國(guó)產(chǎn)道操作系統(tǒng)應(yīng)用研究

高 峰，黃 儒

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007）

國(guó)產(chǎn)道操作系統(tǒng)應(yīng)用研究

高 峰，黃 儒

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，江蘇 南京 210007）

文章首先介紹了國(guó)產(chǎn)道操作系統(tǒng)，詳述了線程間通信、中斷處理等特點(diǎn)，比較了國(guó)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(diǎn)；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(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)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(duì)信息系統(tǒng)的功能、性能和可靠性等關(guān)鍵內(nèi)容具有重要影響。目前，麒麟、道和銳華等國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)逐漸成為岸基、艦載、機(jī)載系統(tǒng)中的主流軟件平臺(tái)。艦載指揮控制系統(tǒng)以前主要使用VxWorks等非國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)，具有可定制性差、支持硬件平臺(tái)受限以及不安全可控等缺點(diǎn)。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(tuán)旗下北京科銀京成開發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，2001年開始研制，目前已在艦載電子應(yīng)用、飛行控制及航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、兵器裝備應(yīng)用以及航空電子應(yīng)用等領(lǐng)域廣泛使用，成為供艦載指揮控制系統(tǒng)選擇的國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)之一。

2 道操作系統(tǒng)特點(diǎn)

道操作系統(tǒng)的核心是高可靠、高性能、搶占式及強(qiáng)實(shí)時(shí)的嵌入式實(shí)時(shí)內(nèi)核。道操作系統(tǒng)支持對(duì)稱多處理（SMP）方式、實(shí)時(shí)進(jìn)程（RTP）以及高優(yōu)先級(jí)進(jìn)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(luò)協(xié)議棧、USB2.0協(xié)議棧、設(shè)備驅(qū)動(dòng)和板級(jí)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(jìn)程中的多個(gè)線程間的通信，二是不同進(jìn)程中的線程之間的通信。線程間通信機(jī)制主要有：共享內(nèi)存、消息隊(duì)列和管道等。道操作系統(tǒng)支持多線程運(yùn)行狀態(tài)下基于優(yōu)先級(jí)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(jìn)程中的多個(gè)線程運(yùn)行在相同的地址空間，線程切換時(shí)間、線程間通信和同步速度更快。當(dāng)同屬于一個(gè)進(jìn)程中的多個(gè)線程中的主線程終止時(shí)，所有線程都會(huì)終止[1]。

道操作系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度管理的多個(gè)進(jìn)程各自運(yùn)行在獨(dú)立的內(nèi)存地址空間。不同進(jìn)程的線程之間通信時(shí)通過(guò)各自的主線程進(jìn)行通信，因?yàn)橥贿M(jìn)程內(nèi)的線程共享所有的全局?jǐn)?shù)據(jù)，所以當(dāng)線程使用共享數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要進(jìn)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(jī)制主要有：鎖、互斥、信號(hào)量等。

2.2 中斷處理

道操作系統(tǒng)一般在設(shè)備驅(qū)動(dòng)中使用中斷處理，中斷處理線程屬于內(nèi)核線程，由硬件輸入輸出信號(hào)觸發(fā)，不能由應(yīng)用程序創(chuàng)建。在一般的標(biāo)準(zhǔn)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(wù)程序來(lái)完成的；在道操作系統(tǒng)中，使用內(nèi)核線程來(lái)處理輸入輸出中斷的大部分工作。

標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)的中斷處理是通過(guò)中斷服務(wù)子程序完成的，而在道操作系統(tǒng)中，由內(nèi)核線程執(zhí)行大部分工作。內(nèi)核線程完成中斷處理后，通過(guò)信號(hào)量通知主線程，道操作系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)量的同步機(jī)制完成中斷處理。道操作系統(tǒng)這種特殊的處理機(jī)制主要是考慮增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理能力，用于處理系統(tǒng)硬件中斷的內(nèi)核線程也可以被擁有更高優(yōu)先級(jí)的其他線程搶占，而在標(biāo)準(zhǔn)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(huì)被其他進(jìn)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(jìn)行任務(wù)調(diào)度。

3 道與VxWorks操作系統(tǒng)比較

道操作系統(tǒng)具備微秒級(jí)的響應(yīng)時(shí)間，提供基于優(yōu)先級(jí)搶占的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度策略，提供動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)顯控臺(tái)使用的全部VxWorks操作系統(tǒng)接口，支持VxWorks目標(biāo)代碼的加載、運(yùn)行，保障原有程序代碼的無(wú)縫遷移，縮短應(yīng)用軟件開發(fā)和遷移時(shí)間[2]。

在功能方面，道操作系統(tǒng)的消息隊(duì)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(diào)度管理、信號(hào)量管理、異步信號(hào)、時(shí)鐘和定時(shí)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(duì)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(diào)度管理、信號(hào)量管理、異步信號(hào)、時(shí)鐘和定時(shí)模塊等。支持VxWorks操作系統(tǒng)接口，如任務(wù)管理、任務(wù)變量、任務(wù)擴(kuò)展、信號(hào)量、管道、周期任務(wù)、消息、中斷、事件、Log信息、錯(cuò)誤碼、看門狗定時(shí)器、內(nèi)存管理等方面的系統(tǒng)接口。

