基于自主可控計算平臺的指揮控制系統架構

文/方雪

1 引言

現代戰爭條件下，隨著武器指揮控制系統信息化程度日益提高，戰場形勢瞬息萬變，在指揮控制系統中需要充分利用計算機、通信和網絡等技術把指揮控制、情報偵察、武器裝備有機統一結合起來。計算機作為整個指揮控制系統的核心部件，起著舉足輕重的作用。我國的自主可控計算機產業發展與發達國家相比還有較大差距，使用的芯片依賴國外進口，安全性方面存在漏洞，同時面臨復雜的國際形勢，經常遇到對芯片的進口限制，所以研究和開發自主可控的國產計算機對于我國國產計算機技術獨立自主的發展，擺脫技術上和市場上受制于人的困境具有重要意義。

2 國產CPU發展現狀

目前國內發展較好的CPU有龍芯、飛騰和申威三種。

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

飛騰處理器是國防科技大學為“天河”系列超極計算機而量身定制的銀河飛騰系列通用CPU，得到了國家“核高基”項目的專項資金支持，并以Sparc開源代碼為基礎設計了FT-1000、FT-1500兩款CPU，之后又以ARM為架構開發了FT-1500A、FT-2000、FT-2000PLUS等CPU產品。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，FT-1500A/16被用于服務器，16核。

圖1：自主可控平臺組成結構圖

中國科學院計算技術研究所從2001年開始研制國產通用的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。龍芯1號雖然只是主頻266MHz的32位處理器，但經過若干年發展，現在已經發展到了第三代產品，最新型號為龍芯3A。龍芯3A是我國第一個具有完全自主知識產權的四核CPU，采用RISC架構，兼容MIPS指令集，集成四個64位的四發射超標量GS464高性能處理器核。每個處理器核包含64KB數據緩存和64KB的指令緩存，支持全流水的浮點加減、乘法、乘加等運算，片內還集成了四核共享的4MB二級Cache，集成了2個64位400MHz的DDR2/3控制器，支持動態功耗管理，1個LPC、兩個UART、1個SPI、16路GPIO接口。

3 自主可控計算機平臺

指揮控制系統主要硬件平臺包括計算機終端、網絡交換以及服務器。根據實際使用需求，自主可控計算機平臺終端選用以龍芯處理器為核心的計算機，以中標麒麟為核心操作系統，網絡交換以龍芯2H處理器為核心平臺；服務器以飛騰處理器為核心，操作系統選用銀河麒麟操作系統，安全性得到較好的保障，可用性得到較大的提升，使自主可控計算機的核心部件的國產化率可達95%以上。

3.1 硬件平臺

指揮控制系統要完成上下級、友鄰部隊指揮控制系統各單元的互通互聯，能夠快速實時判斷指令的合理性，要根據作戰態勢處理矢量地圖的測量分析、情報處理、戰場監控。因此對其硬件平臺計算機的配置要有較高的要求。自主可控計算機選用龍芯3A3000四核處理器，采用MIPS架構，集成4個同構的64位四發射超標量GS464e高性能處理器核，集成8MB的分體共享三級Cache，工作主頻1.2GHz～1.5GHz。龍芯3A3000還在片內集成了2個64位帶ECC，800MHz的DDR2/3內存控制器、兩個16位2.4GHz的HT控制器、一個32位PCI控制器、以及LPC、SPI、UART、GPIO等其他IO接口，適合高性能應用領域。

圖2：精密跟蹤雷達威力覆蓋圖

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;作戰指揮控制系統需要網絡通信，因此硬件平臺需要有網絡接口；在指揮控制系統中需要各個指令穩定、安全可靠地傳輸，因此硬件平臺還需要配備串口以及其他總線接口。自主可控計算機除了CPU本身采用國產芯片外，外圍電路也都采用國產元器件。

服務器負責整個系統的數據處理和數據交換，需要配置足夠的計算資源和交換資源，服務器以飛騰1600A-16處理器為核心，配套國產固件、國產銀河麒麟操作系統和國產數據庫，通過千兆網絡、VGA和USB等為用戶提供計算處理、數據管理、存儲及數據交換等功能。

飛騰FT1500A-16為16核64位通用處理器，ARM V8架構，支持ARM64指令集，集成16個處理器核，單核工作主頻1.5GHz，L1數據緩存32KB，L2數據緩存8MB，L3數據緩存8MB，理論峰值浮點計算能力96Gflops，處理器采用低功耗設計，功耗35W。

指揮控制系統自主可控平臺架構如圖1所示，其計算機平臺主要包括服務器、計算機終端、網絡交換機以及通信設備，硬件設備全部以國產器件為核心。

3.2 軟件支撐平臺

自主可控計算機的軟件層面包括底層固件、操作系統、測試維護程序，均為國產自主可控軟件。

3.2.1 底層固件

底層固件選用中電科技的昆侖固件。昆侖固件支持國產計算平臺，實現硬件檢測、初始化及操作系統引導，具備先進的固件架構，國產平臺深度定制，安全可控，具有自主知識產權，支持國家、軍用可信計算規范，可為國產計算平臺提供安全、可信的運行環境。

