基于自主可控計(jì)算平臺(tái)的指揮控制系統(tǒng)架構(gòu)

文/方雪

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，隨著武器指揮控制系統(tǒng)信息化程度日益提高，戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)瞬息萬(wàn)變，在指揮控制系統(tǒng)中需要充分利用計(jì)算機(jī)、通信和網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)把指揮控制、情報(bào)偵察、武器裝備有機(jī)統(tǒng)一結(jié)合起來(lái)。計(jì)算機(jī)作為整個(gè)指揮控制系統(tǒng)的核心部件，起著舉足輕重的作用。我國(guó)的自主可控計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距，使用的芯片依賴國(guó)外進(jìn)口，安全性方面存在漏洞，同時(shí)面臨復(fù)雜的國(guó)際形勢(shì)，經(jīng)常遇到對(duì)芯片的進(jìn)口限制，所以研究和開(kāi)發(fā)自主可控的國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)對(duì)于我國(guó)國(guó)產(chǎn)計(jì)算機(jī)技術(shù)獨(dú)立自主的發(fā)展，擺脫技術(shù)上和市場(chǎng)上受制于人的困境具有重要意義。

2 國(guó)產(chǎn)CPU發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)發(fā)展較好的CPU有龍芯、飛騰和申威三種。

申威處理器研制得到了國(guó)家“核高基”專項(xiàng)資金支持，采用自主指令集，申威處理器2006年推出第一代產(chǎn)品SW-1，Alpha架構(gòu)，單核；2008年成功研制第二代產(chǎn)品SW-2，CPU主頻1.4G，雙核；2010年推出第三代產(chǎn)品SW-3，主頻1.6G，16核，集成DDR3。

飛騰處理器是國(guó)防科技大學(xué)為“天河”系列超極計(jì)算機(jī)而量身定制的銀河飛騰系列通用CPU，得到了國(guó)家“核高基”項(xiàng)目的專項(xiàng)資金支持，并以Sparc開(kāi)源代碼為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了FT-1000、FT-1500兩款CPU，之后又以ARM為架構(gòu)開(kāi)發(fā)了FT-1500A、FT-2000、FT-2000PLUS等CPU產(chǎn)品。FT-1500A/4被用于PC和筆記本，采用28nm制造工藝，4核，主頻1.5G～2.0G，F(xiàn)T-1500A/16被用于服務(wù)器，16核。

圖1：自主可控平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)圖

中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所從2001年開(kāi)始研制國(guó)產(chǎn)通用的CPU—龍芯處理器，并且在2002年推出了第一款通用高性能CPU—龍芯1號(hào)。龍芯1號(hào)雖然只是主頻266MHz的32位處理器，但經(jīng)過(guò)若干年發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了第三代產(chǎn)品，最新型號(hào)為龍芯3A。龍芯3A是我國(guó)第一個(gè)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的四核CPU，采用RISC架構(gòu)，兼容MIPS指令集，集成四個(gè)64位的四發(fā)射超標(biāo)量GS464高性能處理器核。每個(gè)處理器核包含64KB數(shù)據(jù)緩存和64KB的指令緩存，支持全流水的浮點(diǎn)加減、乘法、乘加等運(yùn)算，片內(nèi)還集成了四核共享的4MB二級(jí)Cache，集成了2個(gè)64位400MHz的DDR2/3控制器，支持動(dòng)態(tài)功耗管理，1個(gè)LPC、兩個(gè)UART、1個(gè)SPI、16路GPIO接口。

3 自主可控計(jì)算機(jī)平臺(tái)

指揮控制系統(tǒng)主要硬件平臺(tái)包括計(jì)算機(jī)終端、網(wǎng)絡(luò)交換以及服務(wù)器。根據(jù)實(shí)際使用需求，自主可控計(jì)算機(jī)平臺(tái)終端選用以龍芯處理器為核心的計(jì)算機(jī)，以中標(biāo)麒麟為核心操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)交換以龍芯2H處理器為核心平臺(tái)；服務(wù)器以飛騰處理器為核心，操作系統(tǒng)選用銀河麒麟操作系統(tǒng)，安全性得到較好的保障，可用性得到較大的提升，使自主可控計(jì)算機(jī)的核心部件的國(guó)產(chǎn)化率可達(dá)95%以上。

3.1 硬件平臺(tái)

指揮控制系統(tǒng)要完成上下級(jí)、友鄰部隊(duì)指揮控制系統(tǒng)各單元的互通互聯(lián)，能夠快速實(shí)時(shí)判斷指令的合理性，要根據(jù)作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)處理矢量地圖的測(cè)量分析、情報(bào)處理、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)控。因此對(duì)其硬件平臺(tái)計(jì)算機(jī)的配置要有較高的要求。自主可控計(jì)算機(jī)選用龍芯3A3000四核處理器，采用MIPS架構(gòu)，集成4個(gè)同構(gòu)的64位四發(fā)射超標(biāo)量GS464e高性能處理器核，集成8MB的分體共享三級(jí)Cache，工作主頻1.2GHz～1.5GHz。龍芯3A3000還在片內(nèi)集成了2個(gè)64位帶ECC，800MHz的DDR2/3內(nèi)存控制器、兩個(gè)16位2.4GHz的HT控制器、一個(gè)32位PCI控制器、以及LPC、SPI、UART、GPIO等其他IO接口，適合高性能應(yīng)用領(lǐng)域。

