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舰艇显控平台自主可控发展趋势_李祥震.pdf

舰艇显控平台自主可控发展趋势_李祥震

Shuhua•MA
2019-08-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

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中国造船工程学会电子技术学术委员会2017年装备技术发展论坛论文集2017年10月36舰艇显控平台自主可控发展趋势李祥震王桂强(江苏自动化研究所连云港222061)摘要针对舰艇显控平台的自主可控发展论文从自主可控中央处理器、自主可控操作系统、自主可控特色功能SOC、显控平台架构等方面进行了论述提出跟踪商用主流产品的功能性能发展针对舰艇实际应用需求进行核心元器件、操作系统以及具有海军特色功能SOC的设计与研制并发展具有国内特色的自主可控显控平台体系架构从而实现舰艇显控平台有序高效的可持续发展。关键词显控平台自主可控中央处理器操作系统SOC1引言随着舰艇装备的不断发展装备的信息安全、使用安全、保障安全等日益受到重视特别是随着美国ldquo棱镜门rdquo事件曝光后对主要电子信息装备的安全性和可靠性提出了更高的要求。在这种情况下推进舰艇电子信息装备的自主可控成为保证信息安全、装备安全、保障安全的重要手段[1]。经过多年的发展我国自主可控元器件产业初具规模。在CPU方面总参56所的申威处理器、国防科大的飞腾处理器、中科院的龙芯处理器已经形成了系列化的产品并在部分项目上得到初步应用。在操作系统方面自主可控操作系统根据使用用途分为嵌入式操作系统、桌面操作系统、服务器操作系统。目前进人合格名录且面向海军装备应用的国产嵌人式操作系统主要有科银京成的ldquo道rdquo系统(DeltaOS)、中电32所的锐华操作系统(ReWorks)、中船重工716所的Ja-riWorks操作系统、中标麒g作系统等。除自主可控CPU和操作系统以外舰艇显控平台所需要的相关配套元器件和特定功能核心元器件的自主可控进程也开始加速如显示控制芯片、特色功能SOC等陆续有单位开展研制。2自主可控中央处理器[2?3]与其它军兵种一样对于海军舰艇显控平台来说计算机中央处理器(CPU)是核心元器件显控台等关键设备的基本性能在很大程度上依赖于CPU的性能。舰艇显控平台所用的CPU属于通用处理器主要有申威、飞腾、龙芯三种产品覆盖了高性能计算及服务器系列、桌面系列、嵌入式系列。三种国产处理器的技术体制完全不同导致互不兼容:申威源于Alpha架构目前进行自主设计飞腾目前正由SPARC架构转向ARM架构龙芯一直基于MIPS架构。从可持续发展的角度来看Alpha架构、MIPS架构的自主可控发展能力并不能令人满意而ARM架构在商用技术的持续支持下可以有效保证指令集的优化升级。对于目前应用最为广泛的X86架构目前国内已有国家控股的合资公司进行研究并已取得了一定的成果但目前还有种种原因限制了大规模的应用。分析申威、飞腾、龙芯三种处理器的侧重和优势龙芯处理器的产业链更完善不同功耗范围不同系列的产品较齐全服务和培训体系较健全飞腾次之申威最差申威处理器的高性能计算能力最强飞腾次之龙芯最差飞腾处理器的多任务并行处理能力较强申威和龙芯稍逊飞腾处理器的技术路线稳定性较差从十五到十二五期间三次更换指令集而龙芯和申威均坚持一套指令集。在嵌人式领域龙芯优势明显服务器领域申威和飞腾更强。舰艇显控平台对CPU的要求与其它军兵种略有不同显控平台对CPU的要求更接近商用市场的要求在此基础上要求不同操作系统、中间件的平滑移植如Vx'Works、Windows、Linux等类型的操作系统下都需要实现中间件与操作系统以及硬件的应用适配。