ESP-IDF pytest 指南

[English]

ESP-IDF 有多种类型的测试需在 ESP 芯片上执行(即 目标测试)。目标测试通常作为 IDF 测试项目(即 测试应用程序)的一部分进行编译,在这个过程中,测试应用程序和其他标准 IDF 项目遵循同样的构建、烧写和监控流程。

通常,目标测试需要连接一台主机(如个人电脑),负责触发特定的测试用例、提供测试数据、检查测试结果。

ESP-IDF 在主机端使用 pytest 框架(以及一些 pytest 插件)来自动进行目标测试。本文档介绍 ESP-IDF 中的 pytest,并介绍以下内容:

  1. ESP-IDF 中不同类型的测试应用程序。

  2. 将 pytest 框架应用于 Python 测试脚本,进行自动化目标测试。

  3. ESP-IDF CI (Continuous Integration) 板载测试流程。

  4. 使用 pytest 在本地执行目标测试。

  5. pytest 的使用技巧。

备注

ESP-IDF 默认使用以下插件:

本文档介绍的所有概念和用法都基于 ESP-IDF 的默认配置,并非都适用于原生 pytest。

安装

所有依赖项都可以通过执行安装脚本的 --enable-pytest 进行安装:

$ install.sh --enable-pytest

安装过程常见问题

No Package 'dbus-1' Found

configure: error: Package requirements (dbus-1 >= 1.8) were not met:

No package 'dbus-1' found

Consider adjusting the PKG_CONFIG_PATH environment variable if you
installed software in a non-standard prefix.

如果遇到上述错误信息,可能需要安装一些缺失的软件包。

如果使用 Ubuntu 系统,可能需要执行:

sudo apt-get install libdbus-glib-1-dev

sudo apt-get install libdbus-1-dev

如使用 Linux 其他发行版本,请在搜索引擎中查询上述错误信息,并查找对应发行版需安装哪些缺失的软件包。

Invalid command 'bdist_wheel'

error: invalid command 'bdist_wheel'

如果遇到上述错误信息,可能需要安装一些缺失的 Python 包,例如:

python -m pip install -U pip

python -m pip install wheel

备注

执行 pip 命令前,请确保使用的环境为 IDF Python 虚拟环境。

测试应用程序

ESP-IDF 包含不同类型的测试应用程序,可用 pytest 自动完成。

组件测试

ESP-IDF 组件通常包含针对特定组件的测试应用程序,执行针对特定组件的单元测试。推荐通过组件测试应用程序来测试组件。所有测试应用程序都应位于 ${IDF_PATH}/components/<COMPONENT_NAME>/test_apps 下,例如:

components/
└── my_component/
      ├── include/
      │   └── ...
      ├── test_apps/
      │   ├── test_app_1
      │   │   ├── main/
      │   │   │   └── ...
      │   │   ├── CMakeLists.txt
      │   │   └── pytest_my_component_app_1.py
      │   ├── test_app_2
      │   │   ├── ...
      │   │   └── pytest_my_component_app_2.py
      │   └── parent_folder
      │       ├── test_app_3
      │       │   ├── ...
      │       │   └── pytest_my_component_app_3.py
      │       └── ...
      ├── my_component.c
      └── CMakeLists.txt

例程测试

例程测试是为了向用户展示 ESP-IDF 的部分功能(要了解更多信息,请参考 Examples Readme )。

但是,要确保这些例程正确运行,可将例程看作测试应用,并用 pytest 自动执行。所有例程都应和已测试的例程,包括 Python 测试脚本一起放在 ${IDF_PATH}/examples 路径下,例如:

examples/
└── parent_folder/
    └── example_1/
        ├── main/
        │   └── ...
        ├── CMakeLists.txt
        └── pytest_example_1.py

自定义测试

自定义测试是为了测试 ESP-IDF 的一些任意功能,这些测试不是为了向用户展示 ESP-IDF 的功能。

所有自定义测试应用都位于 ${IDF_PATH}/tools/test_apps 路径下。要了解更多信息,请参考 Custom Test Readme

在 ESP-IDF 中使用 pytest

pytest 执行步骤

  1. 引导阶段

创建会话缓存:

