龍芯信息化平臺的應用遷移工作思考

靳國杰 張戈 高翔 胡偉武

摘 要：“構建安全可控的信息技術體系”已經成為我國解決國家信息安全并提升產業競爭力的共識。龍芯CPU經過多年發展，在相關信息化試點應用的帶動下，底層軟硬件平臺逐步完善，在這種情況下，如何針對已有大量成熟的上層應用進行應用遷移將成為打造自主軟硬件生態成敗的關鍵。由于大量應用基于主流API（應用編程接口）而不是ISA（CPU指令集）進行開發，因此應用遷移的關鍵在于對主流API的良好兼容和支持。目前，龍芯CPU平臺已經全面兼容主流編程語言和API，并積極投入API平臺軟件相關的開源社區生態建設。在此過程中，龍芯團隊加強應用遷移的技術支持與服務力量，并為應用開發者提供應用遷移指南教程與培訓，及時解決應用遷移過程中遇到的各類問題，為構建自主可控的信息技術體系提供有效提速手段。

關鍵詞：龍芯；自主可控；安全可靠；軟件生態；應用遷移；API

中圖分類號：TP274+.2 文獻標識碼：B

Abstract： Building a secure and controllable information technology architecture is the key point to insure national security. Loongson CPU has evolved for years with practice and cases in application.The self-designed CPU along with the fundamental software/hardware have reached a high stable level. Large amount of legacy application systems need to be migrated to Loongson platform. All typical API（Application Programming Interface） can run on Loongson platform， which facilitates the development and migration of applications. Loongson makes outstanding contributions to open-source community with thousands lines of software patches.Programmers can migrate their systems to Loongson platform in a short time with necessary guide and training service from Loongson.

Key words： loongson； self-determination and controllability； security and reliability； software ecology；application migration； API

1 引言

安全可控信息體系是指核心信息技術和產品自主可控，能夠以此構建實現安全可靠的信息技術體系。國內的信息體系長期呈現應用發達、基礎薄弱的不對等現象，需要從根本上改變CPU、操作系統兩大核心技術長期采用國外產品的現狀，在產品制造、產品供給、技術發展等各方面消除受制于人的命門，并且在此基礎上建立自主軟件生態。

隨著自主軟硬件平臺在應用中不斷提升成熟度，建設安全可靠信息體系的戰略面臨著重要轉軌，以前的主要矛盾聚焦于解決CPU、OS的自主研發問題，下一階段將逐步過渡到打造自主軟件生態的軌道上來。

2 自主可控應用推廣瓶頸從底層基礎軟硬件逐步轉向應用遷移

2.1 自十八大以來，在有關應用試點的帶動下，龍芯CPU基礎平臺成熟度大幅度提高，正在從量的積累形成質變

具體體現在四個方面。

（1）功能完整：龍芯平臺經過多輪試點，在試點過程中聯合合作伙伴完善了包括操作系統、數據庫、中間件、Java虛擬機、核心瀏覽器、Flash等插件、虛擬化平臺以及實際用戶辦公場景下的大量打印機、掃描儀等外設產品適配，操作系統由32位升級為64位，實現了應用倉庫、在線升級特性以提升使用體驗、簡化運維管理，龍芯平臺面向辦公業務類信息化支撐功能完備。

（2）架構穩定：試點應用初期，不同主板需要進行專門的操作系統適配，CPU升級也得專門的操作系統適配，形成組合爆炸。通過完善包括CPU、橋片、固件（Bios）、操作系統的技術規范，龍芯平臺逐步統一了系統架構，目前已經做到了同一個操作系統版本對不同主板、整機和CPU系列芯片的二進制兼容，大幅降低系統架構層面的適配工作量。

（3）性能優化：龍芯處理器從早期試點的3A1000到目前的3A3000，CPU性能總體提升3至4倍，底層基礎軟件如Java虛擬機、瀏覽器JavaScript引擎性能平均提升2.5倍，總體應用性能提升1個數量級；正在研制的3A4000/3C5000，在保持系統架構兼容的基礎上，單核性能再提升1至2倍，同時提高核數，綜合通用性能接近主流CPU水平。

（4）問題收斂：試點初期，應用適配中發現的很多與穩定性、性能相關的問題追溯到CPU或操作系統，需要CPU和操作系統企業緊急組織攻關解決。而近一年來，應用適配中發現的問題很少追溯到底層的CPU和操作系統，更多在于操作系統之上與應用軟件之間的磨合適配，自主基礎軟硬件平臺的成熟度在用戶不斷使用當中得到大幅提升。

2.2 隨著自主基礎軟硬件的成熟，如何針對已有大量成熟應用進行應用遷移將成為打造自主軟硬件生態成敗的關鍵

向自主軟硬件平臺進行全面應用遷移，這是一個具有歷史性的大工程，難點在于三個方面：一是工作量龐大，面臨以往30年間建設的應用系統，難以勝數，而解決國家安全問題的任務緊迫，留給自主軟硬件進行替代的時間窗口較短；二是開源軟件生態的碎片化，Linux的“集市式開發”導致生態嚴重發散，操作系統、編譯器、API（Application Programming Interface，應用編程接口）都形成了多種分支，版本升級過程中普遍存在不向下兼容的現象；三是政府和企業信息化未建立標準體系規范，由于缺乏頂層規劃，現實中的編程語言、API都有隨意性，煙囪林立。

這些問題構成應用遷移需要解決的難點，如何協助應用廠商做好應用遷移是龍芯后續的戰略性工作。

3 應用遷移的關鍵在于打造良好規范的應用編程接口API

軟件生態建設的關鍵在于開發者而不是用戶，而開發者更加關注API（應用編程接口）而不是ISA（Instruction-Set Architecture，CPU指令系統）。API是應用開發者的生產工具，各類應用程序（APP）都是基于API接口（如Java、JavaScript、QT等）開發出來的。只有掌握了API，才能吸引大量開發者圍繞龍芯的技術平臺進行應用開發工作，并在此基礎上逐步形成產業生態。