从功能应用上来看舰艇显控平台要求CPU能够对显示、操控具备良好的配套支撑*作者简介:李祥震男博士高级工程师研究方向:显控系统及信号处理系统。王桂强男硕士工程师研究方向.?显控系统及信号处理系统。2017年10月李祥震等:舰艇显控平台自主可控发展趋势37能力如与GPU、多种类接口操控部件、操控资源库等的配套支撑从而形成一个功能全面、性能强劲、人机交互便捷的基础显控平台。针对舰艇显控平台对CPU的功能性能需求未来一段时间内舰艇用CPU的发展应当具备以下趋势:1)通用架构与专用架构并行发展根据与商用主流处理器的技术相似度可以将舰艇显控平台所用的处理器分为通用架构和专用架构。通用架构包括商用主流处理器常用的X86架构与ARM架构处理器专用架构包括Alpha架构与MIPS架构处理器。通用架构处理器在生态系统、软硬件优化程度、显示支撑能力、操控接口支撑能力等具备良好的技术基础和发展前景在显控设备中与其它功能模块的配合更加具有继承性。专用架构处理器生态系统较差显示支撑能力、操控接口支撑能力较弱在显示控制方面的应用受制于配套板卡的协同优化程度难以实现与商用主流架构处理器相当的性能。因此专用架构处理器在舰艇显控平台中更加适合应用于信息处理中心等显示与操控要求较少的场合。2)CPU+GPU架构自主可控SOC的大规模应用随着CPU技术与GPU技术的发展CPU+GPU架构的SOC在商用领域应用越来越广泛优越的控制与显示加速性能相融合的能力成为此类SOC的一个最大亮点。目前部分自主可控CPU已经开始实现CPU与GPU的并置但距离真正的CPU与GPU的融合设计还由很远的距离。在未来舰艇显控平台中采用CPU+GPUSOC作为显控设备的核心处理器既有利于提高设备的图形加速能力也有利于减少设备内模块数量降低设备功耗。同时CPU+GPUSOC还可以作为大规模信息处理中心的核心元器件提高并行计算效率。3)接口通用化舰艇显控平台的接口种类繁多目前多采用专用的接口板卡进行处理。随着自主可控CPU的发展将种类众多的接口纳人到CPU中进行设计可以有效降低设备内的接口模块种类也可以有效提高接口标准化程度。3自主可控操作系统[4]目前舰艇中即将或正在使用的自主可控操控系统根据使用用途分为嵌人式操作系统、桌面操作系统、服务器操作系统。嵌入式操作系统为设备的嵌人式控制应用软件提供运行环境具有内核小、实时性强、资源开销严格、人机交互简单等特点包括科银京成的ldquo道rdquo系统(DeltaOS)、中电32所的锐华操作系统(ReWorks)以及716所的JariWorks操作系统。前两种操作系统具备与VxWorks类似的产品特点并支持国产处理器具有较强的实时性。716所的JariWorks操作系统在Linux内核的基础上加以实时改进除了具有较强的实时性能之外还具有良好的人机交互功能。进入总装推荐产品名录的桌面操作系统和服务器操作系统只有中标软件与国防科大联合推出的中标麒麟操作系统。该操作系统基于开源Linux操作系统研制具备Windows操作系统的主要功能并支持国产处理器已具备多核和多进程支持能力配套有较成熟的办公软件产品。4自主可控特色功能SOC[5?6]在舰艇显控平台中综合显示#备是具有强烈海军特色的一类设备由显控台中综合显示模块、一体机、显示大屏、视频前端机等设备组成实现图形加速、强实时显示驱动以及多层多窗口综合显示等功能。目前该类设备中使用的图形加速芯片(GPU)、显示驱动芯片以及综合显示器件等基本依赖国外产品存在技术风险和安全隐患。因此必须大力推进这一类具有海军特色的综合显示设备、器件的自主可控研究在未来5?10年左右实现相关器件的自主可控。面向舰艇显控平台图形图像综合显示技术需求提升综合显示模块、一体机、显示大屏、视频前端机等设备功能性能开展综合显示、GPU、显示驱动、强实时视频处理等器件IP核与SOC的研究加快海军特色功能SOC的推广和应用进程形成系列化基于自主可控海军特色功能SOC的综合显示产品提供高可靠、高可用、可持续保障的系列综合显示设备。