國產(chǎn)道操作系統(tǒng)應用研究

高 峰，黃 儒

（中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007）

國產(chǎn)道操作系統(tǒng)應用研究

高 峰，黃 儒

（中國電子科技集團公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007）

文章首先介紹了國產(chǎn)道操作系統(tǒng)，詳述了線程間通信、中斷處理等特點，比較了國產(chǎn)道與VxWorks操作系統(tǒng)的功能；然后分析了艦載指揮控制系統(tǒng)特點；最后研究了基于道操作系統(tǒng)的艦載指揮控制系統(tǒng)體系構建，實現(xiàn)了應用程序的快速移植和便捷開發(fā)。

道操作系統(tǒng)；艦載指揮控制系統(tǒng)；中斷處理

1 道操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)是信息系統(tǒng)的核心，對信息系統(tǒng)的功能、性能和可靠性等關鍵內容具有重要影響。目前，麒麟、道和銳華等國產(chǎn)操作系統(tǒng)逐漸成為岸基、艦載、機載系統(tǒng)中的主流軟件平臺。艦載指揮控制系統(tǒng)以前主要使用VxWorks等非國產(chǎn)操作系統(tǒng)，具有可定制性差、支持硬件平臺受限以及不安全可控等缺點。道操作系統(tǒng)憑借出色性能及與VxWorks的良好兼容性，逐漸替代了VxWorks操作系統(tǒng)。

道操作系統(tǒng)（DeltaOS）是中航工業(yè)集團旗下北京科銀京成開發(fā)的嵌入式實時操作系統(tǒng)，2001年開始研制，目前已在艦載電子應用、飛行控制及航空發(fā)動機控制系統(tǒng)、兵器裝備應用以及航空電子應用等領域廣泛使用，成為供艦載指揮控制系統(tǒng)選擇的國產(chǎn)操作系統(tǒng)之一。

2 道操作系統(tǒng)特點

道操作系統(tǒng)的核心是高可靠、高性能、搶占式及強實時的嵌入式實時內核。道操作系統(tǒng)支持對稱多處理（SMP）方式、實時進程（RTP）以及高優(yōu)先級進程搶占，遵循可移植操作系統(tǒng)接口（POSIX）規(guī)范；包含高效和穩(wěn)定的TCP/IP協(xié)議棧，全特性支持IPv4/IPv6；包含高可靠文件系統(tǒng)（HRFS），支持兼容文件系統(tǒng)dosFS；支持穩(wěn)定和高性能的USB 2.0協(xié)議棧。道操作系統(tǒng)包括VxWorks兼容層、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡協(xié)議棧、USB2.0協(xié)議棧、設備驅動和板級支持包等基本組件。

2.1 線程間通信

道操作系統(tǒng)中，線程間通信分為兩種情況：一是同一進程中的多個線程間的通信，二是不同進程中的線程之間的通信。線程間通信機制主要有：共享內存、消息隊列和管道等。道操作系統(tǒng)支持多線程運行狀態(tài)下基于優(yōu)先級的線程搶占，支持線程管理、線程私有數(shù)據(jù)、線程條件變量和線程互斥鎖等。道操作系統(tǒng)管理的同一進程中的多個線程運行在相同的地址空間，線程切換時間、線程間通信和同步速度更快。當同屬于一個進程中的多個線程中的主線程終止時，所有線程都會終止[1]。

道操作系統(tǒng)進程調度管理的多個進程各自運行在獨立的內存地址空間。不同進程的線程之間通信時通過各自的主線程進行通信，因為同一進程內的線程共享所有的全局數(shù)據(jù)，所以當線程使用共享數(shù)據(jù)的時候，需要進行線程間的同步。道操作系統(tǒng)線程間共享數(shù)據(jù)同步的機制主要有：鎖、互斥、信號量等。

2.2 中斷處理

道操作系統(tǒng)一般在設備驅動中使用中斷處理，中斷處理線程屬于內核線程，由硬件輸入輸出信號觸發(fā)，不能由應用程序創(chuàng)建。在一般的標準操作系統(tǒng)中，例如Linux操作系統(tǒng)中，輸入輸出中斷處理工作是由中斷服務程序來完成的；在道操作系統(tǒng)中，使用內核線程來處理輸入輸出中斷的大部分工作。