（1）隨著應用開發與編程環境的重要性越來越高，指令集（ISA）的區別對于應用生態的影響越來越小。指令集是指CPU所執行的機器指令的二進制編碼格式。Intel的CPU基于X86指令集，而龍芯CPU在兼容MIPS指令系統的基礎上發展出自主的龍芯指令系統LoongISA，無法運行被編譯成X86指令集的軟件代碼，因此Windows操作系統和所有針對X86編譯的應用程序都無法在龍芯上運行。指令集包括兩個子集，一個是核心態指令集，只在操作系統中使用；另一個是用戶態指令集，可供應用程序使用匯編語言進行調用。事實上，現在應用程序絕大部分使用平臺無關的高級語言編程，都是由編譯器實現應用程序源代碼到機器指令的轉換，國內信息化中的應用程序都幾乎不再采用匯編語言進行編程，已經看不到指令集的概念，因此ISA對于應用程序可以認為是透明的。

（2）應用編程接口的區別是應用遷移的主要問題來源。應用編程接口是應用軟件與編程環境（編譯器、函數庫、框架、引擎等）之間的調用接口。龍芯電腦運行的操作系統基于開源Linux，所包含的編程環境和Windows有很大差異，像Windows專用的編程環境MFC、.Net Framework都不對Linux操作系統開放，龍芯電腦的應用編程接口和Windows不兼容。隨著龍芯在信息化項目中的瓶頸由底層“上移”到應用層面，應用遷移的主要工作都是在解決API層面的問題。目前，在基于Linux平臺的信息化領域，運行的各類常用API接口與編程語言大致分布如圖 1所示。

可以看到，在信息化應用中跟指令集ISA直接相關的只有匯編語言，而匯編語言在信息化應用中的比例不到1%甚至遠小于1%。其余的語言都與CPU平臺無關，例如C/C++、Qt這兩種面向C/S架構的源代碼只需要使用編譯器重新編譯，而剩下的Java語言、SQL語言、JavaScript/HTML/CSS、PHP/Python/Ruby、Flash等面向B/S架構的源代碼總共占據高達90%以上的比例，本身就是跨平臺的中間字節碼，不需要重新編譯，把X86平臺上的二進制文件直接傳送到龍芯平臺上即可運行。這意味著大部分應用軟件能夠在短時間內完成遷移，甚至在API軟件版本相同的情況下已經不需要遷移。

4 龍芯在應用遷移方面所開展的工作

4.1 經過多年軟件生態建設，龍芯全面支持了計算機主流API和編程語言

龍芯平臺目前全面兼容支持計算機主流API和編程語言，能夠滿足大部分信息化應用系統對基礎軟件的要求，如表1所示。近兩年來，很多軟件開發商在沒有龍芯甚至操作系統廠商任何技術支持的情況下獨立完成了應用開發或應用遷移。

4.2 龍芯積極投入API平臺軟件相關的開源社區的生態建設

目前，龍芯在關鍵API軟件以及編程接口方面，維護的代表性基礎軟件和開源社區貢獻在四個方面。

（1）在Java虛擬機方面，龍芯公司是Java社區JCP的Full Member，是MIPS分支的維護者，從無到有開發了MIPS平臺的OpenJDK，通過了Java兼容性測試套件JCK測試，符合Java SE 標準，正在與官方社區合作開展后續研發工作。龍芯的OpenJDK在業內已經形成一定的影響力，全球知名JVM公司Azul、創發科技等正在基于龍芯OpenJDK開源版本進行產品定制。

（2）在瀏覽器方面，Firefox、Chromium都可以在龍芯平臺上穩定運行，并在此基礎上對功能和性能進行了開發和優化。例如，提供了即時編譯器（Just In Time compiler，JIT）的后端支持，并針對平臺對JIT進行了優化，對圖形渲染后端引擎進行優化，提高頁面展現和滾動性能。增加了性能分析和調試工具，以及對插件獨立進行的支持。優化音視頻媒體庫、WebGL 3D等高級特性。

（3）在編譯器和工具鏈方面，龍芯目前是Binutils的MIPS分支維護者。3A3000的編譯器支持代碼已提交GCC社區，并得到Phoronix.com科技報道。

（4）在操作系統方面，龍芯推出社區操作系統發行版Loongnix，集成了上述所有技術方向的軟件成果，在社區上提供所有代碼和開發工具的開放下載，可供下游操作系統廠商進行定制以形成品牌操作系統。為了緩解開源軟件的碎片化問題，龍芯對基礎軟件平臺提出 “研要跟、用要穩”原則，即對Loongnix堅持在未來五到十年之間長期維護，即使龍芯推出下一代升級CPU，現有的Loongnix版本仍然能夠在新的CPU上安裝使用，軟件開發商已經適配的上層應用軟件不受任何影響。

龍芯通過將大量第三方開源軟件在龍芯平臺上進行移植，解決功能問題、性能優化問題，最終將成果提交反哺給開源社區，不斷縮小與X86生態的距離，甚至解決了很多開源社區都沒有發現、X86平臺上也存在的問題。例如，在龍芯Java虛擬機中修正了X86平臺也存在的8個共性問題，龍芯瀏覽器的功能完善程度超過開源瀏覽器。龍芯向開源社區提交的API項目貢獻匯總見表 2。

4.3 龍芯為開發者進行應用開發和遷移提供技術指導和支持

為提升軟件開發商在龍芯電腦上進行應用開發和遷移的能力，快速推動建設龍芯生態，龍芯團隊提供組織保障。