船海典型軟件在國產CPU上的適配及評估研究

摘" 要：針對船海行業應用軟件技術自主可控與數據安全的需求，聚焦船海典型應用軟件在國產CPU硬件上的適配、測試及評估研究，提出上層應用軟件在底層國產CPU硬件上的適配、測試及評估方法，構建搭載國產操作系統的鯤鵬、飛騰、海光、兆芯、申威及龍芯6類國產CPU硬件樣機。以船海典型自研應用軟件為對象，在6類國產CPU硬件樣機上開展軟件的代碼改造、編譯及適配，確立典型應用軟件的功能及性能評估指標，開展相關指標在6類國產CPU硬件樣機及原有Intel X86 CPU硬件上的測試與評估。研究結果表明，適配版應用軟件在6類國產CPU硬件樣機上的技術性能存在差異，且與Intel X86 CPU硬件相比，現行國產CPU硬件的技術性能相對較低，在一定程度上制約軟件的運行效能；上層應用軟件在底層國產CPU硬件上的適配存在源代碼改造、第三方函數庫的自研替代及非跨平臺語言的重寫等技術難點。研究成果能夠為船海及其他行業的應用軟件在國產CPU硬件上的適配提供理論方法與技術實踐參考。

關鍵詞：船海；應用軟件；國產化；適配；評估

中圖分類號：TP312" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）04-0001-09

Abstract： Aiming at the demand for self-controlled technology and data security in terms of marine industry-related application software， the research on the adaptation， test， and evaluation of typical marine application software on domestic CPU has been carried out. The method of adapting， testing and evaluating upper-layer application software on the underlying domestic CPU has been proposed. Six categories of domestic CPU prototypes， including Kunpeng， Phytium， Hygon， Zhaoxin， Shenwei， and Loongson， which are equipped with domestic operating systems， have been constructed. With typical self-developed marine application software as the objects， the code modification， compilation， and adaptation of software were performed on the six types of domestic CPU prototypes. Functional and performance evaluation indexes of typical application software have been defined， and tests of relevant indexes have been carried out on six types of domestic CPU prototypes and the original Intel X86 CPU. The results indicate that there are differences in the technical performance of the adapted version of the application software on six types of domestic CPU prototypes， and the technical performance of the current domestic CPU is relatively inferior compared with that of Intel X86 CPU， which restricts the operation performance of the application software within a certain range; the adaptation of upper-layer application software on the underlying domestic CPU suffers from technical challenges such as code modification， self-research substitution of third-party function libraries， and rewriting of non-cross-platform languages. This paper can provide theoretical methods and technical practice for the adaptation of application software on the domestic CPU in marine and other industries.

Keywords： marine; application software; domestic; adaptation; evaluation

當今國際局勢復雜動蕩，“棱鏡計劃”、俄烏沖突、巴以沖突等重大事件的爆發，為我國信息安全與核心技術自主可控敲響了戰略警鐘。實現行業上層應用軟件在國產底層“CPU+操作系統”基礎軟硬件體系中的適配，是保障我國信息安全與技術自主可控的關鍵環節[1-2]。我國對CPU的設計研發已有二十余年，產生了鯤鵬、飛騰、海光、兆芯、龍芯及申威為代表的6類國產CPU[3-4]。在操作系統的設計研發方面，從“七五”計劃開始，經歷了啟蒙、發展、壯大和攻堅4個階段，產生了銀河麒麟、統信UOS及中科方德等為代表的國產操作系統[5-6]。目前，國產基礎軟硬件的性能逐年提高，正在由“可用”向“好用”的階段發展。但各行業的上層應用軟件高度依賴微軟Windows操作系統和Intel X86 CPU硬件體系（簡稱“Wintel”體系）的固有狀態幾乎未發生改變。上層應用軟件與國產基礎軟硬件尚未形成深度適配及融合滾動發展之勢，嚴重制約了國產基礎軟硬件的生態建設及我國信息安全戰略發展[7]。

