王宇

摘要：针对高速终端设备国产化要求，提出了一种高速终端主控单元解决方案。硬件采用基于国产CPU的定制板卡实现，在满足功能和性能指标的同时，价格与非国产方案相近。软件基于国产银河麒麟操作系统研制，采用Qt开发，具有与非国产方案相同的人机界面。通过对比各种软硬件模块的功能和性能，选择最优解决方案满足高速终端的国产化要求和工程项目使用需求。

关键词：高速终端；主控单元；国产化

中图分类号：TP393文献标志码：A文章编号：1008-1739（2020）19-57-3

0引言

传统的高速数传终端通常采用X86[1]主板+Windows[2]操作系统的组合作为主控解决方案，硬件核心元器件主要由美国的Intel和AMD生产，而作为软件基础的操作系统则是美国微软公司的产品。

2013年，爱德华·斯诺登揭露了美国国家安全局的“棱镜”监听项目。美国国家安全局借助该项目可以实时监控电子邮件、即时消息、视频、照片、存储数据、语音聊天、文件传输、视频会议、登录时间及社交网络资源细节等信息。微软、谷歌、Facebook、YouTube及苹果等公司的数据都在美国政府监控范围内，政府军工部门中的各种设备继续使用X86主板和Windows操作系统会存在一定的安全隐患。

2018年，美国商务部发布公告，在未来7年内禁止中兴通信向美国企业购买敏感产品。一年之后，美国商务部以国家安全为由，将华为公司及其70家附属公司列入管制实体名单，禁止美国企业向华为出售相关技术和产品。这2个事件把软硬件国产化从安全要求提升为生存要求。因此，研究基于国产化平台的高速终端主控解决方案变得更加紧迫。

1国产化高速终端主控硬件方案

高速终端的主控单元是一个单板计算机，承担监控、波形管理及數据存储转发等功能。由于高速终端主要用于接收低轨卫星的下行数据，而卫星过境时间有限，为了能够在有限的时间窗口内传输尽量多的数据，高速终端要求的数据处理能力远高于一般的通信终端。除了单通道数据吞吐量大，通常还会要求支持2路数据接收。这就要求主控板卡的CPU具有较强的并行处理能力，即拥有更多的处理核心，各CPU指标对比如表1所示。

传统的X86主板方案采用i7或Xeon等多核处理器，由于这类处理器具有超线程技术，可以同时运行2倍于核心数量的线程，具备处理1.2 Gbit/s双通道数据的采集、搜帧、存储及转发的能力。

目前较为成熟的X86处理器替代方案是中科院的龙芯系列处理器[3]和国防科大的飞腾系列处理器。龙芯处理器采用MIPS架构，用于高性能计算平台的型号为龙芯3000系列，单个处理器具备4个核心。飞腾处理器采用ARMv8[4]架构，用于高性能计算平台的主流型号为FT1500A/16，单个处理器具备16个核心。

从并行计算能力要求考虑，如果采用龙芯3000，需使用双CPU主板设计。因此，FT1500A/16方案具有体积和功耗方面的巨大优势，高速终端主控解决方案优先选择FT1500A/16处理器。

2国产化高速终端主控软件方案

在相当长的一段时间内，PC桌面操作系统市场的主要份额依旧会被微软公司的Windows占据。目前能与微软的Windows操作系统一较高下的只有Linux操作系统。Linux是一款免费的操作系统，用户可以通过网络或其他免费途径获得，并可以进行裁剪和修改。在各个领域得到广泛应用，从最简单的嵌入式CPU，到高性能的服务器，都活跃着各个公司的各种版本的Linux操作系统。

针对FT1500A/16处理器的主板方案，国防科技大学也基于Linux内核推出了与之适配的国产化操作系统———银河麒麟。该系统具有高安全、高可靠、高可用、跨平台以及中文化（具有强大的中文处理能力）等特点，能够与飞腾处理器组成完整的组合方案。得益于开源模式，基于Linux内核的操作系统具有丰富的驱动资源。无论是在嵌入式操作系统，还是桌面操作系统，Linux环境都是各硬件厂商首要支持的环境。以至于在发展移动平台操作系统的时候，Android、MeeGo等系统直接把Linux系统作为自己的底层使用。因此，在基于Linux内核的银河麒麟系统上，驱动移植问题相对易于解决。

