不能死機的機載實時操作系統 | J20 VS F22 專題

在現代信息社會中，操作系統是現代信息系統的基礎和核心軟件，事關國家信息安全及國民經濟的方方面面。作為管理和控制計算機硬件與軟件資源的計算機程序，操作系統是直接運行在計算機硬件上的最基礎軟件，任何其他軟件都必須在操作系統的支持下才能正常運行。操作系統主要分為桌面操作系統（如Windows等）、智能移動操作系統（如Android）和嵌入式操作系統（如飛機、汽車發動機控制設備操作系統等）等幾種。

嵌入式系統通常是指一種專用的計算機系統，用來對諸如工業設備、軍事裝備等領域的設備進行實時控制、運行監管。嵌入式操作系統運行在嵌入式設備之上，用戶通常無法直觀感知其存在，也無需直接進行安裝和維護，只能靠設備運行時的外部表徵來感受它的存在。實際上，嵌入式操作系統是社會生活中應用最為廣泛的操作系統，幾乎所有帶有數字接口和程序控制的設備，如火箭、衛星、飛機、火車、汽車、通訊基站、交換機、智能電視、機頂盒、數碼相機中的計算機系統都屬於嵌入式設備，都使用嵌入式操作系統，飛機使用的機載操作系統就屬於嵌入式操作系統。

飛機的機載操作系統作為機載電子設備的核心和基礎，是關係到飛行安全的核心產品，對實時性、可靠性、穩定性、安全性有極高要求。因而，能否實現機載操作系統系統的完全自主化，也被視為航空主戰裝備能否實現自主化的標準之一。如果說機載計算機硬件系統是飛機的大腦，那麼機載操作系統就是飛機的“靈魂”。

對於第五代戰鬥機來說，機載操作系統更是至關重要，因為第五代戰鬥機普遍採用了多餘度電傳操作縱系統。飛行員所有的操縱動作都要先經過飛控系統計算機的處理才能付諸實施，而且第五代戰鬥機都是靜不穩定性設計，沒了計算機的控制更是寸步難行。對第五代戰鬥機來說航電系統80%的功能都是用軟件實現的，可見機載操作系統的重要。

國外的機載操作系統，以美國Wind River公司的VxWorks系統為代表，廣泛運用在通信、軍事、航空航天領域，其在F-16、F-18、B-2等有人作戰飛機，X-47無人機以及各種導彈、太空探測器上都有應用。國外IMA模塊式航電系統使用的是Green Hills Software 公司的Integrity-178B分區操作系統，這個系統對我國是嚴格禁運的。使用這一系統的包括F22、F35、A400M，以及B52、B1B、C17和F16的改進型。

長期以來，我國的基礎軟件都一直依賴於西方發達國家，嵌入式操作系統也掌握在少數幾個西方公司手中。然而，外國產品的安全性對中國軍工來說是極其脆弱的。為了提升我國航空主戰裝備的自主能力，中航工業計算機所發揮獨立自主精神，攻關國產機載操作系統。

早在2006年，在沒有任何外來資金支持和項目牽引的情況下，中航工業計算所就在突破操作系統內核關鍵技術的後，又攻克了基於分區化的軟件架構、時間/空間隔離、確定性調度、健康監控和配置等一系列技術難題，成功研製出天脈操作系統的原型ACoreOS產品。天脈操作系統原型的研發成功，打碎了西方“中國操作系統無法實現自主”的斷言。

2008年機載操作系統正式獲得國家立項，產品命名為“天脈”操作系統，根據需求分為天脈1和天脈2兩款產品。天脈1為基本平板管理模式，響應能力強、結構簡潔、高效，適合單臺設備使用。天脈2在實現基本操作系統功能基礎上，面向新一代綜合化模塊化航空電子系統（IMA）、滿足ARINC 653標準的“時間”“空間”健壯分區保護功能，可以作為航電系統的核心操作系統。除了實現基本任務調度、設備管理等功能外，還可以實現時間分區管理、空間分區管理、健康監控、分區間通信等功能。而且除ARINC 653標準之外，還實現了藍圖配置、容錯、重構等系統管理等ASSAC（法、德、英和美政府建立的聯合標準化航空電子系統架構）所定義的策略，滿足IMA分佈式系統管理框架的需要。

作為我國首個獨立立項研製的核心、通用的基礎軟件產品，研製團隊大膽引入了國外民機成熟、國內鮮有實踐的民用飛機軟件的國際適航標準——DO-178B技術標準。並且符合其最高安全等級A級的要求。軟件產品按照DO-178B完成內部獨立測試後，交付空軍軟件測評中心，按照總裝備部批覆的研製總要求，由航空產品定型委員會組織完成了一系列產品的評價工作，包括軟件測評、地面臺架測試、機上測試、試飛測試和軟件試用測試等五項考核內容。符合DO-178B的技術標準，就意味著天脈操作系統可以裝備在C919、C929等各種民用飛機上。

2014年7月1日，“天脈”機載嵌入式實時操作系統，順利通過國家設計定型審查。我國從此結束了在航空裝備“少魂”的歷史。消息一經發布，國內外反響強烈，美國智囊團詹姆斯敦基金會在2014年7月17日“中國簡報”頭版頭條，以“打破西方壟斷，中國軍事創新結出果實”為題提到“這兩款實時操作系統的性能優於國外同類產品，目前已被中國軍事國防系統採用。”

實際上在設計定型審查之前，天脈操作系統已經開始大面積推廣並交付使用。廣泛應用於各種航空或非航空電子設備，涉及軍事裝備、民用飛機、機車、工業控制、智能交通等嵌入式信息化電子設備。

天脈機載操作系統的研製成功，是我國在基礎軟件研製方面所取得的巨大成就。打破了國外對同類產品的封鎖，提升了我國航空武器裝備的自主保障能力，為國防武器裝備的信息安全提供了有力保證，為我國基礎軟件的自主保障、自主發展奠定了基礎。

以下是天脈1和天脈2操作系統的性能以及和國外同類產品之間的性能對比，可以看到國產天脈操作系統已經達到國際先進水平。

天脈1操作系統性能

天脈2操作系統性能

天脈1與VxWorks5.5測試性能對比

下面是天脈2與VxWorks653測試性能的對比，VxWorks653廣泛應用在波音787、空客A380等大型客機的通用核心處理機上，是其整個航電系統的最核心部分。