目前，已有學者開展了相關行業上層應用軟件在國產基礎軟硬件上的適配研究。胡志強[7]從網絡設施層、基礎軟硬件支撐層、應用系統層提出了基于自主可控技術的國產化替代總體技術方案，能夠為國產化替代工程實踐提供理論方法。錢褚佳[8]針對廣電行業的日常辦公軟件、業務生產軟件及自主研發軟件，在龍芯、兆芯及海光3種國產CPU上開展了適配及測試研究，獲得了相關軟件在不同類型國產CPU上的適配和測試結果，為廣電行業的應用軟件國產化適配提供了解決方案。但該研究中，僅對原有軟件在國產CPU上直接進行了常規的安裝、啟動、使用及卸載，對無法直接安裝成功的軟件，未開展源代碼的國產化改造。周雄偉等[9]針對4種工業軟件類型，包含研發設計軟件、生產控制軟件、經營管理軟件及嵌入式軟件，梳理了國產化替代發展現狀，提出了工業軟件的國產化替代措施與相關建議。該研究僅聚焦于理論分析層面，并未開展軟件國產化適配實踐應用。姚志強[10]針對檔案管理系統，在飛騰、龍芯和海光3種國產CPU上開展了檔案管理系統的安裝測試、功能測試、性能測試及安全性測試，測試結果均通過。王玉中[11]針對中國鐵建房地產集團的2個試點信息系統，構建了由國產鯤鵬CPU、麒麟操作系統、東方通中間件和達夢數據庫等構成的國產基礎軟硬件適配環境，開展了2個系統的國產化適配和測試。結果表明，經過適配調試，構建的國產化基礎軟硬件環境在功能和性能上具備替代原有X86環境的可行性。付曉丹等[12]、李越[13]及馮凱亮等[14]以中國鐵路辦公系統為國產化替代試點，開展了辦公軟件和數據庫的國產化替代技術路線與數據遷移方案研究，為鐵路信息系統國產化替代提供了技術支撐。李廷偉等[15]結合軟件系統的開發語言、系統架構、廠商配合程度等因素，考慮適配難度、適配成本及適配周期的差異，提出了國產化適配策略，但缺少基于相關軟件的實踐改造應用案例。

綜上，目前關于上層應用軟件在底層國產基礎軟硬件上的適配相關研究存在以下不足：一是諸多研究聚焦于理論分析與方法研究層面，缺少針對上層應用軟件在不同類型國產基礎軟硬件中的源代碼適應性改造實踐；二是目前的研究均只針對單一或少數類型國產CPU硬件開展了相關軟件的適配探索，尚未全面覆蓋6類國產CPU硬件，無法明確行業軟件在不同國產CPU硬件上的技術性能差異；三是未形成上層應用軟件在國產基礎軟硬件上的適配、測試及評估的系統性方法，缺乏基于數據要素的評估分析支撐，相關研究方法和結論的指導性不足。鑒于此，本文針對船海行業應用軟件技術自主可控與數據安全的國產化適配需求，開展了船海典型應用軟件在國產CPU硬件上的適配及評估研究，提出了上層應用軟件在底層國產CPU硬件上的適配、測試及評估方法，構建了搭載國產操作系統的鯤鵬、飛騰、海光、兆芯、申威及龍芯6類國產CPU硬件樣機，以55個船海典型自研應用軟件為對象，在6類國產CPU硬件樣機上開展了軟件的代碼改造、編譯及適配，確立了典型應用軟件的功能及性能評估指標，開展了相關指標在6類國產CPU硬件樣機及原有Intel X86 CPU硬件上的測試，基于大量的測試數據，完成了相關指標在6類國產CPU硬件樣機上的橫向對比分析，以及6類國產CPU硬件樣機與Intel X86 CPU硬件的縱向對比分析。研究成果能夠為船海及其他行業的上層應用軟件在底層國產CPU硬件上的適配提供理論方法與技術實踐參考。

1nbsp; 國產化適配及評估研究方法

本文針對55個船海典型自研應用軟件在國產CPU硬件上開展適配、測試及評估研究。55個應用軟件按學科方向分類，可分為3類，即水動力學、結構安全及綜合隱身。按照軟件的功能分類，也可分為3類，即預報、評價及優化。每個應用軟件均由2部分構成，即核心求解器與人機交互界面程序。其中，核心求解器是基于船海水動力學、結構安全或綜合隱身學科相關的規范/經驗公式/專家知識等方法開發的程序，人機交互界面是為用戶提供界面化操作的程序，通過人機交互界面調用核心求解器，輸入相關計算參數，即可實現應用軟件的預報、評估或優化等計算功能。從開發語言的角度分析，人機交互界面程序統一采用C++編程語言開發，核心求解器的開發語言分為5類，包含C++、Fortran、Python、VB及C#，具體信息見表1。

