王宇

摘要：針對(duì)高速終端設(shè)備國(guó)產(chǎn)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(guó)產(chǎn)CPU的定制板卡實(shí)現(xiàn)，在滿足功能和性能指標(biāo)的同時(shí)，價(jià)格與非國(guó)產(chǎn)方案相近。軟件基于國(guó)產(chǎn)銀河麒麟操作系統(tǒng)研制，采用Qt開(kāi)發(fā)，具有與非國(guó)產(chǎn)方案相同的人機(jī)界面。通過(guò)對(duì)比各種軟硬件模塊的功能和性能，選擇最優(yōu)解決方案滿足高速終端的國(guó)產(chǎn)化要求和工程項(xiàng)目使用需求。

關(guān)鍵詞：高速終端；主控單元；國(guó)產(chǎn)化

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2020）19-57-3

0引言

傳統(tǒng)的高速數(shù)傳終端通常采用X86[1]主板+Windows[2]操作系統(tǒng)的組合作為主控解決方案，硬件核心元器件主要由美國(guó)的Intel和AMD生產(chǎn)，而作為軟件基礎(chǔ)的操作系統(tǒng)則是美國(guó)微軟公司的產(chǎn)品。

2013年，愛(ài)德華·斯諾登揭露了美國(guó)國(guó)家安全局的“棱鏡”監(jiān)聽(tīng)項(xiàng)目。美國(guó)國(guó)家安全局借助該項(xiàng)目可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電子郵件、即時(shí)消息、視頻、照片、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音聊天、文件傳輸、視頻會(huì)議、登錄時(shí)間及社交網(wǎng)絡(luò)資源細(xì)節(jié)等信息。微軟、谷歌、Facebook、YouTube及蘋果等公司的數(shù)據(jù)都在美國(guó)政府監(jiān)控范圍內(nèi)，政府軍工部門中的各種設(shè)備繼續(xù)使用X86主板和Windows操作系統(tǒng)會(huì)存在一定的安全隱患。

2018年，美國(guó)商務(wù)部發(fā)布公告，在未來(lái)7年內(nèi)禁止中興通信向美國(guó)企業(yè)購(gòu)買敏感產(chǎn)品。一年之后，美國(guó)商務(wù)部以國(guó)家安全為由，將華為公司及其70家附屬公司列入管制實(shí)體名單，禁止美國(guó)企業(yè)向華為出售相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品。這2個(gè)事件把軟硬件國(guó)產(chǎn)化從安全要求提升為生存要求。因此，研究基于國(guó)產(chǎn)化平臺(tái)的高速終端主控解決方案變得更加緊迫。

1國(guó)產(chǎn)化高速終端主控硬件方案

高速終端的主控單元是一個(gè)單板計(jì)算機(jī)，承擔(dān)監(jiān)控、波形管理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。由于高速終端主要用于接收低軌衛(wèi)星的下行數(shù)據(jù)，而衛(wèi)星過(guò)境時(shí)間有限，為了能夠在有限的時(shí)間窗口內(nèi)傳輸盡量多的數(shù)據(jù)，高速終端要求的數(shù)據(jù)處理能力遠(yuǎn)高于一般的通信終端。除了單通道數(shù)據(jù)吞吐量大，通常還會(huì)要求支持2路數(shù)據(jù)接收。這就要求主控板卡的CPU具有較強(qiáng)的并行處理能力，即擁有更多的處理核心，各CPU指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

傳統(tǒng)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(shù)，可以同時(shí)運(yùn)行2倍于核心數(shù)量的線程，具備處理1.2 Gbit/s雙通道數(shù)據(jù)的采集、搜幀、存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)發(fā)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(guó)防科大的飛騰系列處理器。龍芯處理器采用MIPS架構(gòu)，用于高性能計(jì)算平臺(tái)的型號(hào)為龍芯3000系列，單個(gè)處理器具備4個(gè)核心。飛騰處理器采用ARMv8[4]架構(gòu)，用于高性能計(jì)算平臺(tái)的主流型號(hào)為FT1500A/16，單個(gè)處理器具備16個(gè)核心。

從并行計(jì)算能力要求考慮，如果采用龍芯3000，需使用雙CPU主板設(shè)計(jì)。因此，F(xiàn)T1500A/16方案具有體積和功耗方面的巨大優(yōu)勢(shì)，高速終端主控解決方案優(yōu)先選擇FT1500A/16處理器。

2國(guó)產(chǎn)化高速終端主控軟件方案

在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，PC桌面操作系統(tǒng)市場(chǎng)的主要份額依舊會(huì)被微軟公司的Windows占據(jù)。目前能與微軟的Windows操作系統(tǒng)一較高下的只有Linux操作系統(tǒng)。Linux是一款免費(fèi)的操作系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或其他免費(fèi)途徑獲得，并可以進(jìn)行裁剪和修改。在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，從最簡(jiǎn)單的嵌入式CPU，到高性能的服務(wù)器，都活躍著各個(gè)公司的各種版本的Linux操作系統(tǒng)。

針對(duì)FT1500A/16處理器的主板方案，國(guó)防科技大學(xué)也基于Linux內(nèi)核推出了與之適配的國(guó)產(chǎn)化操作系統(tǒng)———銀河麒麟。該系統(tǒng)具有高安全、高可靠、高可用、跨平臺(tái)以及中文化（具有強(qiáng)大的中文處理能力）等特點(diǎn)，能夠與飛騰處理器組成完整的組合方案。得益于開(kāi)源模式，基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)具有豐富的驅(qū)動(dòng)資源。無(wú)論是在嵌入式操作系統(tǒng)，還是桌面操作系統(tǒng)，Linux環(huán)境都是各硬件廠商首要支持的環(huán)境。以至于在發(fā)展移動(dòng)平臺(tái)操作系統(tǒng)的時(shí)候，Android、MeeGo等系統(tǒng)直接把Linux系統(tǒng)作為自己的底層使用。因此，在基于Linux內(nèi)核的銀河麒麟系統(tǒng)上，驅(qū)動(dòng)移植問(wèn)題相對(duì)易于解決。