  • 端口目标缓存

  • 端口应用缓存

  1. 数据获取阶段

    1. 获取所有前缀为 pytest_ 的 Python 文件。

    2. 获取所有前缀为 test_ 的测试函数。

    3. 应用 params,并复制测试函数。

    4. 利用 CLI 选项筛选测试用例。详细用法请参考 筛选测试用例

  2. 运行阶段

    1. 创建 fixture。在 ESP-IDF 中,常见 fixture 的初始化顺序如下:

      1. pexpect_proc: pexpect 实例

      2. app: IdfApp 实例

        此阶段会解析测试应用程序的相关信息,如 sdkconfig、flash_files、partition_table 等。

      3. serial: IdfSerial 实例

        此阶段会自动检测目标芯片所连接的主机端口。考虑到主机可能连接了多个目标芯片,应用程序会解析测试目标芯片的类型。测试程序的二进制文件会自动烧写到测试目标芯片上。

      4. dut: IdfDut 实例

    2. 运行测试函数。

    3. 析构 fixture。析构顺序如下:

      1. dut

        1. 关闭 serial 端口。

        2. (仅适用于使用了 Unity 测试框架 的应用程序)生成 Unity 测试用例的 JUnit 报告。

      2. serial

      3. app

      4. pexpect_proc:关闭文件描述符

    D.(仅适用于使用了 Unity 测试框架 的应用程序)

    如果调用了 dut.expect_from_unity_output(),那么检测到 Unity 测试失败时会触发 AssertionError

  3. 报告阶段

    1. 为测试函数生成 Junit 报告。

    2. 将 JUnit 报告中的测试用例名修改为 ESP-IDF 测试用例 ID 格式: <target>.<config>.<test function name>

  4. 完成阶段(仅适用于使用了 Unity 测试框架 的应用程序)

    如果生成了 Unity 测试用例的 JUnit 报告,这些报告会被合并。

入门示例

以下 Python 测试脚本示例来自 pytest_console_basic.py

@pytest.mark.esp32
@pytest.mark.esp32c3
@pytest.mark.generic
@pytest.mark.parametrize('config', [
    'history',
    'nohistory',
], indirect=True)
def test_console_advanced(config: str, dut: IdfDut) -> None:
    if config == 'history':
        dut.expect('Command history enabled')
    elif config == 'nohistory':
        dut.expect('Command history disabled')

下面的小节对这个简单的测试脚本进行了逐行讲解,以说明 pytest 在 ESP-IDF 测试脚本中的典型使用方法。

目标芯片 marker

使用 Pytest marker 可以指出某个特定测试用例应在哪个目标芯片(即 ESP 芯片)上运行。例如:

@pytest.mark.esp32     # <-- support esp32
@pytest.mark.esp32c3   # <-- support esp32c3
@pytest.mark.generic   # <-- test env "generic"

上例表明,某一测试用例可以在 ESP32 和 ESP32-C3 上运行。此外,目标芯片的类型应为 generic。要了解有关 generic 类型,运行 pytest --markers 以获取所有 marker 的详细信息。

备注

如果测试用例可以在 ESP-IDF 官方支持的所有目标芯片上运行(调用 idf.py --list-targets 了解详情),则可以使用特殊 marker supported_targets 指定所有目标芯片。

参数化 marker

可使用 pytest.mark.parametrizeconfig 参数对包含不同 sdkconfig 文件的不同应用程序进行相同的测试。如需了解关于 sdkconfig.ci.xxx 文件的更多信息,请参考 readme 下的 Configuration Files 章节。

@pytest.mark.parametrize('config', [
    'history',     # <-- run with app built by sdkconfig.ci.history
    'nohistory',   # <-- run with app built by sdkconfig.ci.nohistory
], indirect=True)  # <-- `indirect=True` is required

总体而言,这一测试函数会复制为 4 个测试用例:

