基于自主可控计算平台的指挥控制系统架构

文/方雪

1 引言

现代战争条件下，随着武器指挥控制系统信息化程度日益提高，战场形势瞬息万变，在指挥控制系统中需要充分利用计算机、通信和网络等技术把指挥控制、情报侦察、武器装备有机统一结合起来。计算机作为整个指挥控制系统的核心部件，起着举足轻重的作用。我国的自主可控计算机产业发展与发达国家相比还有较大差距，使用的芯片依赖国外进口，安全性方面存在漏洞，同时面临复杂的国际形势，经常遇到对芯片的进口限制，所以研究和开发自主可控的国产计算机对于我国国产计算机技术独立自主的发展，摆脱技术上和市场上受制于人的困境具有重要意义。

2 国产CPU发展现状

目前国内发展较好的CPU有龙芯、飞腾和申威三种。

申威处理器研制得到了国家“核高基”专项资金支持，采用自主指令集，申威处理器2006年推出第一代产品SW-1，Alpha架构，单核；2008年成功研制第二代产品SW-2，CPU主频1.4G，双核；2010年推出第三代产品SW-3，主频1.6G，16核，集成DDR3。

飞腾处理器是国防科技大学为“天河”系列超极计算机而量身定制的银河飞腾系列通用CPU，得到了国家“核高基”项目的专项资金支持，并以Sparc开源代码为基础设计了FT-1000、FT-1500两款CPU，之后又以ARM为架构开发了FT-1500A、FT-2000、FT-2000PLUS等CPU产品。FT-1500A/4被用于PC和笔记本，采用28nm制造工艺，4核，主频1.5G～2.0G，FT-1500A/16被用于服务器，16核。

图1：自主可控平台组成结构图

中国科学院计算技术研究所从2001年开始研制国产通用的CPU—龙芯处理器，并且在2002年推出了第一款通用高性能CPU—龙芯1号。龙芯1号虽然只是主频266MHz的32位处理器，但经过若干年发展，现在已经发展到了第三代产品，最新型号为龙芯3A。龙芯3A是我国第一个具有完全自主知识产权的四核CPU，采用RISC架构，兼容MIPS指令集，集成四个64位的四发射超标量GS464高性能处理器核。每个处理器核包含64KB数据缓存和64KB的指令缓存，支持全流水的浮点加减、乘法、乘加等运算，片内还集成了四核共享的4MB二级Cache，集成了2个64位400MHz的DDR2/3控制器，支持动态功耗管理，1个LPC、两个UART、1个SPI、16路GPIO接口。

3 自主可控计算机平台

指挥控制系统主要硬件平台包括计算机终端、网络交换以及服务器。根据实际使用需求，自主可控计算机平台终端选用以龙芯处理器为核心的计算机，以中标麒麟为核心操作系统，网络交换以龙芯2H处理器为核心平台；服务器以飞腾处理器为核心，操作系统选用银河麒麟操作系统，安全性得到较好的保障，可用性得到较大的提升，使自主可控计算机的核心部件的国产化率可达95%以上。

3.1 硬件平台

指挥控制系统要完成上下级、友邻部队指挥控制系统各单元的互通互联，能够快速实时判断指令的合理性，要根据作战态势处理矢量地图的测量分析、情报处理、战场监控。因此对其硬件平台计算机的配置要有较高的要求。自主可控计算机选用龙芯3A3000四核处理器，采用MIPS架构，集成4个同构的64位四发射超标量GS464e高性能处理器核，集成8MB的分体共享三级Cache，工作主频1.2GHz～1.5GHz。龙芯3A3000还在片内集成了2个64位带ECC，800MHz的DDR2/3内存控制器、两个16位2.4GHz的HT控制器、一个32位PCI控制器、以及LPC、SPI、UART、GPIO等其他IO接口，适合高性能应用领域。

图2：精密跟踪雷达威力覆盖图

以龙芯CPU为核心器件配备外围集成电路，指挥控制系统需要有图形输入输出显示，因此需要配置显示接口、PS2接口和USB接口;作战指挥控制系统需要网络通信，因此硬件平台需要有网络接口；在指挥控制系统中需要各个指令稳定、安全可靠地传输，因此硬件平台还需要配备串口以及其他总线接口。自主可控计算机除了CPU本身采用国产芯片外，外围电路也都采用国产元器件。

服务器负责整个系统的数据处理和数据交换，需要配置足够的计算资源和交换资源，服务器以飞腾1600A-16处理器为核心，配套国产固件、国产银河麒麟操作系统和国产数据库，通过千兆网络、VGA和USB等为用户提供计算处理、数据管理、存储及数据交换等功能。

飞腾FT1500A-16为16核64位通用处理器，ARM V8架构，支持ARM64指令集，集成16个处理器核，单核工作主频1.5GHz，L1数据缓存32KB，L2数据缓存8MB，L3数据缓存8MB，理论峰值浮点计算能力96Gflops，处理器采用低功耗设计，功耗35W。