基于X86+Windows环境的高速数传主控软件，多采用微软的Visual Studio开发，导致其只能在Windows环境下运行。因此，一个完整的解决方案，还需要应用软件的开发环境。

高速终端主控软件本身是一个C/S模式的应用软件，涉及一组监控界面和监控接口。在银河麒麟系统中进行此类软件开发的工具是Qt[5]。Qt最早是由Qt Company开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架，可在不同操作系统上开发GUI程序，其中包括Linux[6]操作系统。从2009年起，诺基亚为Qt添加了开源LGPL授权选择，Qt源码库面向公众开放。因此，银河麒麟采用Qt作为高速终端主控软件的开发工具是相对安全的选择。

3实验验证

某研制项目中，使用飞腾+银河麒麟+Qt的解决方案解决了高速终端主控单元的国产化问题。硬件方面，国产化主控单元采用定制的FT1500A/16主板替代使用Xeon D1500的凌华CPCI 6940主板。

CPCI6940主板是凌华公司生产的CPCI工控机主板，使用的Xeon D1500处理器包含8个核心，通过超线程技术可同时运行16个线程，其中的DS型号支持2个万兆网光纤接入。为了能够达到与之相同的并行处理能力，订制的主板选用FT1500A/16作为国产化板卡的主处理器。外围接口和结构尺寸参照CPCI6940进行设计，可以对CPCI6940进行原位替换。

CPCI 6940与FT1500A/16的主板对比如图1所示。板卡是双层结构，万兆网光模块板卡通过XMC子板接口托与主板上。除了万兆网接口，板卡还支持2个千兆网接口、2个USB接口和一个VGA显示器接口，板卡的CPCI接口包含PCI接口。为了支持高速数据的存储和转发，板卡使用SSD硬板存储数据。

操作系统方面，则使用银河麒麟操作系統替代Windows7操作系统，并基于该系统使用Qt开发的高速终端的主控程序。基于银河麒麟操作系统与基于Windows7操作系统的主控程序界面对比如图2所示。为了方便用户使用，2种版本的主控程序采用了相同的界面布局设计。

高速终端的主控程序软件支持板卡配置，可根据当前调制解调板的数量生成主控界面。Windows7版本的主控软件被配置为一块调制板和一块解调板的场景。银河麒麟版本的主控软件被配置为一块调制板和2块解调板的场景。通过这种方法，软件可适配更多的终端应用场景，并根据需要解锁各种功能。虽然用户可能不太适应银河麒麟系统，但是一旦主控软件启动，用户就可以回到自己熟悉的操作环境，并对高速终端进行各种操作。

在测试中，X86+Win7+MFC方案与飞腾+麒麟+Qt方案的主要性能指标对比，如表2所示。

通过表2可以看出，飞腾+银河麒麟+Qt的组合可有效解决高速终端主控单元功能和性能要求。

出于成本和实现难度的考虑，本方案的硬件板卡只是将 CPU芯片替换为国产芯片。因此在包含研制成本的情况下，其硬件成本仅比X86解决方案增加了16%。该板卡的其他元器件，亦有国产化替代方案。若不考虑成本限制，板卡的国产化率可达到95%。其中暂时不能国产化的部分为万兆网光模块，如果项目不要求使用万兆网接口且预算充足，使用此方案即可实现100%国产化。

4结束语

本文基于现有技术条件，提出了一种高速终端主控单元的国产化解决方案，并给出了工程实践结果。这种解决方案的提出，对于保护数据安全和打破软硬件技术封锁具有重要的现实意义，为高速终端国产化改造提供了一条行之有效的道路。

参考文献

[1]董耀祖，周正伟.基于X86架构的系统虚拟机技术与应用[J].计算机工程，2006，32（13）：71-73.

[2]卿斯汉，曾山松，杜超.Windows安全基线研究[J].信息网络安全，2015（3）：6-13.

[3]芮雪，王亮亮，杨琴.国产处理器研究与发展现状综述[J].现代计算机（专业版），2014（8）：15-19.

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

[5]王存健，张建正.嵌入式Linux下Qt/Embedded的应用[J].计算机技术与发展，2006，16（11）：179-181.

[6]史黎黎，牛宾.基于Linux系统的即时通信软件开发[J].无线电工程，2015，45（8）：94-98.