一种基于申威平台的全国产化计算机设计方法_李善荣.pdf

工业控制计算机2023年第36卷第1期随着信息技术的快速发展及信息化建设的不断深入，计算机已成为人们日常生活、工作必不可少的工具，但在党政军及关系国计民生的重要领域中超过80%的信息系统依赖于国外技术、产品及服务1，信息化核心能力不强、核心技术受限于人，信息安全得不到保障，严重威胁着国家安全。当今国际形势变幻莫测，信息安全问题日益凸显，尤其是“棱镜门”事件的爆发，更是为我国的信息安全问题敲响了警钟。在加快信息安全建设过程中，为保障我国信息安全建设，对信息安全产品的国产化程度要求越来高。尤其是国内党政、金融、军工、通信等特殊领域，数据计算、处理等方面，对系统关键软硬件的自主可控及安全可信需求变得愈加重要，发展自主可控计算机是保障国家信息安全的基础和必要条件。1申威处理器及套片1.1申威处理器申威处理器或申威CPU是在国家“核高基”重大专项支持下，采用自主指令集设计，具有完全自主知识产权的处理器。本文所阐述的全国产化计算机基于申威最新一代申威8313桌面版处理器设计。申威831处理器是一款64位字长的RISC架构处理器，计算核心采用申威Core3B，采用短向量加速计算技术提高整数和浮点运算性能；单芯片集成了8个同构的申威Core3B核心（计算核心，最高主频2.5 GHz）、1个主动安全处理器核心（管控核心）、16 MB的三级共享Cache、两路72位（含8位ECC）DDR4存 储 控 制 器 通 道、两 路PCI-E4.0接 口、支 持 符 合IEEE1149.1标准的JTAG测试接口；提供3路I2C接口、1路SPI接口、1路UART接口、1路LPC接口及1套GPIO接口。申威831处理内部结构如图1所示。1.2申威套片申威ICH2套片是一款完全自主设计的系统芯片2，可实现计算平台的外围安全IO接口的扩展，ICH2套片内部集成可旁路的PCIE交叉开关，上行支持1个PCIE8，下行最多支持3个PCIE8接口，或者1个PCIE8+4个PCIE4的扩展；集成SATA3.0控制器，提供3个SATA3.0接口；集成2个10/100/1000M自适应以太网GMAC接口，支持IEEE 802.3标准和以太网标准；集成USB控制器，支持6个USB 3.0接口；集成AC97声卡接口，提供5.1声道；集成高性能独立显卡模式的GPU/VPU，配备专用的DDR3显存，支持1080P高清显示，提供多通道DMA控制器，低速输入输出部件（包括AC97、UART、I2C、SPI、PS/2、LPC Host、GPIO及可编程中断控制器）及系统控制部件等，适用于国产化、高安全系列产品的设计开发。申威ICH2套片内部结构如图2所示：图2申威ICH2套片内部结构图2硬件设计2.1计算机组成如图3所示，基于申威831处理器的全国产化计算机由主板模块、显示模块、电源模块、存储模块、散热模块、机箱模块及软件模块组成，主板模块包含全国产化主板及国产内存，显示模块选用高性能国产景嘉微显卡，硬盘选用国产华澜微电子盘，固件选用国产昆仑固件，操作系统选用统信UOS系统，集成普华办公软件。一种基于申威平台的全国产化计算机设计方法李善荣1，2孙超1，2韩娇3翟西斌1，2（1超越科技股份有限公司，山东 济南250101；2山东省特种计算机重点实验室，山东 济南250101；3无锡先进技术研究院，江苏 无锡214000）摘要：现代计算机是一种用于高速计算的可以进行数值、逻辑计算，还具有存储记忆功能，能够按照程序运行，自动、高速处理海量数据的现代化智能电子设备，为我们日常生活及办公提供了便利。传统计算机的软硬件多为进口或国外授权，数据安全性、可靠性能差，且随着国际形势的变化，对全国产化、安全可信计算机的需求日益凸显。基于申威平台的全国产化计算机是一款基于国产处理器、套片、显卡及国产固件、操作系统的计算机设备，实现了计算机软硬件的全国产化。