4 艦載指揮控制系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于道操作系統(tǒng)搭建的艦載指揮控制系統(tǒng)架構(gòu)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(wù)層、應(yīng)用層。硬件層包括以CPU為核心的計(jì)算機(jī)硬件、存儲(chǔ)設(shè)備、交換機(jī)、路由器、通信設(shè)備等；核心層和系統(tǒng)層共同構(gòu)成道操作系統(tǒng)，核心層主要包括操作系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、板級(jí)支持包等，系統(tǒng)層主要包括系統(tǒng)調(diào)用接口、協(xié)議棧、VxWorks系統(tǒng)調(diào)用兼容層；服務(wù)層主要包括計(jì)算、存儲(chǔ)、系統(tǒng)等服務(wù)器端核心服務(wù)；應(yīng)用層是艦載指控系統(tǒng)具體的情報(bào)、指揮、籌劃、保障等作戰(zhàn)應(yīng)用軟件。

4.2 系統(tǒng)組成

信息化海戰(zhàn)場(chǎng)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(lǐng)域的實(shí)時(shí)信息和情報(bào)，而且需要具備有效防御包括導(dǎo)彈、魚雷、電子等來(lái)自多領(lǐng)域、多種攻擊方式的全維防護(hù)能力，同時(shí)還要具有對(duì)多種超視距作戰(zhàn)目標(biāo)實(shí)施有效打擊的遠(yuǎn)程攻擊能力。這種全新的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和作戰(zhàn)樣式已經(jīng)全然超出以往人工應(yīng)對(duì)和反應(yīng)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(dòng)化和對(duì)各種戰(zhàn)場(chǎng)情況的快速反應(yīng)能力極為重要。

艦載指控系統(tǒng)在岸基情報(bào)中心及預(yù)警探測(cè)平臺(tái)支撐下，對(duì)上接受上級(jí)指揮所或艦艇編隊(duì)指揮艦的指揮控制，對(duì)下以指令的形式控制本艦的武控、火控系統(tǒng)。岸基情報(bào)中心及相關(guān)保障系統(tǒng)，為艦載指控系統(tǒng)提供基本敵情、打擊目標(biāo)、戰(zhàn)場(chǎng)地理環(huán)境、氣象水文環(huán)境等情報(bào)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(luò)化集成，同時(shí)與整個(gè)編隊(duì)的攻擊、防御能力有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，使整個(gè)編隊(duì)構(gòu)成一個(gè)分布式的傳感器及武器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)能力。艦載指控系統(tǒng)要能夠高速處理來(lái)自包括各艦、直升機(jī)等各種傳感器通過(guò)數(shù)據(jù)鏈傳來(lái)的空、海及水下各種目標(biāo)信息，迅速加以甄別判斷，實(shí)時(shí)生成戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢(shì)圖，以供指揮員掌握態(tài)勢(shì)。艦載指控系統(tǒng)同時(shí)能夠自動(dòng)分配傳感器任務(wù)，跟蹤數(shù)量巨大的可疑目標(biāo)，協(xié)調(diào)海、空、反潛（含艦載直升機(jī)）、電子戰(zhàn)等子系統(tǒng)處于最佳戰(zhàn)斗狀態(tài)，必要時(shí)可超越子系統(tǒng)控制，直接調(diào)動(dòng)各種武器開火或啟動(dòng)電子戰(zhàn)系統(tǒng)實(shí)施有源和無(wú)源干擾。艦載指控系統(tǒng)通過(guò)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(gè)作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)；通過(guò)調(diào)用不同的作戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行集中式或分散式打擊，使得戰(zhàn)場(chǎng)的透明度更高，遠(yuǎn)距打擊能力更強(qiáng)，兵力和火力的使用更為合理。

道操作系統(tǒng)對(duì)多線程及線程間通信的良好支持，使艦載指控系統(tǒng)在進(jìn)行實(shí)時(shí)信息處理時(shí)，可以通過(guò)創(chuàng)建多個(gè)線程同時(shí)對(duì)不同類型的信息進(jìn)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(jī)制和對(duì)中斷的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，保證了艦載指控系統(tǒng)能百分之百地滿足系統(tǒng)對(duì)傳感器、火控等設(shè)備的處理時(shí)限要求，更快地對(duì)外部目標(biāo)做出反應(yīng)，提高了系統(tǒng)的敏感性。

5 結(jié)語(yǔ)

基于國(guó)產(chǎn)道操作系統(tǒng)構(gòu)建的艦載指揮控制系統(tǒng)，憑借開放的體系架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序的快速移植和便捷開發(fā)。通過(guò)道操作系統(tǒng)高性能、搶占式和強(qiáng)實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)了高優(yōu)先級(jí)線程搶占能力和強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)切換能力，滿足了艦載指揮控制系統(tǒng)情報(bào)信息搜集的實(shí)時(shí)處理，同時(shí)，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(tái)。

1]高峰，王自強(qiáng).硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：LynxOS[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2005（3）：63-64.

[2]張揚(yáng)，于銀濤.VxWorks內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)與實(shí)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(guó)產(chǎn)軟硬件平臺(tái)。