標準操作系統(tǒng)的中斷處理是通過中斷服務子程序完成的，而在道操作系統(tǒng)中，由內核線程執(zhí)行大部分工作。內核線程完成中斷處理后，通過信號量通知主線程，道操作系統(tǒng)通過信號量的同步機制完成中斷處理。道操作系統(tǒng)這種特殊的處理機制主要是考慮增強系統(tǒng)的實時處理能力，用于處理系統(tǒng)硬件中斷的內核線程也可以被擁有更高優(yōu)先級的其他線程搶占，而在標準的操作系統(tǒng)如Linux系統(tǒng)中，如果系統(tǒng)正在執(zhí)行中斷處理，是不會被其他進程或線程搶占的，只有在中斷處理完成后，系統(tǒng)才能重新進行任務調度。

3 道與VxWorks操作系統(tǒng)比較

道操作系統(tǒng)具備微秒級的響應時間，提供基于優(yōu)先級搶占的實時任務調度策略，提供動態(tài)加載功能，在功能、性能上可以替代VxWorks操作系統(tǒng)。道操作系統(tǒng)提供VxWorks接口兼容層，兼容艦載指揮控制系統(tǒng)多功能標準顯控臺使用的全部VxWorks操作系統(tǒng)接口，支持VxWorks目標代碼的加載、運行，保障原有程序代碼的無縫遷移，縮短應用軟件開發(fā)和遷移時間[2]。

在功能方面，道操作系統(tǒng)的消息隊列、線程管理、線程私有數(shù)據(jù)、線程條件變量、線程互斥鎖、調度管理、信號量管理、異步信號、時鐘和定時模塊等功能模塊，都具有和VxWorks相同的功能[3]。

在接口方面，道操作系統(tǒng)支持POSIX接口。如消息隊列、線程管理、線程私有數(shù)據(jù)、線程條件變量、線程互斥鎖、調度管理、信號量管理、異步信號、時鐘和定時模塊等。支持VxWorks操作系統(tǒng)接口，如任務管理、任務變量、任務擴展、信號量、管道、周期任務、消息、中斷、事件、Log信息、錯誤碼、看門狗定時器、內存管理等方面的系統(tǒng)接口。

4 艦載指揮控制系統(tǒng)應用

4.1 系統(tǒng)架構

基于道操作系統(tǒng)搭建的艦載指揮控制系統(tǒng)架構共有5層，從底層到上層分別為硬件層、核心層、系統(tǒng)層、服務層、應用層。硬件層包括以CPU為核心的計算機硬件、存儲設備、交換機、路由器、通信設備等；核心層和系統(tǒng)層共同構成道操作系統(tǒng)，核心層主要包括操作系統(tǒng)內核、設備驅動、板級支持包等，系統(tǒng)層主要包括系統(tǒng)調用接口、協(xié)議棧、VxWorks系統(tǒng)調用兼容層；服務層主要包括計算、存儲、系統(tǒng)等服務器端核心服務；應用層是艦載指控系統(tǒng)具體的情報、指揮、籌劃、保障等作戰(zhàn)應用軟件。

4.2 系統(tǒng)組成

信息化海戰(zhàn)場環(huán)境下，水面艦艇作戰(zhàn)不僅需要了解并掌握包括高空、中空、低空、海面、水下、岸陸以及電子、海洋和氣息各種領域的實時信息和情報，而且需要具備有效防御包括導彈、魚雷、電子等來自多領域、多種攻擊方式的全維防護能力，同時還要具有對多種超視距作戰(zhàn)目標實施有效打擊的遠程攻擊能力。這種全新的戰(zhàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)樣式已經(jīng)全然超出以往人工應對和反應能力的極限，因而現(xiàn)代水面艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的高度自動化和對各種戰(zhàn)場情況的快速反應能力極為重要。