針對本文擬適配的船海典型應用軟件，提出了其在國產CPU硬件上的適配及評估研究方法，如圖1所示，具體方法及流程如下。

首先，開展擬定適配的船海典型應用軟件的現行“Wintel”底層軟硬件運行環境技術解析，包括CPU參數、操作系統類型、第三方函數庫類型、開發語言及開發工具類型等。在明確現有底層軟硬件運行環境后，結合國產CPU及國產操作系統等，開展國產化底層軟硬件的技術選型，構建船海典型應用軟件的國產化基礎軟硬件適配測試環境。

其次，針對本文擬定適配的船海典型應用軟件，開展代碼改造、編譯、測試及評估。需要說明的是，在本文適配的應用軟件中，由于軟件的核心求解器采用不同語言開發。其中，國產CPU能夠支持采用C++、Fortran、Python語言開發的核心求解器的源代碼編譯，但無法直接支持C#及VB兩類語言的編譯。因此，針對國產CPU能夠支持編譯的語言，先對核心求解器源代碼開發工具及相關依賴函數庫進行安裝與適配，然后對源代碼進行編譯，依據報錯信息開展相應的代碼改造，對改造完成后的代碼重新編譯，循環上述步驟直至編譯和結果驗證通過。針對國產CPU無法直接支持編譯的語言，需要分析源代碼特性并重寫為國產CPU能夠編譯的語言，然后依據上述步驟進行適配。完成核心求解器的適配后，對人機交互界面源代碼進行適配，方法與核心求解器適配相似，包含編譯、改造、重編譯及驗證等步驟。完成核心求解器與人機交互界面的適配及驗證，即代表應用軟件在國產CPU上適配成功。

最后，開展適配成功的應用軟件在不同類型國產CPU硬件上的評估分析，確立應用軟件的功能和性能相關評估指標，并開展指標測試。基于測試數據，對比分析指標在不同類型國產CPU硬件上的功能及性能差異，形成評估結論，為船海領域應用軟件的國產化適配落地提供依據。

2" 國產化軟硬件適配環境構建

在構建國產CPU硬件樣機前，對本文擬定適配的船海典型應用軟件的現行基礎軟硬件環境進行解析，明確CPU硬件配置、操作系統類型、第三方函數庫類型、開發語言及開發工具等，給出相應的國產化可行性替代方案，具體見表2。

目前，國產CPU廠商包含6家：飛騰、鯤鵬、海光、兆芯、龍芯及申威[16]。按照架構可分為3類：第一類是以龍芯為代表的MIPS指令集架構和以申威為代表的Alpha架構，自主研發處理器內核，并在此基礎上，對相關架構指令集進行了拓展。申威已基本實現完全自主可控，龍芯部分關鍵技術需付專利費，創新可信能力最強，但使用群體小，應用生態缺乏；第二類是以飛騰和鯤鵬為代表的基于 ARM 指令集授權的ARM架構。鯤鵬和飛騰獲得了ARM公司64位ARMv8指令集的架構授權，有權設計、生產、銷售ARMv8兼容處理器產品。由于獲得架構層級授權，有可能形成自主指令集，且應用生態不斷成熟；第三類是以海光和兆芯為代表的X86架構，指令集仍掌握在海外廠商手中，未來擴充指令集形成自主可控指令集難度較大。各類國產CPU的信息對比分析見表3[17]。

本文整合國產CPU、操作系統等，組建國產軟硬件適配環境。構建鯤鵬、飛騰、海光、兆芯、龍芯及申威6類國產CPU硬件樣機，部署國產銀河麒麟v10操作系統。具體國產軟硬件適配環境參數配置及組建方案信息分別如表4和圖2所示。

3" 國產化適配及評估分析

以船海典型應用軟件為適配對象，在構建的6類國產CPU硬件樣機上開展軟件的代碼改造、編譯、測試。依據本文提出的適配方法，闡述應用軟件的改造實踐案例，針對適配完成的應用軟件，確立功能與性能評估指標，并開展相關測試。基于測試數據，開展相關指標在6類國產CPU硬件樣機上的評估分析。

3.1" 適配與改造案例分析

本文適配的應用軟件數量較多，由于篇幅限制無法對全部軟件的改造案例進行分析。因此，以其中的船體振動噪聲快速預報軟件為例，闡述該軟件在鯤鵬CPU硬件樣機上的具體改造及適配方法。軟件的代碼改造及適配分為2個方面：一是核心求解器的代碼改造及適配；二是人機交互界面的代碼改造及適配。具體改造方法如下。