  • esp32.history.test_console_advanced

  • esp32.nohistory.test_console_advanced

  • esp32c3.history.test_console_advanced

  • esp32c3.nohistory.test_console_advanced

测试串行输出

为确保测试在目标芯片上顺利执行,测试脚本可使用 dut.expect() 函数来测试目标芯片上的串行输出:

def test_console_advanced(config: str, dut: IdfDut) -> None:  # The value of argument ``config`` is assigned by the parameterization.
    if config == 'history':
        dut.expect('Command history enabled')
    elif config == 'nohistory':
        dut.expect('Command history disabled')

在执行 dut.expect(...) 时,首先会将预期字符串编译成正则表达式用于搜索串行输出结果,直到找到与该编译后的正则表达式匹配的结果或运行超时。

如果预期字符串中包含正则表达式关键字(如括号或方括号),则需格外注意。或者,也可以使用 dut.expect_exact(...),它会尝试直接匹配字符串,而不将其转换为正则表达式。

如需了解关于 expect 函数类型的更多信息,请参考 pytest-embedded Expecting documentation

进阶示例

用同一应用程序进行多个 DUT 测试

有时,一个测试可能涉及多个运行同一测试程序的目标芯片。在这种情况下,可以使用 parameterize 将多个 DUT 实例化,例如:

@pytest.mark.esp32s2
@pytest.mark.esp32s3
@pytest.mark.usb_host
@pytest.mark.parametrize('count', [
    2,
], indirect=True)
def test_usb_host(dut: Tuple[IdfDut, IdfDut]) -> None:
    device = dut[0]  # <-- assume the first dut is the device
    host = dut[1]    # <-- and the second dut is the host
    ...

将参数 count 设置为 2 后,所有 fixture 都会改为元组。

用不同应用程序进行多个 DUT 测试

有时(特别是协议测试),一个测试可能涉及多个运行不同测试程序的目标芯片(例如不同目标芯片作为主机和从机)。在这种情况下,可以使用 parameterize 将针对不同测试应用程序的多个 DUT 实例化。

以下代码示例来自 pytest_wifi_getting_started.py

@pytest.mark.esp32
@pytest.mark.multi_dut_generic
@pytest.mark.parametrize(
    'count, app_path', [
        (2,
         f'{os.path.join(os.path.dirname(__file__), "softAP")}|{os.path.join(os.path.dirname(__file__), "station")}'),
    ], indirect=True
)
def test_wifi_getting_started(dut: Tuple[IdfDut, IdfDut]) -> None:
    softap = dut[0]
    station = dut[1]
    ...

以上示例中,第一个 DUT 用 softAP 应用程序烧录,第二个 DUT 用 station 应用程序烧录。

备注

这里的 app_path 应设置为绝对路径。Python 中的 __file__ 宏会返回测试脚本自身的绝对路径。

用不同应用程序和目标芯片进行多目标测试

以下代码示例来自 pytest_wifi_getting_started.py 。如注释所述,该代码目前尚未在 ESP-IDF CI 中运行。

@pytest.mark.parametrize(
    'count, app_path, target', [
        (2,
         f'{os.path.join(os.path.dirname(__file__), "softAP")}|{os.path.join(os.path.dirname(__file__), "station")}',
         'esp32|esp32s2'),
        (2,
         f'{os.path.join(os.path.dirname(__file__), "softAP")}|{os.path.join(os.path.dirname(__file__), "station")}',
         'esp32s2|esp32'),
    ],
    indirect=True,
)
def test_wifi_getting_started(dut: Tuple[IdfDut, IdfDut]) -> None:
    softap = dut[0]
    station = dut[1]
    ...