艦載指控系統(tǒng)在岸基情報中心及預警探測平臺支撐下，對上接受上級指揮所或艦艇編隊指揮艦的指揮控制，對下以指令的形式控制本艦的武控、火控系統(tǒng)。岸基情報中心及相關保障系統(tǒng)，為艦載指控系統(tǒng)提供基本敵情、打擊目標、戰(zhàn)場地理環(huán)境、氣象水文環(huán)境等情報支撐。

新型艦載指控系統(tǒng)能把本艦的傳感器、武器系統(tǒng)有效地網(wǎng)絡化集成，同時與整個編隊的攻擊、防御能力有機地結合起來，使整個編隊構成一個分布式的傳感器及武器結構，實現(xiàn)編隊協(xié)同作戰(zhàn)能力。艦載指控系統(tǒng)要能夠高速處理來自包括各艦、直升機等各種傳感器通過數(shù)據(jù)鏈傳來的空、海及水下各種目標信息，迅速加以甄別判斷，實時生成戰(zhàn)術態(tài)勢圖，以供指揮員掌握態(tài)勢。艦載指控系統(tǒng)同時能夠自動分配傳感器任務，跟蹤數(shù)量巨大的可疑目標，協(xié)調海、空、反潛（含艦載直升機）、電子戰(zhàn)等子系統(tǒng)處于最佳戰(zhàn)斗狀態(tài)，必要時可超越子系統(tǒng)控制，直接調動各種武器開火或啟動電子戰(zhàn)系統(tǒng)實施有源和無源干擾。艦載指控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)鏈、衛(wèi)星和其他一些通信方式，可將作戰(zhàn)指令分發(fā)給每個作戰(zhàn)節(jié)點；通過調用不同的作戰(zhàn)節(jié)點對目標進行集中式或分散式打擊，使得戰(zhàn)場的透明度更高，遠距打擊能力更強，兵力和火力的使用更為合理。

道操作系統(tǒng)對多線程及線程間通信的良好支持，使艦載指控系統(tǒng)在進行實時信息處理時，可以通過創(chuàng)建多個線程同時對不同類型的信息進行并行處理，提高了系統(tǒng)的處理速度和整體性能；道操作系統(tǒng)的中斷處理機制和對中斷的實時響應能力，保證了艦載指控系統(tǒng)能百分之百地滿足系統(tǒng)對傳感器、火控等設備的處理時限要求，更快地對外部目標做出反應，提高了系統(tǒng)的敏感性。

5 結語

基于國產(chǎn)道操作系統(tǒng)構建的艦載指揮控制系統(tǒng)，憑借開放的體系架構，實現(xiàn)了應用程序的快速移植和便捷開發(fā)。通過道操作系統(tǒng)高性能、搶占式和強實時的操作系統(tǒng)內核，實現(xiàn)了高優(yōu)先級線程搶占能力和強實時任務切換能力，滿足了艦載指揮控制系統(tǒng)情報信息搜集的實時處理，同時，指揮控制、武器控制和火力控制一體化信息流的高效傳輸，為艦載指揮控制系統(tǒng)提供了穩(wěn)定和可靠的系統(tǒng)軟件平臺。

1]高峰，王自強.硬實時操作系統(tǒng)：LynxOS[J].計算機應用與軟件，2005（3）：63-64.

[2]張揚，于銀濤.VxWorks內核、設備驅動與BSP開發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[3]塔嫩鮑姆.操作系統(tǒng)：設計與實現(xiàn)[M].2版.王鵬，尤晉元，朱鵬，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，1998.

Research on the application of domestic delta operating system

Gao Feng, Huang Ru

（Twenty-eighth Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation, Nanjing 210007, China）

This paper first introduces the domestic delta operating system, describes the inter thread communication, interrupt handling and other characteristics, and compares the functions between domestic channel and the VxWorks operating system; then, it analyzes the characteristics of command and control system; finally, based on the architectures construction of shipborne command and control system based on channel operation system, it realizes fast transplantation and convenient development of the application.

channel operating system; shipborne command and control system; interrupt handling

高峰（1978— ），男，河南駐馬店，工程師；研究方向：嵌入式系統(tǒng)，國產(chǎn)軟硬件平臺。