指挥控制系统自主可控平台架构如图1所示，其计算机平台主要包括服务器、计算机终端、网络交换机以及通信设备，硬件设备全部以国产器件为核心。

3.2 软件支撑平台

自主可控计算机的软件层面包括底层固件、操作系统、测试维护程序，均为国产自主可控软件。

3.2.1 底层固件

底层固件选用中电科技的昆仑固件。昆仑固件支持国产计算平台，实现硬件检测、初始化及操作系统引导，具备先进的固件架构，国产平台深度定制，安全可控，具有自主知识产权，支持国家、军用可信计算规范，可为国产计算平台提供安全、可信的运行环境。

3.2.2 操作系统

计算机终端以中标麒麟操作系统为核心，国产中标麒麟操作系统是在国家“863”计划重大专项、“核高基”科技重大专项和国家发改委产业化专项扶持下，以兼容Linux的技术思路开发的高安全、高可用、高性能和高可定制的国产操作系统。中标麒麟操作系统已经在国内上百家主流计算机、数据库、中间件、网络安全、应用软件和系统产品完成适配验证工作。目前已成功应用于国防、政务、能源、交通、航天、电信、金融、邮政、教育等众多行业和领域，尤其是国防领域。中标麒麟操作系统在机关办公、型号装备、任务调度系统和指挥控制系统中有大量应用，获得用户充分的信任与认可。

根据指挥控制系统的应用方式，选择军用中标麒麟桌面操作系统作为系统软件，该系统通过图形界面，可以实现对系统的所有操作，包括：用户管理、文件管理、设备管理、系统设置、shell和实用工具应用软件等。

中标麒麟桌面操作系统已在龙芯等国产CPU平台上进行了适配，在多种CPU下成功适配支持数十种整机设备，上千种包括打印机、扫描仪、投影仪、摄像头等各类外部设备和特种设备。该系统还成功地实现了对各类国产软件，如国产数据库、中间件以及办公软件的全面适配和支持。

中标麒麟操作系统配备了完善的开发工具，提供了良好的开发环境，包括编译器、图形化的IDE工具Eclipse和Qt Creator等，全面支持绝大多数主流编程语言，并提供了大量的开发库，提供对控件定制增强的支持和指导服务，能够较好地支撑项目的开发工作。

服务器以国产银河麒麟操作系统为核心，近年来凭借过硬的技术积累，可提供“麒麟天链存储多路径管理系统”、“麒麟天衡高可用集群管理系统”、“麒麟高可用网络冗余系统”和“麒麟备份还原系统”。目前已成功应用于国防、政务、能源、交通、航天、电信、金融、邮政、教育等众多行业和领域。尤其是国防领域，麒麟操作系统在机关办公、型号装备、任务调度系统和指挥控制系统中有大量应用，获得用户充分的信任与认可。

银河麒麟操作系统通过图形界面，用户可以实现对系统的所有操作。包括：用户管理、文件管理、设备管理、系统设置、shell和实用工具应用软件等。

3.2.3 测试维护程序

测试维护程序能够提供可视化的用户交互平台，可对自主可控计算机的主要设备部件进行诊断检查，提供测试维护程序，通过调用相关接口函数给出测试结论。能够检测并显示自主可控计算机硬件平台的操作系统和硬件信息，同时通过程序自身或调用其他外部软件实现硬件核心、网络、硬功能键的测试功能，并实现部分操作系统的控制、管理功能。

3.3 应用软件

为验证硬件平台是否满足目前应用软件的运行需求，分别在计算机终端和服务器上运行了常用的应用软件进行了测试。

在基于龙芯3A3000处理器的计算机终端上运行地理信息系统进行测试，测试的项目包括二维和三维应用场景，实现导航数据的图文显示/处理存储、地图匹配导航、接受指控计算机终端指令并返回导航信息等功能。测试运行的地理信息软件具有丰富的绘图功能，能够对多种类型和用途的地图进行快速显示与操纵，能够显示态势图、地形、多分辨率影响等特性；提供各项地理信息分析功能，点位、距离等常用量算功能，图2为软件运行示例，通过测试，基于龙芯3A3000处理器的计算机终端可以满足软件运行需求。

在基于FT1500A-16处理器的服务器上运行了集群管理服务进行测试，集群管理软件主要包括集群部署服务、集群应用网关、软件镜像仓库和运行监控等。通过测试，基于FT1500A-16处理器的服务器可以满足常用服务器软件的运行需求。

4 技术特点

指挥控制系统在考虑安全性、实时性以及自主可控性情况下，不受国外进口产品技术的制约，搭载国产硬件平台，在性能上与国外产品相匹配，同时集成了健康管理功能，通过传感器可以实时监控整个系统的温度、工作电压、工作电流等物理健康特征，可以为指挥控制系统提供强有力的后台保证。

5 结束语

在现代作战指挥控制系统中，信息化程度日益提高，战场情况瞬息万变，为了适应未来战争和国防建设的需要，在面对国外敌对势力对我国的技术封锁，在国家安全受到威胁时，必需建立自主可控计算机硬件平台，从硬件到软件形成国产自主化，不受外来条件制约，避免外部条件对装备发展构成的安全威胁，摆脱核心信息技术受制于人的局面。