总体而言,此测试函数会被复制为 2 个测试用例:

  • 在 ESP32 上烧录 softAP,在 ESP32-S2 上烧录 station

  • 在 ESP32-S2 上烧录 softAP,在 ESP32 上烧录 station

支持对不同 sdkconfig 文件及目标芯片的组合测试

以下进阶代码示例来自 pytest_panic.py

CONFIGS = [
    pytest.param('coredump_flash_bin_crc', marks=[pytest.mark.esp32, pytest.mark.esp32s2]),
    pytest.param('coredump_flash_elf_sha', marks=[pytest.mark.esp32]),  # sha256 only supported on esp32
    pytest.param('coredump_uart_bin_crc', marks=[pytest.mark.esp32, pytest.mark.esp32s2]),
    pytest.param('coredump_uart_elf_crc', marks=[pytest.mark.esp32, pytest.mark.esp32s2]),
    pytest.param('gdbstub', marks=[pytest.mark.esp32, pytest.mark.esp32s2]),
    pytest.param('panic', marks=[pytest.mark.esp32, pytest.mark.esp32s2]),
]

@pytest.mark.parametrize('config', CONFIGS, indirect=True)
...

自定义类

通常,可能会在下列情况下编写自定义类:

  1. 向一定数量的 DUT 添加更多可复用功能。

  2. 为不同阶段添加自定义的前置和后置函数,请参考章节 pytest 执行步骤

以下代码示例来自 panic/conftest.py

class PanicTestDut(IdfDut):
    ...

@pytest.fixture(scope='module')
def monkeypatch_module(request: FixtureRequest) -> MonkeyPatch:
    mp = MonkeyPatch()
    request.addfinalizer(mp.undo)
    return mp


@pytest.fixture(scope='module', autouse=True)
def replace_dut_class(monkeypatch_module: MonkeyPatch) -> None:
    monkeypatch_module.setattr('pytest_embedded_idf.dut.IdfDut', PanicTestDut)

monkeypatch_module 提供了一个 基于模块monkeypatch fixture。

replace_dut_class 是一个 基于模块自动执行 fixture。 该函数会用你的自定义类替换 IdfDut 类。

标记不稳定测试

某些测试用例基于以太网或 Wi-Fi。然而由于网络问题,测试可能会不稳定。此时,可以将某个测试用例标记为不稳定的测试用例。

以下代码示例来自 pytest_esp_eth.py

@pytest.mark.flaky(reruns=3, reruns_delay=5)
def test_esp_eth_ip101(dut: IdfDut) -> None:
    ...

这一 marker 表示,如果该测试函数失败,其测试用例会每隔 5 秒钟再运行一次,最多运行三次。

标记已知失败

有时,测试会因以下原因而持续失败:

  • 测试的功能(或测试本身)存在错误。

  • 测试环境不稳定(例如网络问题),导致失败率较高。

可使用 xfail marker 来标记此测试用例,并写出原因。

以下代码来自 pytest_panic.py

@pytest.mark.xfail('config.getvalue("target") == "esp32s2"', reason='raised IllegalInstruction instead')
def test_cache_error(dut: PanicTestDut, config: str, test_func_name: str) -> None:

这一 marker 表示该测试在 ESP32-S2 上是一个已知失败。

标记夜间运行的测试用例

在缺少 runner 时,一些测试用例仅在夜间运行的管道中触发。

@pytest.mark.nightly_run

这一 marker 表示,此测试用例仅在环境变量为 NIGHTLY_RUNINCLUDE_NIGHTLY_RUN 时运行。

标记在 CI 中暂时禁用的测试用例

在缺少 runner 时,可以在 CI 中禁用一些本地能够通过测试的测试用例。

@pytest.mark.temp_skip_ci(targets=['esp32', 'esp32s2'], reason='lack of runners')

这一 marker 表明,此测试用例仍可以在本地用 pytest --target esp32 执行,但不会在 CI 中执行。

运行 Unity 测试用例

对基于组件的单元测试应用程序,以下代码即可执行所有的单板测试用例,包括普通测试用例和多阶段测试用例:

def test_component_ut(dut: IdfDut):
    dut.run_all_single_board_cases()

此代码还会跳过所有 tag 为 [ignore] 的测试用例。

如需按组执行测试用例,可运行:

def test_component_ut(dut: IdfDut):
    dut.run_all_single_board_cases(group='psram')