对基于国产处理器的全国产化计算机整机设计思路、设计方案及关键技术进行了阐述，对全国产化计算机关键物料选型及架构设计进行了详细说明，为国产自主可控计算设备的设计开发提供了技术参考。关键词：申威处理器；国产化；套片；ICH2；PCIE图1申威831处理器内部结构图17一种基于申威平台的全国产化计算机设计方法2.2主板模块设计基于申威平台的全国产化计算机采用申威831处理器+申威ICH2套片架构设计，通过两路存储控制器扩展2个DDR4DIMM内存槽，支持单条8GB、16GB等规格国产内存；通过SPI总线外接一个SPI Flash，用于存放BIOS固件；通过1路RS232信号引出DB9标准串口，用于操作系统下串口通信；申威831集成的两路PCIE8总线，一路连接申威ICH2套片，用于外围功能接口扩展，一路连接PCIE16扩展槽，用于显卡、GPU卡等PCIE设备的扩展；通过ASP SPI专用接口外接4片大容量Flash芯片，用于主动安全管理；通过I2C连接内存条及CPLD，实现内存SPD信息读取及系统开/关机控制；通过CPU上的JATG维护接口引出JTAG调试接口，用于CPU运行状态监控及主板调试；预留1颗国产安路CPLD实现板级时序控制、温度监测及风扇转速调控等功能。主板原理框架构图如图4所示：图4主板原理架构图基于申威平台的全国产化计算机通过ICH2实现存外围功能及显示接口的扩展，通过ICH2套片扩展2个PCIE8扩展槽、1个M.2（PCIE4信号）插槽，用于PCIE板卡及NVMESSD的扩展，扩展6路USB3.0接口，用于机箱前面板/后面板USB接口，扩展3路SATA3.0接口，用于SATA硬盘、光驱等存储设备的扩展；通过GMII及PHY芯片，扩展两路千兆网口，通过AC97总线扩展耳机、麦克接口，ICH2外接一颗DDR3 RAM颗粒，作为显存，实现1080P显示功能。2.3供电模块设计计算机采用长城金牌ATX标准电源，具有24pin主板供电接口、硬盘供电接口、D型供电接口及显卡供电接口，可满足主板、硬盘、光驱及高性能显卡的供电需求。电源支持100240 V全电压输入，具有NTC防过热、继电器自断电及MOV防雷等多重防护，具有80PLUS白金级高能效，完全满足计算机系统供电需求。2.4存储模块设计计算机存储模块主要用于操作系统、应用软件安装及数据的存储，基于申威平台的全国产计算机通过申威ICH2套片扩展3个SATA3.0接口，用于SATA硬盘及SATA光驱的扩展，通过ICH2套片扩展1个M.2接口，用于高性能PCIE NvmeSSD的扩展。考虑到国产化需求，计算机SATA硬盘、SATA光驱及PCIENVME SSD均选用国产物料，大大提升了计算机的自主可控程度，同时支持不同容量或规格的硬盘，满足不同应用需求。2.5显示模块设计基于申威平台的全国产化计算机采用申威831处理器+申威ICH2套片架构设计，处理器一组PCIE8信号连至PCIE16插槽，用于高性能显卡扩展；一组PCIE8信号连接ICH2套片，ICH2集成显示功能，原理设计时预留2GB DDR3显存颗粒及显示接口，可满足常规显示需求。针对显示或图形处理有特殊需求的，可通过PCEI16槽外扩高性能显卡、GPU或AI加速卡等设备。3结构及散热设计计算机主板采用ATX标准4设计，主板尺寸305 mm*244 mm，兼容市面主流台式机机箱，虽然较尺寸为244 mm*244 mm的microATX主板大，但具有更好的扩展性，接口更为齐全，配合大机箱可满足高性能显卡、GPU或AI加速卡等设备的扩展需求；ATX主板尺寸较大，板级器件布局更为合理，可大大提升主板CPU及ICH2套片的散热效率，提升整机的稳定性。可以更好地兼容市面上的机箱、通用电源等部件，便于维护维修和成本控制，满足计算机日后升级扩展需求。