如图1所示。显示屏显示控制芯片图1自主可控特色功能SOC38李祥震等:舰艇显控平台自主可控发展趋势2017年10月5显控平台架构自主可控发展展望[7 ̄1〇]根据国内外海军装备发展趋势舰艇显控平台将由目前功能提前固化、信息相对独立的传感器到显控终端的准单向显控方式逐渐向信息多向按需流动、远程异构操控的方式演变。我们将这种显控平台架构称为综合显控服务体系。综合显控服务体系由显示终端、显控台、显控服务器以及网络组成如图2所示。其中显示服务器是综合显控服务体系的核心设备显示服务器负责从网络接收待显示的信息采用虚拟技术将图形图像信息显通过网络发布至各显示终端。显示终端一般包括显示大屏、一体化显控终端、手持式显控终端、云显示终端组成用于电子海图、光电视频、雷达图像、声纳图像、态势信息等图形图像的显示都具有人机交互能力。在综合显控服务体系中显控台的显示方式与显示终端稍有不同。显控台主要用于战位的信息显示控制图形图像信息可与显示大屏、一体化显控终端进行切换其显示内容可以不经过显示服务器直接从网络获取也可以接收显示服务器的图形图像内容。|显示大屏|丨手持麟刮|云显端i▲显控台 ̄k万兆网络1信息L1信息图2综合显控服务体系组成图根据显示终端的响应速度可以将其分为两类:强实时显示终端和准实时显示终端。这两类显示终端并不特指某一显示设备而是根据显示终端所处的使用环境进行界定例如火控系统中的显示终端实时响应要求很高美军火控系统设备级响应时间可以达到l〇ms以内。在这种使用环境下不论是显控台还是辅助显示器的实时响应速度要求很高在显示服务器中的属于高等级响应显示终端而在会议系统、态势显示系统等使用环境中对图形图像的显示实时性要求并不高通常达到秒级响应即可达到要求此类系统中的显示终端在显示服务器中属于低等级响应显示终端。6结语随着海军作战理念的不断变革、舰艇作战环境的多样化以及信息技术的飞速发展作为舰艇中关系到人机交互、指挥效率的自主可控显控平台必须适应新时期、新环境下的显示控制需求必须具备信息显示全面、人机界面友好、显示方式灵活、显示实时性高等能力。通过发展有针对性的自主可控CPU、操作系统、具有海军特色的SOC、自主可控的高效显控体系架构等构建适应网络化、模块化、通用化的装备需求的自主可控显控平台实现舰艇显控平台从自主可控元器件到自主可控系统平台的有序、高效的可持续发展。参考文献[1]申龙哲薛军.对我国自主可控信息安全的思考与实践[J]?信息安全与技术20115(10):57-60.[2]宋汉广.国产可信加固计算机技术研究[C]//海军舰艇用基础软硬件平台技术发展论坛2013:185-189.[3]马新强黄奕李丹宁.可信计算机发展研究[J].计算机应用200929(4):185-189.[4]高东林曹宁生.国产基础软硬件舰载通用环境研究与实现[C]//海军舰艇用基础软硬件平台技术发展论坛2013:157-159.[5]文智波.军用加固平板显示器技术发展及应用展望[C]//海军舰艇用基础软硬件平台技术发展论坛2013:210-213.[6]刘会霍家道?三维重构及立体显示技术[C]//海军舰艇用基础软硬件平台技术发展论坛2013:217-221.[7]王武民刘俊杰秦晶等.新一代海军指挥信息系统体系架构[J].指挥控制与仿真201234(3):140-143.[8]李祥震.公共显示体系发展构想[C]//海军舰艇用基础软硬件平台技术发展论坛2013:311-313.[9]董晓明石朝明黄坤等.美海军DD01000全舰计算环境体系结构探析[J].中国舰船研究20127(6):7-15.[10]姜立新周烨.开放式体系结构应用探讨[C]//海军舰艇用基础软硬件平台技术发展论坛2013:318-321.