圖2：精密跟蹤雷達(dá)威力覆蓋圖

以龍芯CPU為核心器件配備外圍集成電路，指揮控制系統(tǒng)需要有圖形輸入輸出顯示，因此需要配置顯示接口、PS2接口和USB接口;作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)需要網(wǎng)絡(luò)通信，因此硬件平臺(tái)需要有網(wǎng)絡(luò)接口；在指揮控制系統(tǒng)中需要各個(gè)指令穩(wěn)定、安全可靠地傳輸，因此硬件平臺(tái)還需要配備串口以及其他總線接口。自主可控計(jì)算機(jī)除了CPU本身采用國(guó)產(chǎn)芯片外，外圍電路也都采用國(guó)產(chǎn)元器件。

服務(wù)器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)交換，需要配置足夠的計(jì)算資源和交換資源，服務(wù)器以飛騰1600A-16處理器為核心，配套國(guó)產(chǎn)固件、國(guó)產(chǎn)銀河麒麟操作系統(tǒng)和國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)千兆網(wǎng)絡(luò)、VGA和USB等為用戶提供計(jì)算處理、數(shù)據(jù)管理、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)交換等功能。

飛騰FT1500A-16為16核64位通用處理器，ARM V8架構(gòu)，支持ARM64指令集，集成16個(gè)處理器核，單核工作主頻1.5GHz，L1數(shù)據(jù)緩存32KB，L2數(shù)據(jù)緩存8MB，L3數(shù)據(jù)緩存8MB，理論峰值浮點(diǎn)計(jì)算能力96Gflops，處理器采用低功耗設(shè)計(jì)，功耗35W。

指揮控制系統(tǒng)自主可控平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示，其計(jì)算機(jī)平臺(tái)主要包括服務(wù)器、計(jì)算機(jī)終端、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)以及通信設(shè)備，硬件設(shè)備全部以國(guó)產(chǎn)器件為核心。

3.2 軟件支撐平臺(tái)

自主可控計(jì)算機(jī)的軟件層面包括底層固件、操作系統(tǒng)、測(cè)試維護(hù)程序，均為國(guó)產(chǎn)自主可控軟件。

3.2.1 底層固件

底層固件選用中電科技的昆侖固件。昆侖固件支持國(guó)產(chǎn)計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)硬件檢測(cè)、初始化及操作系統(tǒng)引導(dǎo)，具備先進(jìn)的固件架構(gòu)，國(guó)產(chǎn)平臺(tái)深度定制，安全可控，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，支持國(guó)家、軍用可信計(jì)算規(guī)范，可為國(guó)產(chǎn)計(jì)算平臺(tái)提供安全、可信的運(yùn)行環(huán)境。

3.2.2 操作系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)終端以中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)為核心，國(guó)產(chǎn)中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)是在國(guó)家“863”計(jì)劃重大專項(xiàng)、“核高基”科技重大專項(xiàng)和國(guó)家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)扶持下，以兼容Linux的技術(shù)思路開(kāi)發(fā)的高安全、高可用、高性能和高可定制的國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)。中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)上百家主流計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件、網(wǎng)絡(luò)安全、應(yīng)用軟件和系統(tǒng)產(chǎn)品完成適配驗(yàn)證工作。目前已成功應(yīng)用于國(guó)防、政務(wù)、能源、交通、航天、電信、金融、郵政、教育等眾多行業(yè)和領(lǐng)域，尤其是國(guó)防領(lǐng)域。中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)在機(jī)關(guān)辦公、型號(hào)裝備、任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)中有大量應(yīng)用，獲得用戶充分的信任與認(rèn)可。

根據(jù)指揮控制系統(tǒng)的應(yīng)用方式，選擇軍用中標(biāo)麒麟桌面操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)軟件，該系統(tǒng)通過(guò)圖形界面，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的所有操作，包括：用戶管理、文件管理、設(shè)備管理、系統(tǒng)設(shè)置、shell和實(shí)用工具應(yīng)用軟件等。

中標(biāo)麒麟桌面操作系統(tǒng)已在龍芯等國(guó)產(chǎn)CPU平臺(tái)上進(jìn)行了適配，在多種CPU下成功適配支持?jǐn)?shù)十種整機(jī)設(shè)備，上千種包括打印機(jī)、掃描儀、投影儀、攝像頭等各類外部設(shè)備和特種設(shè)備。該系統(tǒng)還成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)各類國(guó)產(chǎn)軟件，如國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)、中間件以及辦公軟件的全面適配和支持。