基于X86+Windows環(huán)境的高速數(shù)傳主控軟件，多采用微軟的Visual Studio開(kāi)發(fā)，導(dǎo)致其只能在Windows環(huán)境下運(yùn)行。因此，一個(gè)完整的解決方案，還需要應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

高速終端主控軟件本身是一個(gè)C/S模式的應(yīng)用軟件，涉及一組監(jiān)控界面和監(jiān)控接口。在銀河麒麟系統(tǒng)中進(jìn)行此類軟件開(kāi)發(fā)的工具是Qt[5]。Qt最早是由Qt Company開(kāi)發(fā)的跨平臺(tái)C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)框架，可在不同操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)GUI程序，其中包括Linux[6]操作系統(tǒng)。從2009年起，諾基亞為Qt添加了開(kāi)源LGPL授權(quán)選擇，Qt源碼庫(kù)面向公眾開(kāi)放。因此，銀河麒麟采用Qt作為高速終端主控軟件的開(kāi)發(fā)工具是相對(duì)安全的選擇。

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

某研制項(xiàng)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(guó)產(chǎn)化問(wèn)題。硬件方面，國(guó)產(chǎn)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(chǎn)的CPCI工控機(jī)主板，使用的Xeon D1500處理器包含8個(gè)核心，通過(guò)超線程技術(shù)可同時(shí)運(yùn)行16個(gè)線程，其中的DS型號(hào)支持2個(gè)萬(wàn)兆網(wǎng)光纖接入。為了能夠達(dá)到與之相同的并行處理能力，訂制的主板選用FT1500A/16作為國(guó)產(chǎn)化板卡的主處理器。外圍接口和結(jié)構(gòu)尺寸參照CPCI6940進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以對(duì)CPCI6940進(jìn)行原位替換。

CPCI 6940與FT1500A/16的主板對(duì)比如圖1所示。板卡是雙層結(jié)構(gòu)，萬(wàn)兆網(wǎng)光模塊板卡通過(guò)XMC子板接口托與主板上。除了萬(wàn)兆網(wǎng)接口，板卡還支持2個(gè)千兆網(wǎng)接口、2個(gè)USB接口和一個(gè)VGA顯示器接口，板卡的CPCI接口包含PCI接口。為了支持高速數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)，板卡使用SSD硬板存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

操作系統(tǒng)方面，則使用銀河麒麟操作系統(tǒng)替代Windows7操作系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)使用Qt開(kāi)發(fā)的高速終端的主控程序?；阢y河麒麟操作系統(tǒng)與基于Windows7操作系統(tǒng)的主控程序界面對(duì)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(shè)計(jì)。

高速終端的主控程序軟件支持板卡配置，可根據(jù)當(dāng)前調(diào)制解調(diào)板的數(shù)量生成主控界面。Windows7版本的主控軟件被配置為一塊調(diào)制板和一塊解調(diào)板的場(chǎng)景。銀河麒麟版本的主控軟件被配置為一塊調(diào)制板和2塊解調(diào)板的場(chǎng)景。通過(guò)這種方法，軟件可適配更多的終端應(yīng)用場(chǎng)景，并根據(jù)需要解鎖各種功能。雖然用戶可能不太適應(yīng)銀河麒麟系統(tǒng)，但是一旦主控軟件啟動(dòng)，用戶就可以回到自己熟悉的操作環(huán)境，并對(duì)高速終端進(jìn)行各種操作。

在測(cè)試中，X86+Win7+MFC方案與飛騰+麒麟+Qt方案的主要性能指標(biāo)對(duì)比，如表2所示。

通過(guò)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(shí)現(xiàn)難度的考慮，本方案的硬件板卡只是將 CPU芯片替換為國(guó)產(chǎn)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(guó)產(chǎn)化替代方案。若不考慮成本限制，板卡的國(guó)產(chǎn)化率可達(dá)到95%。其中暫時(shí)不能國(guó)產(chǎn)化的部分為萬(wàn)兆網(wǎng)光模塊，如果項(xiàng)目不要求使用萬(wàn)兆網(wǎng)接口且預(yù)算充足，使用此方案即可實(shí)現(xiàn)100%國(guó)產(chǎn)化。

4結(jié)束語(yǔ)

本文基于現(xiàn)有技術(shù)條件，提出了一種高速終端主控單元的國(guó)產(chǎn)化解決方案，并給出了工程實(shí)踐結(jié)果。這種解決方案的提出，對(duì)于保護(hù)數(shù)據(jù)安全和打破軟硬件技術(shù)封鎖具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，為高速終端國(guó)產(chǎn)化改造提供了一條行之有效的道路。

參考文獻(xiàn)

[1]董耀祖，周正偉.基于X86架構(gòu)的系統(tǒng)虛擬機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程，2006，32（13）：71-73.

[2]卿斯?jié)h，曾山松，杜超.Windows安全基線研究[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全，2015（3）：6-13.

[3]芮雪，王亮亮，楊琴.國(guó)產(chǎn)處理器研究與發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)（專業(yè)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(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2006，16（11）：179-181.

[6]史黎黎，牛賓.基于Linux系統(tǒng)的即時(shí)通信軟件開(kāi)發(fā)[J].無(wú)線電工程，2015，45（8）：94-98.