

void LogProcess() {
float val = AD7606_Read(); // 直接调用驱动

if (val > 50.0f) {
if (W25Q_Write(val) != HAL_OK) { // 直接调用驱动
W25Q_EraseSector(0);
}
}
}

问题：

二、 破局：面向接口编程 (Interface-Based Design)

要实现 PC 端测试，必须把**“做什么 (Logic)”** 和 “怎么做 (Driver)” 分开。

1. 定义纯虚接口 (HAL Abstraction)

// IFlash.h
// 定义 Flash 的抽象行为，不包含任何 STM32 代码
class IFlash {
public:
virtual ~IFlash() = default;
virtual bool Write(uint32_t addr, const uint8_t* data, size_t len) = 0;
virtual bool Erase(uint32_t addr) = 0;
};

// ISensor.h
class ISensor {
public:
virtual ~ISensor() = default;
virtual float ReadVoltage() = 0;
};

2. 编写业务逻辑 (只依赖接口)

// DataLogger.h
#include "IFlash.h"
#include "ISensor.h"

class DataLogger {
IFlash& m_flash; // 引用接口，而非具体类
ISensor& m_sensor;

public:
// 依赖注入：在构造时传入具体的实现
DataLogger(IFlash& flash, ISensor& sensor)
: m_flash(flash), m_sensor(sensor) {}

void Process() {
float val = m_sensor.ReadVoltage();
if (val > 50.0f) {
// 写入地址 0，模拟 4 字节数据
bool success = m_flash.Write(0, (uint8_t*)&val, 4);
if (!success) {
// 如果写入失败，尝试擦除
m_flash.Erase(0);
}
}
}
};

三、 核心武器：Google Mock

现在我们想测试 DataLogger。在 STM32 上，我们会传入真实的 Stm32Flash 类；但在 PC 上，我们传入一个**“骗子” (Mock Object)**。

Google Mock 可以自动生成这个“骗子”，并允许我们控制它的行为。

1. 定义 Mock 类

#include <gmock/gmock.h>
#include "IFlash.h"
#include "ISensor.h"

class MockFlash : public IFlash {
public:
// MOCK_METHOD(返回值, 函数名, (参数…), (修饰符));
MOCK_METHOD(bool, Write, (uint32_t, const uint8_t*, size_t), (override));
MOCK_METHOD(bool, Erase, (uint32_t), (override));
};

class MockSensor : public ISensor {
public:
MOCK_METHOD(float, ReadVoltage, (), (override));
};

四、 实战：编写单元测试用例

我们不需要编译到 ARM，直接用 gcc/clang 编译成 PC 的 exe 运行。

测试场景 1：正常记录数据

#include <gtest/gtest.h>

TEST(LoggerTest, ShouldWriteWhenVoltageHigh) {
// 1. 准备 Mock 对象
MockFlash flash;
MockSensor sensor;
DataLogger logger(flash, sensor);

// 2. 设置期望 (Expectations)
// 当调用 sensor.ReadVoltage 时，请返回 60.0 (超过阈值)
EXPECT_CALL(sensor, ReadVoltage()).WillOnce(testing::Return(60.0f));

// 期待 flash.Write 被调用一次，且返回 true
EXPECT_CALL(flash, Write(0, testing::_, 4)).WillOnce(testing::Return(true));

// 3. 执行业务
logger.Process();
}

测试场景 2：Flash 写满自动擦除 (很难在板子上测！)

TEST(LoggerTest, ShouldEraseWhenWriteFails) {
MockFlash flash;
MockSensor sensor;
DataLogger logger(flash, sensor);

// 1. 模拟电压超限
EXPECT_CALL(sensor, ReadVoltage()).WillOnce(testing::Return(60.0f));

// 2. 【关键】模拟 Flash 写入失败 (返回 false)
EXPECT_CALL(flash, Write(testing::_, testing::_, testing::_))
.WillOnce(testing::Return(false));

// 3. 验证：由于写入失败，logger 应该调用 Erase
EXPECT_CALL(flash, Erase(0)).Times(1);

// 4. 执行
logger.Process();
}

五、 进阶技巧：如何 Mock 只有 C 接口的库？

很多时候我们无法修改底层代码，比如 HAL 库只有 C 函数 HAL_GPIO_WritePin。 这时候可以使用 Linker Seam (链接器接缝) 或 虚函数适配器。

推荐做法：适配器模式 (Adapter Pattern)

不要直接在业务代码里调 HAL_xxx。

硬核做法：弱符号覆盖 (Weak Symbol Override)

如果 HAL 库里的函数是 __weak 的（STM32 HAL 大部分中断回调都是 weak），你可以在测试工程里重新定义这个 C 函数，在里面植入测试逻辑。

六、 为什么这是“降维打击”？

七、 总结

嵌入式开发不应该等同于“硬件调试”。

通过引入 Google Test 和 Mock 技术，我们将嵌入式开发拆解为两部分：

这就是现代嵌入式软件工程：用软件的思维写嵌入式，而不是用电工的思维写代码。