一種基于國產化平臺的高速終端主控單元解決方案

王宇

摘要：針對高速終端設備國產化要求，提出了一種高速終端主控單元解決方案。硬件采用基于國產CPU的定制板卡實現，在滿足功能和性能指標的同時，價格與非國產方案相近。軟件基于國產銀河麒麟操作系統研制，采用Qt開發，具有與非國產方案相同的人機界面。通過對比各種軟硬件模塊的功能和性能，選擇最優解決方案滿足高速終端的國產化要求和工程項目使用需求。

關鍵詞：高速終端；主控單元；國產化

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2020）19-57-3

0引言

傳統的高速數傳終端通常采用X86[1]主板+Windows[2]操作系統的組合作為主控解決方案，硬件核心元器件主要由美國的Intel和AMD生產，而作為軟件基礎的操作系統則是美國微軟公司的產品。

2013年，愛德華·斯諾登揭露了美國國家安全局的“棱鏡”監聽項目。美國國家安全局借助該項目可以實時監控電子郵件、即時消息、視頻、照片、存儲數據、語音聊天、文件傳輸、視頻會議、登錄時間及社交網絡資源細節等信息。微軟、谷歌、Facebook、YouTube及蘋果等公司的數據都在美國政府監控范圍內，政府軍工部門中的各種設備繼續使用X86主板和Windows操作系統會存在一定的安全隱患。

2018年，美國商務部發布公告，在未來7年內禁止中興通信向美國企業購買敏感產品。一年之后，美國商務部以國家安全為由，將華為公司及其70家附屬公司列入管制實體名單，禁止美國企業向華為出售相關技術和產品。這2個事件把軟硬件國產化從安全要求提升為生存要求。因此，研究基于國產化平臺的高速終端主控解決方案變得更加緊迫。

1國產化高速終端主控硬件方案

高速終端的主控單元是一個單板計算機，承擔監控、波形管理及數據存儲轉發等功能。由于高速終端主要用于接收低軌衛星的下行數據，而衛星過境時間有限，為了能夠在有限的時間窗口內傳輸盡量多的數據，高速終端要求的數據處理能力遠高于一般的通信終端。除了單通道數據吞吐量大，通常還會要求支持2路數據接收。這就要求主控板卡的CPU具有較強的并行處理能力，即擁有更多的處理核心，各CPU指標對比如表1所示。

傳統的X86主板方案采用i7或Xeon等多核處理器，由于這類處理器具有超線程技術，可以同時運行2倍于核心數量的線程，具備處理1.2 Gbit/s雙通道數據的采集、搜幀、存儲及轉發的能力。

目前較為成熟的X86處理器替代方案是中科院的龍芯系列處理器[3]和國防科大的飛騰系列處理器。龍芯處理器采用MIPS架構，用于高性能計算平臺的型號為龍芯3000系列，單個處理器具備4個核心。飛騰處理器采用ARMv8[4]架構，用于高性能計算平臺的主流型號為FT1500A/16，單個處理器具備16個核心。

從并行計算能力要求考慮，如果采用龍芯3000，需使用雙CPU主板設計。因此，FT1500A/16方案具有體積和功耗方面的巨大優勢，高速終端主控解決方案優先選擇FT1500A/16處理器。

2國產化高速終端主控軟件方案

在相當長的一段時間內，PC桌面操作系統市場的主要份額依舊會被微軟公司的Windows占據。目前能與微軟的Windows操作系統一較高下的只有Linux操作系統。Linux是一款免費的操作系統，用戶可以通過網絡或其他免費途徑獲得，并可以進行裁剪和修改。在各個領域得到廣泛應用，從最簡單的嵌入式CPU，到高性能的服務器，都活躍著各個公司的各種版本的Linux操作系統。

針對FT1500A/16處理器的主板方案，國防科技大學也基于Linux內核推出了與之適配的國產化操作系統———銀河麒麟。該系統具有高安全、高可靠、高可用、跨平臺以及中文化（具有強大的中文處理能力）等特點，能夠與飛騰處理器組成完整的組合方案。得益于開源模式，基于Linux內核的操作系統具有豐富的驅動資源。無論是在嵌入式操作系統，還是桌面操作系統，Linux環境都是各硬件廠商首要支持的環境。以至于在發展移動平臺操作系統的時候，Android、MeeGo等系統直接把Linux系統作為自己的底層使用。因此，在基于Linux內核的銀河麒麟系統上，驅動移植問題相對易于解決。