3.1.1" 應用軟件的核心求解器改造及適配

１）將原有“Wintel”系統上開發的應用軟件遷移部署在國產CPU硬件樣機上，對軟件的核心求解器源碼進行改造。安裝好國產化版的GNU編譯套件工具后，執行編譯命令：gfortran -o main maceplate3ok.for（maceplate3ok.for為該核心求解器的Fortran源代碼名稱），生成可執行程序并運行，產生報錯信息如圖3（a）所示。依據報錯信息對源代碼進行修改。

２）檢查源代碼，發現源代碼中存在諸多行前的縮進有誤，如圖3（b）所示。這是由于源代碼在Windows上開發，其與國產操作系統存在語法縮進規則不同的差異。因此，采用dos2unix工具，執行命令：dos2unix maceplate3ok.for將源Fortran代碼格式轉換為適用國產操作系統的格式，再次檢查源代碼，縮進錯誤消失，表明格式轉換成功。

３）進一步分析報錯信息，顯示無法打開“laminated STIFFENED PLANTE， 2007/5/22”，查詢該串字符，發現其為第294行代碼中打開文件“LXJ_VandS2_ok_gon

gkuang2_4.txt”的第一行內容。分析第294行代碼，其作用是打開輸入文件STR1，并賦于文件單元號為5。通過查詢資料，在Fortran語言中，1、2、5、6具有特殊含義，盡量避免使用這些特殊字符。因此，鎖定錯誤點出現在文件標單元號的定義上，將源代碼第294行輸入文件的標示符改為非特殊字符9，同時將所有READ函數中的文件單元號由5改為9（共計修改25處）。此外，考慮后續可執行程序被調用時，避免終端交互帶來影響，將終端交互功能去掉，計算結果直接保存在txt文件中，修改示例如圖3（c）所示。

４）對修改后的源代碼重新編譯，生成可執行程序并運行，如圖3（d）所示，將國產化適配后的計算結果與原有結果進行對比，數據保持一致，滿足正確性要求，表明核心求解器改造成功。

3.1.2" 應用軟件的人機交互界面改造及適配

1）完成核心求解器的改造及適配后，對軟件的人機交互界面程序進行改造。人機交互界面在原有“Wintel”體系上的開發工具是Visual Studio 2015，但由于國產操作系統不支持該工具。經調研分析，采用Qt Creator作為國產替代開發工具。在國產CPU樣機上安裝Qt Creator后，打開人機交互界面程序的工程文件（包含配置信息和編譯器等），提示“找不到有效的設置文件”。這是由于在不同計算機或在不同開發環境下打開工程文件時，Qt Creator會根據當前計算機的配置選擇合適的編譯器，若與工程文件中指定的編譯器不匹配，則需要手動選擇。根據Qt Creator提示，選擇桌面默認的編譯器，編譯模式選擇Release模式，可正常構建項目并進行編譯，如圖4（a）所示。

2）完成工程文件配置后，對封裝程序進行編譯，出現報錯信息qDebug： No such file or directory，表示無法找到qDebug文件。經對源代碼進行分析，源代碼中的#includelt;qDebuggt;顯示異常，結合報錯信息提示，鎖定錯誤行代碼。進一步分析該錯誤的原因，在原Windows中開發的程序對代碼的大小寫不敏感，而國產操作系統對代碼的大小寫有嚴格的控制要求。因此，將#includelt;qDebuggt;更改為#includelt;QDebuggt;，重新進行編譯，該問題得以解決，如圖4（b）所示。

3）在解決上述問題后，重新編譯源碼，出現另外的報錯信息ActiveQt/QAxObject： No such file or directory，表明無法關聯QAxObject的頭文件。按照上述解決思路，對代碼大小寫進行修改后，仍然無法解決問題。對代碼進一步分析，該行代碼的功能是用于控制Office辦公軟件，并實現Word、Excel等文件的讀取操作。由于國產操作系統無法支持上述Office辦公軟件，且考慮適配的應用軟件輸入輸出文件格式均為純文本文件，無須Word、Excel等處理功能，對該行代碼進行注釋或刪除并不影響應用軟件的功能。因此，對報錯行代碼進行注釋后，重新進行編譯，該問題得以解決，如圖4（c）所示。

4）完成上述代碼改造問題后，重新編譯通過，生成可執行程序，打開該程序，人機交互界面自動彈出，各項功能正常，表明人機交互界面適配成功，如圖4（d）所示。

5）利用改造完成的人機交互界面程序執行核心求解器的調用操作，并輸入相關計算參數，能夠正常執行計算，且計算結果與原有“Wintel”體系上的結果保持一致，表明該應用軟件適配成功，如圖4（e）所示。

