基于國產(chǎn)CPU和國產(chǎn)操作系統(tǒng)的地面控制系統(tǒng)開發(fā)

賈圣羽

摘 要 為了提高某系統(tǒng)的安全性，保證核心軟硬件自主可控，在不降低性能的條件下，對系統(tǒng)中使用到的核心芯片和操作系統(tǒng)進(jìn)行國產(chǎn)化替代方案研究，通過調(diào)研國內(nèi)的芯片和操作系統(tǒng)供應(yīng)商，選擇滿足功能、性能等要求的芯片和操作系統(tǒng)，集成可行的軟件開發(fā)環(huán)境，基于QT開發(fā)系留氣球地面控制系統(tǒng)軟件，并在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用，實(shí)踐證明國產(chǎn)芯片和國產(chǎn)操作系統(tǒng)的組合可以運(yùn)行穩(wěn)定，在性能滿足要求的情況下，可以替代國外產(chǎn)品，為其他準(zhǔn)備采用國產(chǎn)化芯片和操作系統(tǒng)的項(xiàng)目提供參考。

關(guān)鍵詞 國產(chǎn)芯片 國產(chǎn)操作系統(tǒng) QT 地面控制系統(tǒng)

一、引言

國內(nèi)相關(guān)單位曾通過對某些國外CPU的嚴(yán)格測試，證實(shí)存在功能不明確的“多余”模塊，還發(fā)現(xiàn)存在未公開指令，包括加解密、浮點(diǎn)操作在內(nèi)共計(jì)二十余條。其中，有三條指令在用戶模式就可以使機(jī)器死機(jī)或重啟，作用機(jī)制直接穿透各種軟件保護(hù)措施，防護(hù)軟件不能感知，普通應(yīng)用程序中嵌入一條即可使系統(tǒng)宕機(jī)。這些存在問題的芯片要是被用在航空、航天、黨政辦公等核心關(guān)鍵領(lǐng)域，將可能造成嚴(yán)重后果，因此，必須將芯片國產(chǎn)化替代提升到國家安全層次，在關(guān)乎國家安全的戰(zhàn)略行業(yè)，必須使用中國芯[1]。

目前國內(nèi)的計(jì)算機(jī)核心芯片都是Intel或者AMD的，操作系統(tǒng)都是windows操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件由各家公司自主開發(fā)。基于目前國際信息安全局勢和國家對核心軟硬件自主化的要求，需要搭建一套核心硬件自主研發(fā)、操作系統(tǒng)自主研發(fā)的開發(fā)環(huán)境，在此基礎(chǔ)上自主開發(fā)軟件。

二、需求分析

1.計(jì)算機(jī)的核心硬件自主可控，性能不能低于現(xiàn)在使用的計(jì)算機(jī)，至少具備2路以太網(wǎng)口，2路RS232串口。

2.操作系統(tǒng)自主可控，與計(jì)算機(jī)硬件兼容性好，提供成熟可靠的軟件開發(fā)環(huán)境。

3.基于以上軟硬件環(huán)境自主開發(fā)地面控制軟件。

三、系統(tǒng)方案

（一）環(huán)境搭建

1.國產(chǎn)化芯片

本項(xiàng)目不討論CPU的制造問題，主要從設(shè)計(jì)上滿足自主可控，避免留有后門。從CPU設(shè)計(jì)方面來看，國產(chǎn)的CPU有以下幾個(gè)類型：

（1）完全自主設(shè)計(jì)的芯片。代表產(chǎn)品如龍芯，屬于MIPS兼容架構(gòu)，從下到上都是自主設(shè)計(jì)，指令集雖然是模仿的，但算是自主的，現(xiàn)代CPU架構(gòu)下指令集的差異性已經(jīng)不大了。主要應(yīng)用于低功耗服務(wù)器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)安全方面；

（2）開源方案，其中的代表就是SPARC架構(gòu)的CPU。這一類CPU基本不會用在民用領(lǐng)域，大多用在航空領(lǐng)域[2]；

（3）購買方案，基于國外的架構(gòu)開發(fā)的芯片。代表產(chǎn)品有申威處理器，在太湖之光超級計(jì)算上有應(yīng)用，前三代源于DEC Alpha架構(gòu)，第四代開始架構(gòu)不詳，架構(gòu)設(shè)計(jì)類似與Power cell架構(gòu)；

（4）授權(quán)方案，經(jīng)過一定的延伸性設(shè)計(jì)，然后生產(chǎn)的芯片。代表類型是華為海思、飛騰和兆芯，華為海思是拿到ARM的授權(quán)，然后重新設(shè)計(jì)的；國防科大的飛騰芯片，產(chǎn)品架構(gòu)從sparcv8架構(gòu)轉(zhuǎn)到ARM架構(gòu)都有；兆芯的芯片是基于X86架構(gòu)開發(fā)的。