基于X86+Windows環境的高速數傳主控軟件，多采用微軟的Visual Studio開發，導致其只能在Windows環境下運行。因此，一個完整的解決方案，還需要應用軟件的開發環境。

高速終端主控軟件本身是一個C/S模式的應用軟件，涉及一組監控界面和監控接口。在銀河麒麟系統中進行此類軟件開發的工具是Qt[5]。Qt最早是由Qt Company開發的跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架，可在不同操作系統上開發GUI程序，其中包括Linux[6]操作系統。從2009年起，諾基亞為Qt添加了開源LGPL授權選擇，Qt源碼庫面向公眾開放。因此，銀河麒麟采用Qt作為高速終端主控軟件的開發工具是相對安全的選擇。

3實驗驗證

某研制項目中，使用飛騰+銀河麒麟+Qt的解決方案解決了高速終端主控單元的國產化問題。硬件方面，國產化主控單元采用定制的FT1500A/16主板替代使用Xeon D1500的凌華CPCI 6940主板。

CPCI6940主板是凌華公司生產的CPCI工控機主板，使用的Xeon D1500處理器包含8個核心，通過超線程技術可同時運行16個線程，其中的DS型號支持2個萬兆網光纖接入。為了能夠達到與之相同的并行處理能力，訂制的主板選用FT1500A/16作為國產化板卡的主處理器。外圍接口和結構尺寸參照CPCI6940進行設計，可以對CPCI6940進行原位替換。

CPCI 6940與FT1500A/16的主板對比如圖1所示。板卡是雙層結構，萬兆網光模塊板卡通過XMC子板接口托與主板上。除了萬兆網接口，板卡還支持2個千兆網接口、2個USB接口和一個VGA顯示器接口，板卡的CPCI接口包含PCI接口。為了支持高速數據的存儲和轉發，板卡使用SSD硬板存儲數據。

操作系統方面，則使用銀河麒麟操作系統替代Windows7操作系統，并基于該系統使用Qt開發的高速終端的主控程序。基于銀河麒麟操作系統與基于Windows7操作系統的主控程序界面對比如圖2所示。為了方便用戶使用，2種版本的主控程序采用了相同的界面布局設計。

高速終端的主控程序軟件支持板卡配置，可根據當前調制解調板的數量生成主控界面。Windows7版本的主控軟件被配置為一塊調制板和一塊解調板的場景。銀河麒麟版本的主控軟件被配置為一塊調制板和2塊解調板的場景。通過這種方法，軟件可適配更多的終端應用場景，并根據需要解鎖各種功能。雖然用戶可能不太適應銀河麒麟系統，但是一旦主控軟件啟動，用戶就可以回到自己熟悉的操作環境，并對高速終端進行各種操作。

在測試中，X86+Win7+MFC方案與飛騰+麒麟+Qt方案的主要性能指標對比，如表2所示。

通過表2可以看出，飛騰+銀河麒麟+Qt的組合可有效解決高速終端主控單元功能和性能要求。

出于成本和實現難度的考慮，本方案的硬件板卡只是將 CPU芯片替換為國產芯片。因此在包含研制成本的情況下，其硬件成本僅比X86解決方案增加了16%。該板卡的其他元器件，亦有國產化替代方案。若不考慮成本限制，板卡的國產化率可達到95%。其中暫時不能國產化的部分為萬兆網光模塊，如果項目不要求使用萬兆網接口且預算充足，使用此方案即可實現100%國產化。

4結束語

本文基于現有技術條件，提出了一種高速終端主控單元的國產化解決方案，并給出了工程實踐結果。這種解決方案的提出，對于保護數據安全和打破軟硬件技術封鎖具有重要的現實意義，為高速終端國產化改造提供了一條行之有效的道路。

參考文獻

[1]董耀祖，周正偉.基于X86架構的系統虛擬機技術與應用[J].計算機工程，2006，32（13）：71-73.

[2]卿斯漢，曾山松，杜超.Windows安全基線研究[J].信息網絡安全，2015（3）：6-13.

[3]芮雪，王亮亮，楊琴.國產處理器研究與發展現狀綜述[J].現代計算機（專業版），2014（8）：15-19.

[4] SEAL D. ARM Architecture Reference Manual[M].Boston： Addison-Wesley，2000.

[5]王存健，張建正.嵌入式Linux下Qt/Embedded的應用[J].計算機技術與發展，2006，16（11）：179-181.

[6]史黎黎，牛賓.基于Linux系統的即時通信軟件開發[J].無線電工程，2015，45（8）：94-98.