基于國產CPU和國產操作系統的地面控制系統開發

賈圣羽

摘 要 為了提高某系統的安全性，保證核心軟硬件自主可控，在不降低性能的條件下，對系統中使用到的核心芯片和操作系統進行國產化替代方案研究，通過調研國內的芯片和操作系統供應商，選擇滿足功能、性能等要求的芯片和操作系統，集成可行的軟件開發環境，基于QT開發系留氣球地面控制系統軟件，并在實際項目中應用，實踐證明國產芯片和國產操作系統的組合可以運行穩定，在性能滿足要求的情況下，可以替代國外產品，為其他準備采用國產化芯片和操作系統的項目提供參考。

關鍵詞 國產芯片 國產操作系統 QT 地面控制系統

一、引言

國內相關單位曾通過對某些國外CPU的嚴格測試，證實存在功能不明確的“多余”模塊，還發現存在未公開指令，包括加解密、浮點操作在內共計二十余條。其中，有三條指令在用戶模式就可以使機器死機或重啟，作用機制直接穿透各種軟件保護措施，防護軟件不能感知，普通應用程序中嵌入一條即可使系統宕機。這些存在問題的芯片要是被用在航空、航天、黨政辦公等核心關鍵領域，將可能造成嚴重后果，因此，必須將芯片國產化替代提升到國家安全層次，在關乎國家安全的戰略行業，必須使用中國芯[1]。

目前國內的計算機核心芯片都是Intel或者AMD的，操作系統都是windows操作系統，應用軟件由各家公司自主開發。基于目前國際信息安全局勢和國家對核心軟硬件自主化的要求，需要搭建一套核心硬件自主研發、操作系統自主研發的開發環境，在此基礎上自主開發軟件。

二、需求分析

1.計算機的核心硬件自主可控，性能不能低于現在使用的計算機，至少具備2路以太網口，2路RS232串口。

2.操作系統自主可控，與計算機硬件兼容性好，提供成熟可靠的軟件開發環境。

3.基于以上軟硬件環境自主開發地面控制軟件。

三、系統方案

（一）環境搭建

1.國產化芯片

本項目不討論CPU的制造問題，主要從設計上滿足自主可控，避免留有后門。從CPU設計方面來看，國產的CPU有以下幾個類型：

（1）完全自主設計的芯片。代表產品如龍芯，屬于MIPS兼容架構，從下到上都是自主設計，指令集雖然是模仿的，但算是自主的，現代CPU架構下指令集的差異性已經不大了。主要應用于低功耗服務器、個人計算機、工業控制、網絡安全方面；

（2）開源方案，其中的代表就是SPARC架構的CPU。這一類CPU基本不會用在民用領域，大多用在航空領域[2]；

（3）購買方案，基于國外的架構開發的芯片。代表產品有申威處理器，在太湖之光超級計算上有應用，前三代源于DEC Alpha架構，第四代開始架構不詳，架構設計類似與Power cell架構；

（4）授權方案，經過一定的延伸性設計，然后生產的芯片。代表類型是華為海思、飛騰和兆芯，華為海思是拿到ARM的授權，然后重新設計的；國防科大的飛騰芯片，產品架構從sparcv8架構轉到ARM架構都有；兆芯的芯片是基于X86架構開發的。

基于以上情況分析，經過廠家調研、資料查詢和供應商咨詢，綜合可靠性和性能需求，決定選用應用更廣泛的龍芯3A3000系列CPU（四核，主頻1.2GHz），還有更高端的 3A4000系列（2.0GHz），3A5000系列（2.5GHz）正在測試。

2.國產操作系統

通過與供應商咨詢，與龍芯3A3000系列芯片兼容性比較好的國產操作系統是中標麒麟操作系統。中標麒麟桌面操作系統是一款面向桌面應用的圖形化桌面操作系統，是國家重大專項的核心組成部分，是民用、軍用“核高基”項目桌面操作系統項目的重要研究成果，該系統成功通過了多個國家權威部門的測評，為實現操作系統領域“自主可控” 的戰略目標做出了重大貢獻，在國產操作系統領域市場占有率穩居第一[3]。

中標麒麟操作系統采用強化的Linux內核，界面基本就是參考windows，有XP和win7兩種主題可以切換，方便用戶操作。本項目使用的系統版本內置的IDE（集成開發環境）只有QT5.6版本，若想安裝其他版本的QT或者其他廠家的IDE，甚至是系統沒有自帶的其他應用軟件，需要和中標麒麟廠家溝通咨詢，通常需要復雜的適配過程，適配費用很高（以萬為單位計，批量的話可以考慮）。其他自帶的軟件有華標版的office套件（word，Excel和PPT），中文輸入法等常用應用。

（二）軟件開發

因項目進度要求，硬件采購和軟件開發需同時進行。項目組在虛擬機上進行軟件開發，根據以往項目的經驗決定在4.8.7版本的QT下開發，開發過程與在windows和iOS下是一樣的，根據項目需求進行設計、編碼、測試和應用部署。

硬件到貨之后發現操作系統自帶的是QT5.6版本，經過部分設置更改，重新編譯，程序順利運行。目前部署完成的系留氣球地面控制系統軟件已連續運行半年多，系統穩定無故障。同時，有另外一個項目組使用QT5.9.1開發程序，開發完成后嘗試移植到新的計算機上，截至目前沒有移植成功。

四、結論

1.龍芯3A3000系列CPU性能和Intel、AMD還是有差距的，不過和中標麒麟桌面版操作系統的組合穩定，兼容性好，基本滿足使用要求。

2.編譯運算量大的程序時，速度慢，CPU使用率接近100%。

3.操作系統支持的軟件少，可擴展性弱，使用過程中，不要隨意刪除系統自帶的功能，更改系統設置，否則系統可能無法正常使用。

4.最好使用系統自帶的開發環境，如QT5.6，或者更低版本的IDE進行軟件開發，5.9版本開發的程序很難移植到中標麒麟系統下（實際操作未成功），在QT4.8版本下開發的程序移植成功。

參考文獻：

[1]必須將芯片國產化替代提升到國家安全層次.鐵流.環球時報[引用日期2018- 06- 14].

[2]李富剛.龍芯+Linux 國產CPU和操作系統現狀分析.中關村在線，2017- 05- 13.