此代码会触发模块包含 [psram] tag 的所有测试用例。

你可能还会看到一些包含以下语句的测试脚本,这些脚本已被弃用。请使用上述建议的方法。

def test_component_ut(dut: IdfDut):
    dut.expect_exact('Press ENTER to see the list of tests')
    dut.write('*')
    dut.expect_unity_test_output()

如需了解关于 ESP-IDF 单元测试的更多内容,请参考 ESP32-C3 中的单元测试

在 CI 中执行测试

CI 的工作流程很简单,即 编译任务 -> 板载测试任务。

编译任务

编译任务命名

  • 基于组件的单元测试: build_pytest_components_<target>

  • 例程测试: build_pytest_examples_<target>

  • 自定义测试: build_pytest_test_apps_<target>

编译任务命令

CI 用于创建所有相关测试的命令为: python $IDF_PATH/tools/ci/ci_build_apps.py <parent_dir> --target <target> -vv --pytest-apps

所有支持指定目标芯片的应用程序都使用 build_<target>_<config> 下支持的 sdkconfig 文件创建。

例如,如果运行 python $IDF_PATH/tools/ci/ci_build_apps.py $IDF_PATH/examples/system/console/basic --target esp32 --pytest-apps 指令,文件夹结构将如下所示:

basic
├── build_esp32_history/
│   └── ...
├── build_esp32_nohistory/
│   └── ...
├── main/
├── CMakeLists.txt
├── pytest_console_basic.py
└── ...

所有编译文件的文件夹都会上传到同一路径。

板载测试任务

板载测试任务命名

  • 基于部件的单元测试: component_ut_pytest_<target>_<test_env>

  • 例程测试: example_test_pytest_<target>_<test_env>

  • 自定义测试: test_app_test_pytest_<target>_<test_env>

板载测试任务命令

CI 用于执行所有相关测试的命令为: pytest <parent_dir> --target <target> -m <test_env_marker>

这一命令将执行父文件夹下所有具有指定目标芯片 marker 和测试环境 marker 的测试用例。

板载测试任务中的二进制文件是从编译任务中下载的,相应文件会放在同一路径下。

本地测试

首先,你需为 ESP-IDF 安装 Python 依赖:

$ cd $IDF_PATH
$ bash install.sh --enable-pytest
$ . ./export.sh

默认情况下,pytest 脚本会按照以下顺序查找编译目录:

  • --build-dir 命令行参数设置的目录。(当指定时)

  • build_<target>_<sdkconfig>

  • build_<target>

  • build_<sdkconfig>

  • build

因此,运行 pytest 最简单的方式是调用 idf.py build

例如,如果你要执行 $IDF_PATH/examples/get-started/hello_world 文件夹下的所有 ESP32 测试,你可执行:

$ cd examples/get-started/hello_world
$ idf.py build
$ pytest --target esp32

如果你的测试应用程序中有多个 sdkconfig 文件,例如那些 sdkconfig.ci.* 文件, 仅使用 idf.py build 命令并不能调用这些额外的 sdkconfig 文件。下文以 $IDF_PATH/examples/system/console/basic 为例进行说明。

如果要用 history 配置测试此应用程序,并用 idf.py build 进行编译,你需运行:

$ cd examples/system/console/basic
$ idf.py -DSDKCONFIG_DEFAULTS="sdkconfig.defaults;sdkconfig.ci.history" build
$ pytest --target esp32 --sdkconfig history

如果你想同时编译测试所有 sdkconfig 文件,则需运行我们的 CI 脚本 (ci_build_apps.py) 作为辅助脚本:

$ cd examples/system/console/basic
$ python $IDF_PATH/tools/ci/ci_build_apps.py . --target esp32 -vv --pytest-apps
$ pytest --target esp32

包含 sdkconfig.ci.history 配置的应用程序会编译到 build_esp32_history 中,而包含 sdkconfig.ci.nohistory 配置的应用程序会编译到 build_esp32_nohistory 中。 pytest --target esp32 命令会在这两个应用程序上运行测试。