基于以上情況分析，經(jīng)過廠家調(diào)研、資料查詢和供應(yīng)商咨詢，綜合可靠性和性能需求，決定選用應(yīng)用更廣泛的龍芯3A3000系列CPU（四核，主頻1.2GHz），還有更高端的 3A4000系列（2.0GHz），3A5000系列（2.5GHz）正在測試。

2.國產(chǎn)操作系統(tǒng)

通過與供應(yīng)商咨詢，與龍芯3A3000系列芯片兼容性比較好的國產(chǎn)操作系統(tǒng)是中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)。中標(biāo)麒麟桌面操作系統(tǒng)是一款面向桌面應(yīng)用的圖形化桌面操作系統(tǒng)，是國家重大專項(xiàng)的核心組成部分，是民用、軍用“核高基”項(xiàng)目桌面操作系統(tǒng)項(xiàng)目的重要研究成果，該系統(tǒng)成功通過了多個(gè)國家權(quán)威部門的測評，為實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)領(lǐng)域“自主可控” 的戰(zhàn)略目標(biāo)做出了重大貢獻(xiàn)，在國產(chǎn)操作系統(tǒng)領(lǐng)域市場占有率穩(wěn)居第一[3]。

中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)采用強(qiáng)化的Linux內(nèi)核，界面基本就是參考windows，有XP和win7兩種主題可以切換，方便用戶操作。本項(xiàng)目使用的系統(tǒng)版本內(nèi)置的IDE（集成開發(fā)環(huán)境）只有QT5.6版本，若想安裝其他版本的QT或者其他廠家的IDE，甚至是系統(tǒng)沒有自帶的其他應(yīng)用軟件，需要和中標(biāo)麒麟廠家溝通咨詢，通常需要復(fù)雜的適配過程，適配費(fèi)用很高（以萬為單位計(jì)，批量的話可以考慮）。其他自帶的軟件有華標(biāo)版的office套件（word，Excel和PPT），中文輸入法等常用應(yīng)用。

（二）軟件開發(fā)

因項(xiàng)目進(jìn)度要求，硬件采購和軟件開發(fā)需同時(shí)進(jìn)行。項(xiàng)目組在虛擬機(jī)上進(jìn)行軟件開發(fā)，根據(jù)以往項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)決定在4.8.7版本的QT下開發(fā)，開發(fā)過程與在windows和iOS下是一樣的，根據(jù)項(xiàng)目需求進(jìn)行設(shè)計(jì)、編碼、測試和應(yīng)用部署。

硬件到貨之后發(fā)現(xiàn)操作系統(tǒng)自帶的是QT5.6版本，經(jīng)過部分設(shè)置更改，重新編譯，程序順利運(yùn)行。目前部署完成的系留氣球地面控制系統(tǒng)軟件已連續(xù)運(yùn)行半年多，系統(tǒng)穩(wěn)定無故障。同時(shí)，有另外一個(gè)項(xiàng)目組使用QT5.9.1開發(fā)程序，開發(fā)完成后嘗試移植到新的計(jì)算機(jī)上，截至目前沒有移植成功。

四、結(jié)論

1.龍芯3A3000系列CPU性能和Intel、AMD還是有差距的，不過和中標(biāo)麒麟桌面版操作系統(tǒng)的組合穩(wěn)定，兼容性好，基本滿足使用要求。

2.編譯運(yùn)算量大的程序時(shí)，速度慢，CPU使用率接近100%。

3.操作系統(tǒng)支持的軟件少，可擴(kuò)展性弱，使用過程中，不要隨意刪除系統(tǒng)自帶的功能，更改系統(tǒng)設(shè)置，否則系統(tǒng)可能無法正常使用。

4.最好使用系統(tǒng)自帶的開發(fā)環(huán)境，如QT5.6，或者更低版本的IDE進(jìn)行軟件開發(fā)，5.9版本開發(fā)的程序很難移植到中標(biāo)麒麟系統(tǒng)下（實(shí)際操作未成功），在QT4.8版本下開發(fā)的程序移植成功。

參考文獻(xiàn)：

[1]必須將芯片國產(chǎn)化替代提升到國家安全層次.鐵流.環(huán)球時(shí)報(bào)[引用日期2018- 06- 14].

[2]李富剛.龍芯+Linux 國產(chǎn)CPU和操作系統(tǒng)現(xiàn)狀分析.中關(guān)村在線，2017- 05- 13.