3.2" 功能與性能指標測試

針對適配完成的船海典型應用軟件，在6類國產CPU硬件樣機上開展軟件的功能與性能測試，測試包含5項：功能項、穩定性、可靠性、資源消耗（CPU資源消耗、內存資源消耗）和響應時間，各測試項的測試方法見表5。

3.3" 功能與性能評估分析

依據測試數據，開展船海典型應用軟件在6類國產CPU硬件樣機上的功能與性能橫向對比分析，以及6類國產CPU硬件樣機與Intel X86 CPU硬件的縱向對比分析，具體分析結果如下。

依據測試數據，從功能項、穩定性及可靠性3個指標進行對比分析：在6類國產CPU硬件樣機上適配完成的國產化版應用軟件的各項功能均正常且無明顯差異；在6類國產CPU硬件樣機上打開應用軟件，連續運行8 h，并定期執行軟件計算或其他操作，各類樣機運行穩定；在6類國產CPU硬件樣機上打開應用軟件，執行非常規、非法數據輸入等操作，均能接收和處理，軟件未出現異常崩潰或閃退現象。綜上分析，國產化版應用軟件在6類國產CPU硬件樣機上的功能項、穩定性及可靠性無明顯差異。

依據測試數據，從運行響應時間和資源消耗的角度分析，在6類國產CPU硬件樣機的橫向對比分析中，針對應用軟件的響應時間，鯤鵬CPU硬件樣機最短（0.437 s），其次是飛騰、海光及龍芯，三者的響應時間存在微小差異，是鯤鵬的2倍左右，申威和兆芯的響應時間較長，是鯤鵬的3倍左右。針對應用軟件的內存資源消耗，6類國產CPU硬件樣機均未超過0.2%且無明顯差異。針對應用軟件的CPU資源消耗，海光和鯤鵬上的消耗率相對較低，其次是兆芯、飛騰和龍芯，申威的消耗率較高。在6類國產CPU硬件樣機與Intel X86 CPU硬件的縱向對比分析中，Intel X86 CPU硬件的總體性能優于6類國產CPU硬件樣機，如圖5所示。

4" 結論

本文提出了船海典型應用軟件的國產化適配方法，構建了鯤鵬、飛騰、海光、兆芯、龍芯及申威6類國產CPU硬件樣機，開展了55個船海典型應用軟件在6類國產CPU硬件樣機上的適配、測試及評估，得出如下結論：

1）在本文構建的國產CPU樣機適配測試環境中，適配成功的應用軟件在6類國產CPU硬件樣機上的功能正常，穩定性及可靠性較好，無明顯差異。在運行響應時間方面，鯤鵬CPU硬件樣機最短（0.437 s），其次是飛騰、海光及龍芯，三者的響應時間存在微小差異，是鯤鵬的2倍左右，申威和兆芯的響應時間較長，是鯤鵬的3倍左右。在內存資源消耗方面，6類國產CPU硬件樣機均未超過0.2%且無明顯差異。在CPU資源消耗方面，海光和鯤鵬的消耗率相對較低，其次是兆芯、飛騰和龍芯，申威的消耗率較高。

2）國產CPU硬件的總體技術性能相比于Intel X86 CPU硬件較低，會在一定程度上制約軟件或系統的運行性能。但國產CPU的技術性能正在通過技術進步、政策支持及市場需求不斷提升和優化。建議采用“試點先行、先易后難、逐步替代”的方式，實現上層應用軟件與底層基礎軟硬件的融合滾動適配發展。

3）目前，國產基礎軟硬件的生態建設仍不完善。上層應用軟件在國產基礎軟硬件上的適配存在諸多技術挑戰，包括但不限于非跨平臺語言的改造及適配、國外閉源函數庫的自研替代、基于商軟二進制軟件的自研替代等。這些技術挑戰需要下游的應用軟件研發人員聯合上游的CPU廠商及操作系統廠商等協同攻克解決。

4）本文研究能夠為船海及其他行業的應用軟件在國產CPU硬件上的適配提供理論方法與技術實踐參考。但還存在以下局限性。一是本文的結論與適配測試軟硬件選型、參數配置及適配軟件強相關；二是本文適配的船海典型應用軟件相對簡單，在大型復雜應用軟件的國產化適配中，涉及的環節眾多，包含分布式存儲系統、關系型數據庫、中間件、支撐組件、第三方函數庫、開發語言及開發工具等，各個環節都需要相應的國產化替代解決方案，才能保證適配成功。

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