3.2.2 操作系統

計算機終端以中標麒麟操作系統為核心，國產中標麒麟操作系統是在國家“863”計劃重大專項、“核高基”科技重大專項和國家發改委產業化專項扶持下，以兼容Linux的技術思路開發的高安全、高可用、高性能和高可定制的國產操作系統。中標麒麟操作系統已經在國內上百家主流計算機、數據庫、中間件、網絡安全、應用軟件和系統產品完成適配驗證工作。目前已成功應用于國防、政務、能源、交通、航天、電信、金融、郵政、教育等眾多行業和領域，尤其是國防領域。中標麒麟操作系統在機關辦公、型號裝備、任務調度系統和指揮控制系統中有大量應用，獲得用戶充分的信任與認可。

根據指揮控制系統的應用方式，選擇軍用中標麒麟桌面操作系統作為系統軟件，該系統通過圖形界面，可以實現對系統的所有操作，包括：用戶管理、文件管理、設備管理、系統設置、shell和實用工具應用軟件等。

中標麒麟桌面操作系統已在龍芯等國產CPU平臺上進行了適配，在多種CPU下成功適配支持數十種整機設備，上千種包括打印機、掃描儀、投影儀、攝像頭等各類外部設備和特種設備。該系統還成功地實現了對各類國產軟件，如國產數據庫、中間件以及辦公軟件的全面適配和支持。

中標麒麟操作系統配備了完善的開發工具，提供了良好的開發環境，包括編譯器、圖形化的IDE工具Eclipse和Qt Creator等，全面支持絕大多數主流編程語言，并提供了大量的開發庫，提供對控件定制增強的支持和指導服務，能夠較好地支撐項目的開發工作。

服務器以國產銀河麒麟操作系統為核心，近年來憑借過硬的技術積累，可提供“麒麟天鏈存儲多路徑管理系統”、“麒麟天衡高可用集群管理系統”、“麒麟高可用網絡冗余系統”和“麒麟備份還原系統”。目前已成功應用于國防、政務、能源、交通、航天、電信、金融、郵政、教育等眾多行業和領域。尤其是國防領域，麒麟操作系統在機關辦公、型號裝備、任務調度系統和指揮控制系統中有大量應用，獲得用戶充分的信任與認可。

銀河麒麟操作系統通過圖形界面，用戶可以實現對系統的所有操作。包括：用戶管理、文件管理、設備管理、系統設置、shell和實用工具應用軟件等。

3.2.3 測試維護程序

測試維護程序能夠提供可視化的用戶交互平臺，可對自主可控計算機的主要設備部件進行診斷檢查，提供測試維護程序，通過調用相關接口函數給出測試結論。能夠檢測并顯示自主可控計算機硬件平臺的操作系統和硬件信息，同時通過程序自身或調用其他外部軟件實現硬件核心、網絡、硬功能鍵的測試功能，并實現部分操作系統的控制、管理功能。

3.3 應用軟件

為驗證硬件平臺是否滿足目前應用軟件的運行需求，分別在計算機終端和服務器上運行了常用的應用軟件進行了測試。

在基于龍芯3A3000處理器的計算機終端上運行地理信息系統進行測試，測試的項目包括二維和三維應用場景，實現導航數據的圖文顯示/處理存儲、地圖匹配導航、接受指控計算機終端指令并返回導航信息等功能。測試運行的地理信息軟件具有豐富的繪圖功能，能夠對多種類型和用途的地圖進行快速顯示與操縱，能夠顯示態勢圖、地形、多分辨率影響等特性；提供各項地理信息分析功能，點位、距離等常用量算功能，圖2為軟件運行示例，通過測試，基于龍芯3A3000處理器的計算機終端可以滿足軟件運行需求。

在基于FT1500A-16處理器的服務器上運行了集群管理服務進行測試，集群管理軟件主要包括集群部署服務、集群應用網關、軟件鏡像倉庫和運行監控等。通過測試，基于FT1500A-16處理器的服務器可以滿足常用服務器軟件的運行需求。

4 技術特點

指揮控制系統在考慮安全性、實時性以及自主可控性情況下，不受國外進口產品技術的制約，搭載國產硬件平臺，在性能上與國外產品相匹配，同時集成了健康管理功能，通過傳感器可以實時監控整個系統的溫度、工作電壓、工作電流等物理健康特征，可以為指揮控制系統提供強有力的后臺保證。

5 結束語

在現代作戰指揮控制系統中，信息化程度日益提高，戰場情況瞬息萬變，為了適應未來戰爭和國防建設的需要，在面對國外敵對勢力對我國的技術封鎖，在國家安全受到威脅時，必需建立自主可控計算機硬件平臺，從硬件到軟件形成國產自主化，不受外來條件制約，避免外部條件對裝備發展構成的安全威脅，擺脫核心信息技術受制于人的局面。