基于国产CPU和国产操作系统的地面控制系统开发

    贾圣羽

    摘 要 为了提高某系统的安全性，保证核心软硬件自主可控，在不降低性能的条件下，对系统中使用到的核心芯片和操作系统进行国产化替代方案研究，通过调研国内的芯片和操作系统供应商，选择满足功能、性能等要求的芯片和操作系统，集成可行的软件开发环境，基于QT开发系留气球地面控制系统软件，并在实际项目中应用，实践证明国产芯片和国产操作系统的组合可以运行稳定，在性能满足要求的情况下，可以替代国外产品，为其他准备采用国产化芯片和操作系统的项目提供参考。

    关键词 国产芯片 国产操作系统 QT 地面控制系统

    一、引言

    国内相关单位曾通过对某些国外CPU的严格测试，证实存在功能不明确的“多余”模块，还发现存在未公开指令，包括加解密、浮点操作在内共计二十余条。其中，有三条指令在用户模式就可以使机器死机或重启，作用机制直接穿透各种软件保护措施，防护软件不能感知，普通应用程序中嵌入一条即可使系统宕机。这些存在问题的芯片要是被用在航空、航天、党政办公等核心关键领域，将可能造成严重后果，因此，必须将芯片国产化替代提升到国家安全层次，在关乎国家安全的战略行业，必须使用中国芯[1]。

    目前国内的计算机核心芯片都是Intel或者AMD的，操作系统都是windows操作系统，应用软件由各家公司自主开发。基于目前国际信息安全局势和国家对核心软硬件自主化的要求，需要搭建一套核心硬件自主研发、操作系统自主研发的开发环境，在此基础上自主开发软件。

    二、需求分析

    1.计算机的核心硬件自主可控，性能不能低于现在使用的计算机，至少具备2路以太网口，2路RS232串口。

    2.操作系统自主可控，与计算机硬件兼容性好，提供成熟可靠的软件开发环境。

    3.基于以上软硬件环境自主开发地面控制软件。

    三、系统方案

    （一）环境搭建

    1.国产化芯片

    本项目不讨论CPU的制造问题，主要从设计上满足自主可控，避免留有后门。从CPU设计方面来看，国产的CPU有以下几个类型：

    （1）完全自主设计的芯片。代表产品如龙芯，属于MIPS兼容架构，从下到上都是自主设计，指令集虽然是模仿的，但算是自主的，现代CPU架构下指令集的差异性已经不大了。主要应用于低功耗服务器、个人计算机、工业控制、网络安全方面；

    （2）开源方案，其中的代表就是SPARC架构的CPU。这一类CPU基本不会用在民用领域，大多用在航空领域[2]；

    （3）购买方案，基于国外的架构开发的芯片。代表产品有申威处理器，在太湖之光超级计算上有应用，前三代源于DEC Alpha架构，第四代开始架构不详，架构设计类似与Power cell架构；

    （4）授权方案，经过一定的延伸性设计，然后生产的芯片。代表类型是华为海思、飞腾和兆芯，华为海思是拿到ARM的授权，然后重新设计的；国防科大的飞腾芯片，产品架构从sparcv8架构转到ARM架构都有；兆芯的芯片是基于X86架构开发的。

    基于以上情况分析，经过厂家调研、资料查询和供应商咨询，综合可靠性和性能需求，决定选用应用更广泛的龙芯3A3000系列CPU（四核，主频1.2GHz），还有更高端的 3A4000系列（2.0GHz），3A5000系列（2.5GHz）正在测试。

    2.国产操作系统

    通过与供应商咨询，与龙芯3A3000系列芯片兼容性比较好的国产操作系统是中标麒麟操作系统。中标麒麟桌面操作系统是一款面向桌面应用的图形化桌面操作系统，是国家重大专项的核心组成部分，是民用、军用“核高基”项目桌面操作系统项目的重要研究成果，该系统成功通过了多个国家权威部门的测评，为实现操作系统领域“自主可控” 的战略目标做出了重大贡献，在国产操作系统领域市场占有率稳居第一[3]。

    中标麒麟操作系统采用強化的Linux内核，界面基本就是参考windows，有XP和win7两种主题可以切换，方便用户操作。本项目使用的系统版本内置的IDE（集成开发环境）只有QT5.6版本，若想安装其他版本的QT或者其他厂家的IDE，甚至是系统没有自带的其他应用软件，需要和中标麒麟厂家沟通咨询，通常需要复杂的适配过程，适配费用很高（以万为单位计，批量的话可以考虑）。其他自带的软件有华标版的office套件（word，Excel和PPT），中文输入法等常用应用。

    （二）软件开发

    因项目进度要求，硬件采购和软件开发需同时进行。项目组在虚拟机上进行软件开发，根据以往项目的经验决定在4.8.7版本的QT下开发，开发过程与在windows和iOS下是一样的，根据项目需求进行设计、编码、测试和应用部署。

    硬件到货之后发现操作系统自带的是QT5.6版本，经过部分设置更改，重新编译，程序顺利运行。目前部署完成的系留气球地面控制系统软件已连续运行半年多，系统稳定无故障。同时，有另外一个项目组使用QT5.9.1开发程序，开发完成后尝试移植到新的计算机上，截至目前没有移植成功。

    四、结论

    1.龙芯3A3000系列CPU性能和Intel、AMD还是有差距的，不过和中标麒麟桌面版操作系统的组合稳定，兼容性好，基本满足使用要求。

    2.编译运算量大的程序时，速度慢，CPU使用率接近100%。

    3.操作系统支持的软件少，可扩展性弱，使用过程中，不要随意删除系统自带的功能，更改系统设置，否则系统可能无法正常使用。

    4.最好使用系统自带的开发环境，如QT5.6，或者更低版本的IDE进行软件开发，5.9版本开发的程序很难移植到中标麒麟系统下（实际操作未成功），在QT4.8版本下开发的程序移植成功。

    参考文献：

    [1]必须将芯片国产化替代提升到国家安全层次.铁流.环球时报[引用日期2018- 06- 14].

    [2]李富刚.龙芯+Linux 国产CPU和操作系统现状分析.中关村在线，2017- 05- 13.