Chapter 02
テスト設計の土台 — 刺激・観測・判定と、機材の選び方
この章のゴール.
1 つのブラックボックステストを「刺激 → 観測 → 判定」の 3 段で設計でき、 テストダブル（模擬相手）・自動化・機材の選び方の全体像を持つこと。
この章で使う既出の用語（定義は各リンク先）. USB（01 章 2 節）、アナログ（01 章 2 節）、オラクル（01 章 8 節）、ブラックボックステスト（01 章 1 節）、仕様書（01 章 3 節）
1. テストの最小単位 — 刺激・観測・判定
どんなブラックボックステストも、この 3 つに分解できる。
| 段 | やること | 例 |
|---|---|---|
| 刺激（stimulus） | 対象に入力を与える | ボタンを押す、BLE で書き込む、センサ値を注入する、電源を入れる |
| 観測（observation） | 外に現れる反応を測る | LED、UART ログ、消費電流、無線パケット、応答時間 |
| 判定（assertion） | オラクル（01 章）と照合して合否を出す | 「100 ms 以内に LED が点いたか」 |
「刺激なしの観測」はモニタリング（ただ眺める）であり、テストではない。 テストは必ず「こう入れたら、こうなるはず」という形を持つ。生成 AI が書いた機能を検証するときは、仕様の 1 文を 1 テストに落とすのが基本である。
AI 生成コードで特に効くテストの型.
- 仕様の直訳: 仕様書の「〜すること」を、そのまま刺激・観測・判定に変換する
- 境界と異常系: AI は正常系のデモは通すが、境界値（0、最大、オーバーフロー）や異常入力（不正なパケット、順序違反）で崩れやすい。ここを厚くする（16 章）
- 不変条件: 「どんな操作をしても消費電流が上限以下」「無線が切れても再接続する」——正常/異常を貫く条件
- 状態遷移: 「接続 → 認証 → データ → 切断」の順序を、飛ばしたり逆にしたりして確かめる
2. テストダブル — 相手を模擬する
組み込み機器は「相手」があって動く。センサ、通信先、クラウド、ユーザー。 本物の相手を毎回用意するのは大変で、しかも本物は都合の悪い入力（壊れたデータ、極端な値）を出してくれない。そこで相手を模擬する（テストダブル、test double）。
| 模擬する相手 | 実現 |
|---|---|
| センサ / 周辺 IC | I²C/SPI で偽の応答を返すマイコン（06 章・19 章）、アナログ値を DAC で注入（07 章） |
| 通信相手（BLE セントラル、Wi-Fi AP、サーバ） | PC + ドングルで役を演じる（09 章〜12 章） |
| ユーザー操作 | リレー・トランジスタでボタンを電気的に押す（15 章） |
| 電源 | プログラマブル電源で電圧を可変・瞬断（03 章・16 章） |
| 時間・環境 | 温度チャンバ、振動、光——または対応する信号を注入 |
模擬相手は「意地悪ができる」ことが本物より優れている点である。本物のセンサは正しい値しか出さないが、模擬なら NaN・範囲外・応答なしを自在に作れる。
3. ハーネスと自動化
1 回のテストを手で行うのは学習には良いが、回帰（毎回同じテストを繰り返して劣化を検出）には自動化が要る。 テスト対象を取り囲む刺激・観測・判定の仕掛け一式をテストハーネス（test harness）と呼ぶ。
- PC が司令塔になり、計測器・ドングル・治具を制御する
- pytest などのフレームワークで「刺激 → 観測 → assert」を記述する（18 章）
- 結果を機械可読な形（JUnit XML、ログ）で残し、CI で回す
- 実機が要るので、CI には実機を接続したテストランナー（HIL、15 章）を置く
4. 機材の全体像 — 何を揃えるか
観測点ごとに道具が違う。全部を最初に買う必要はなく、対象に応じて足す。
| 分類 | 道具 | 用途 | 章 |
|---|---|---|---|
| 見る（デジタル） | ロジックアナライザ（Saleae、fx2lafw + sigrok） | バス・GPIO の観測とプロトコルデコード | 04〜06 |
| 見る（アナログ） | オシロスコープ | 波形、タイミング、電源リプル | 04・07 |
| 測る（電源） | プログラマブル電源、電流計、パワーアナライザ（Otii、ppk2） | 消費電流プロファイル | 03 |
| 話す（シリアル） | USB-シリアル変換、USB-I²C/SPI アダプタ（FT2232、Bus Pirate） | UART/I²C/SPI の送受信 | 05〜06 |
| 無線を見る | BLE ドングル + bluetoothctl/bleak、Wi-Fi モニタ、SDR（RTL-SDR、HackRF） | 無線の観測と能動 | 09〜12 |
| 注入・刺激 | マイコン（自作治具）、DAC、リレー、信号発生器 | 模擬相手・刺激 | 07・15 |
| 中を覗く（半BB） | デバッグプローブ（J-Link、CMSIS-DAP）、OpenOCD/pyOCD | レジスタ・メモリ | 08 |
| 司令塔 | PC + Python、pyvisa、sigrok、pytest | 自動化 | 18〜19 |
「まず 1 万円のロジックアナライザと USB-シリアル」から.
安価なロジックアナライザ（fx2lafw 互換）+
sigrok/PulseViewと、USB-シリアル変換があれば、 UART・I²C・SPI・GPIO の大半が観測できる。無線は BLE なら数百円のドングル +bleak、 電波の広い観測は RTL-SDR（数千円）から。高い機材より、観測点を正しく選ぶことが先である。
5. グラウンドとレベル — 壊さないための基本
観測点にプローブを当てる前に、毎回確認する。
- 共通グラウンド: 測定器と対象の GND をつなぐ。つながないと波形が化ける・危険
- 電圧レベル: 対象が 3.3V ロジックなら、5V トレラントでないプローブや治具を当てると壊す。レベル変換（レベルシフタ）を挟む
- 入力インピーダンス・容量: プローブの容量が高速信号を鈍らせる（基板アートワーク編で扱う RC による波形なまりと同じ）。高速線には低容量プローブ
- 給電の競合: 対象が自分で電源を持つのに、治具からも給電すると競合する。どちらが電源を供給するか決める
6. 手を動かす
テストを 3 段に分解する
この章のポイント
- テストは 刺激 → 観測 → 判定 の 3 段。仕様の 1 文を 1 テストに落とす
- AI 生成コードは境界・異常系・不変条件・状態遷移で崩れやすい。そこを厚く
- テストダブルで相手を模擬する。本物より「意地悪できる」のが利点
- ハーネスで自動化し、回帰と CI に載せる（18 章）
- 機材は観測点ごと。安価なロジアナ + USB-シリアル + BLE ドングル + SDR から
- プローブ前にグラウンド・電圧レベルを必ず確認