计算机主要应用于办公场所等地面固定环境，工作温度区间为主要为040，主板上主要散热器件为申威831处理器及ICH2套片，其中处理器功耗约25 W，ICH2功耗约12 W，为保证主板散热效果，处理器及套片均选用带风扇的散热模组，考虑PCIE扩展卡及散热需要，机箱内部设有用于风道改善的风扇，主板布局及内部部件的合理规划，有效减小风道中的风阻，提升机箱内部散热效果。计算机机箱内部布局如图5所示：图5整机内部布局图图3申威831全国产计算机组成图18工业控制计算机2023年第36卷第1期4软件设计4.1固件采用国产自主可控固件，实现对基于申威处理器的正常启动、运行的支持，自主可控固件主要工作包括：在硬件平台上电后，获得系统控制权；初始化处理器、ICH2套片、内存等关键部件；枚举外设并为其分配资源，初始化显卡、硬盘、网卡等必要的外设；为上层系统建立运行环境，然后将控制权交给上层系统。根据基于申威平台的全国产化计算机设计或应用需求，以及申威831处理器及申威ICH2套片的特殊性完成相关功能的添加及优化调试，实现各模块之间的协同工作，提高外设兼容性，实现信息查看、启动项配置、设备查看等特定功能。自主可控固件按照UEFI规范5进行设计和实现，根据申威831处理器及申威ICH2套片的特点酌情优化调整，固件的体系框架设计如图6所示：图6固件体系架构4.2操作系统操作系统是管理计算机硬件与软件资源的计算机程序。操作系统作为计算机系统的内核与基石，具有管理计算机系统的硬件、软件及数据资源、控制程序运行、改善人机页面、为其他应用软件提供支持等功能。操作系统在使计算机系统所有资源最大限度地发挥作用的同时，提供各种形式的用户页面，使用户有一个好的工作环境，并为其他软件的开发提供必要的服务和相应的接口。该计算机采用统信UOS桌面版操系统，是基于申威831处理器进行深度优化而开发的操作系统，对日常办公特性和对性能的要求，做出了针对性的优化，提高了系统文档及图像处理的流畅度，并结合设备驱动在最大程度上增强对硬件性能的利用，提高了整体资源利用率，最大程度上满足了对计算机操作系统的要求。统信UOS桌面版操系统采用分层设计和模块化设计原则设计，由下到上分别是硬件平台层、操作系统内核层、支撑子系统层、应用开发接口与应用软件层，并对系统安装、基础软件的支持、系统管理软件的功能性、开发软件的支持进行了适配及测试，系统整体框架如图7所示。UOS操作系统全面支持国产主流数据库、中间件和应用软件，并通过了工信部安全可靠软硬件测试认证，符合“自主可控”战略目标的要求，可以为电子政务、信息化管理等应用提供全国产一体化的架构平台。具有高性能、高稳定性、高可靠性特点，可满足企业、党政军关键业务应用及设计开发需求。4.3应用软件应用软件是以操作系统为基础，针对特定目的或实际应用开发的软件，为满足日常办公及设计开发需求，同时保证计算机的运行效率，可根据不同应用需求集成各类开发软件或工具，如针对日常办公需求的可集成WPS、邮箱、通信工具、刻录软件、安全防护软件、浏览器及必要的Java插件等；针对具有软件设计与开发需求的可集成IDE/集成开发环境、工具链、中间件、开发项目管理工具、编程环境、图形开发工具、网络编程工具、数据库编程工具、构造工具等，以提供满足实际应用环境的上层软件支持。5结束语基于申威平台的全国产化计算机采用具有完全自主知识产权的申威831处理器搭配申威ICH2套片设计，实现了计算机元器件及软件的100%国产化，处理器集成主动安全处理功能，大大提高计算机的自主可控、安全可信程度；此外，具有高性能、高稳定性、高可靠性等特点，可满足国内党政、金融、军工、通信等特殊领域的国产化计算机替代需求。参考文献1魏岳江，严卫东.自主可控方能不受制于人国外军方如何保障信息安全J.信息化建设，2014（3）：21-222ICH2硬件接口手册EB/OL.http:/ 2.1 EB/OL.https:/ 2.9EB/OL.https:/uefi.org/sites/de-fault/files/resources/UEFI_Spec_2_9_2021_03_18.pdf收稿日期：2022-07-12图7操作系统整体架构图19