中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)配備了完善的開(kāi)發(fā)工具，提供了良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括編譯器、圖形化的IDE工具Eclipse和Qt Creator等，全面支持絕大多數(shù)主流編程語(yǔ)言，并提供了大量的開(kāi)發(fā)庫(kù)，提供對(duì)控件定制增強(qiáng)的支持和指導(dǎo)服務(wù)，能夠較好地支撐項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)工作。

服務(wù)器以國(guó)產(chǎn)銀河麒麟操作系統(tǒng)為核心，近年來(lái)憑借過(guò)硬的技術(shù)積累，可提供“麒麟天鏈存儲(chǔ)多路徑管理系統(tǒng)”、“麒麟天衡高可用集群管理系統(tǒng)”、“麒麟高可用網(wǎng)絡(luò)冗余系統(tǒng)”和“麒麟備份還原系統(tǒng)”。目前已成功應(yīng)用于國(guó)防、政務(wù)、能源、交通、航天、電信、金融、郵政、教育等眾多行業(yè)和領(lǐng)域。尤其是國(guó)防領(lǐng)域，麒麟操作系統(tǒng)在機(jī)關(guān)辦公、型號(hào)裝備、任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)和指揮控制系統(tǒng)中有大量應(yīng)用，獲得用戶充分的信任與認(rèn)可。

銀河麒麟操作系統(tǒng)通過(guò)圖形界面，用戶可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的所有操作。包括：用戶管理、文件管理、設(shè)備管理、系統(tǒng)設(shè)置、shell和實(shí)用工具應(yīng)用軟件等。

3.2.3 測(cè)試維護(hù)程序

測(cè)試維護(hù)程序能夠提供可視化的用戶交互平臺(tái)，可對(duì)自主可控計(jì)算機(jī)的主要設(shè)備部件進(jìn)行診斷檢查，提供測(cè)試維護(hù)程序，通過(guò)調(diào)用相關(guān)接口函數(shù)給出測(cè)試結(jié)論。能夠檢測(cè)并顯示自主可控計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的操作系統(tǒng)和硬件信息，同時(shí)通過(guò)程序自身或調(diào)用其他外部軟件實(shí)現(xiàn)硬件核心、網(wǎng)絡(luò)、硬功能鍵的測(cè)試功能，并實(shí)現(xiàn)部分操作系統(tǒng)的控制、管理功能。

3.3 應(yīng)用軟件

為驗(yàn)證硬件平臺(tái)是否滿足目前應(yīng)用軟件的運(yùn)行需求，分別在計(jì)算機(jī)終端和服務(wù)器上運(yùn)行了常用的應(yīng)用軟件進(jìn)行了測(cè)試。

在基于龍芯3A3000處理器的計(jì)算機(jī)終端上運(yùn)行地理信息系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的項(xiàng)目包括二維和三維應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的圖文顯示/處理存儲(chǔ)、地圖匹配導(dǎo)航、接受指控計(jì)算機(jī)終端指令并返回導(dǎo)航信息等功能。測(cè)試運(yùn)行的地理信息軟件具有豐富的繪圖功能，能夠?qū)Χ喾N類型和用途的地圖進(jìn)行快速顯示與操縱，能夠顯示態(tài)勢(shì)圖、地形、多分辨率影響等特性；提供各項(xiàng)地理信息分析功能，點(diǎn)位、距離等常用量算功能，圖2為軟件運(yùn)行示例，通過(guò)測(cè)試，基于龍芯3A3000處理器的計(jì)算機(jī)終端可以滿足軟件運(yùn)行需求。

在基于FT1500A-16處理器的服務(wù)器上運(yùn)行了集群管理服務(wù)進(jìn)行測(cè)試，集群管理軟件主要包括集群部署服務(wù)、集群應(yīng)用網(wǎng)關(guān)、軟件鏡像倉(cāng)庫(kù)和運(yùn)行監(jiān)控等。通過(guò)測(cè)試，基于FT1500A-16處理器的服務(wù)器可以滿足常用服務(wù)器軟件的運(yùn)行需求。

4 技術(shù)特點(diǎn)

指揮控制系統(tǒng)在考慮安全性、實(shí)時(shí)性以及自主可控性情況下，不受?chē)?guó)外進(jìn)口產(chǎn)品技術(shù)的制約，搭載國(guó)產(chǎn)硬件平臺(tái)，在性能上與國(guó)外產(chǎn)品相匹配，同時(shí)集成了健康管理功能，通過(guò)傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的溫度、工作電壓、工作電流等物理健康特征，可以為指揮控制系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的后臺(tái)保證。

5 結(jié)束語(yǔ)

在現(xiàn)代作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)中，信息化程度日益提高，戰(zhàn)場(chǎng)情況瞬息萬(wàn)變，為了適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)和國(guó)防建設(shè)的需要，在面對(duì)國(guó)外敵對(duì)勢(shì)力對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖，在國(guó)家安全受到威脅時(shí)，必需建立自主可控計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)，從硬件到軟件形成國(guó)產(chǎn)自主化，不受外來(lái)?xiàng)l件制約，避免外部條件對(duì)裝備發(fā)展構(gòu)成的安全威脅，擺脫核心信息技術(shù)受制于人的局面。