使用技巧

筛选测试用例

  • 根据目标芯片筛选: pytest --target <target>

    pytest 会执行所有支持指定目标芯片的测试用例。

  • 根据 sdkconfig 文件筛选: pytest --sdkconfig <sdkconfig>

    如果 <sdkconfig>default,pytest 会执行所有 sdkconfig 文件包含 sdkconfig.defaults 的测试用例。

    如果是其他情况,pytest 会执行所有 sdkconfig 文件包含 sdkconfig.ci.<sdkconfig> 的测试用例。

  • 使用 pytest -k <test-case name> 按测试用例名称筛选,可以运行单个测试用例,例如 pytest -k test_int_wdt_cache_disabled

添加新 marker

我们目前使用两种自定义 marker。target marker 是指测试用例支持此目标芯片,env marker 是指测试用例应分配到 CI 中具有相应 tag 的 runner 上。

你可以在 ${IDF_PATH}/conftest.py 文件后添加一行新的 marker。如果该 marker 是 target marker,应将其添加到 TARGET_MARKERS 中。如果该 marker 指定了一类测试环境,应将其添加到 ENV_MARKERS 中。自定义 marker 格式: <marker_name>: <marker_description>

生成 JUnit 报告

你可调用 pytest 执行 --junitxml <filepath> 生成 JUnit 报告。在 ESP-IDF 中,测试用例命名会统一为 <target>.<config>.<function_name>

跳过自动烧录二进制文件

调试测试脚本时最好跳过自动烧录二进制文件。

调用 pytest 执行 --skip-autoflash y 即可实现。

记录数据

在执行测试时,你有时需要记录一些数据,例如性能测试数据。

在测试脚本中使用 record_xml_attribute fixture,数据就会记录在 JUnit 报告的属性中。

日志系统

在执行测试用例时,你有时可能需要添加一些额外的日志行。

这可通过使用 Python 日志模块 实现。

其他日志函数(作为 fixture)

log_performance
def test_hello_world(
    dut: IdfDut,
    log_performance: Callable[[str, object], None],
) -> None:
    log_performance('test', 1)

以上示例可实现用预定义格式 [performance][test]: 1 记录性能数据,并在指定 --junitxml <filepath> 的情况下将其记录在 JUnit 报告的 properties tag 下。相应的 JUnit 测试用例节点如下所示:

<testcase classname="examples.get-started.hello_world.pytest_hello_world" file="examples/get-started/hello_world/pytest_hello_world.py" line="13" name="esp32.default.test_hello_world" time="8.389">
    <properties>
        <property name="test" value="1"/>
    </properties>
</testcase>
check_performance

我们提供了 TEST_PERFORMANCE_LESS_THANTEST_PERFORMANCE_GREATER_THAN 宏来记录性能项,并检测性能项的数值是否在有效范围内。有时 C 宏无法检测一些性能项的值,为此,我们提供了 Python 函数实现相同的目的。注意,由于该 Python 函数不能很好地识别不同的 ifdef 块下同一性能项的阈值,请尽量使用 C 宏。

def test_hello_world(
    dut: IdfDut,
    check_performance: Callable[[str, float, str], None],
) -> None:
    check_performance('RSA_2048KEY_PUBLIC_OP', 123, 'esp32')
    check_performance('RSA_2048KEY_PUBLIC_OP', 19001, 'esp32')

以上示例会首先从 components/idf_test/include/idf_performance.h 和指定目标芯片的 components/idf_test/include/esp32/idf_performance_target.h 头文件中获取性能项 RSA_2048KEY_PUBLIC_OP 的阈值,然后检查该值是否达到了最小值或超过了最大值。

例如,假设 IDF_PERFORMANCE_MAX_RSA_2048KEY_PUBLIC_OP 的值为 19000,则上例中第一行 check_performance 会通过测试,第二行会失败并警告: [Performance] RSA_2048KEY_PUBLIC_OP value is 19001, doesn\'t meet pass standard 19000.0

扩展阅读