計算機從它誕生之日起，就開始用于軍事領域。隨著軍事科學、武器裝備系統和計算機技術的發展，軍用計算機已經成為軍隊作戰能力的關鍵因素，軍用計算機的研制、生產和應用水平是衡量一個國家國防現代化和軍事實力的重要尺度。軍用計算機已經成為各種現代化武器裝備系統、軍事電子信息系統以及國防科研系統中不可缺少的、到處可見的設備。小到嵌入式的微處理器，大到百萬億次級的高性能計算機已廣泛用于各種武器裝備和國防科研之中。而軍用抗惡劣環境計算機在軍用計算機中占有極其重要的地位，所有戰場上用的計算機全是抗惡劣環境計算機，它們是最具軍用特色的計算機。

1軍用抗惡劣環境計算機的特點

由于軍用抗惡劣環境計算機是包括戰機、導彈、艦艇、戰車、火炮以及綜合電子信息系統在內的各種武器裝備的一部分，因此有其鮮明的特點：

（1）抗惡劣環境

各類戰場上使用的計算機有著一個共同特點，就是使用環境極其惡劣，僅以溫度為例，計算機的應用從熱帶海洋性氣候、大陸干燥氣候到寒帶大陸性氣候，其溫差變化達數十攝氏度。因此無論是戰場上直接使用的計算機，還是運載工具上使用的計算機，都應當考慮惡劣的使用環境。計算機要經受嚴寒、高溫、濕熱、振動、沖擊、暴曬、雨淋、砂塵、雷電的考驗，以及鹽霧、霉菌、生物蛀蟲的侵蝕帶來的影響等。

（2）強實時性

較強的實時處理能力，武器裝備系統中的計算機主要功能就是要完成實時處理，要求中斷響應時間短、運算速度快及具有高速數據傳輸率等。以防空導彈指揮控制系統為例，整個防空導彈武器系統對其中的指揮控制系統的要求是：反應時間短，能對付高速機動目標的大規模密集空襲；在戰術上能實現點和區域防御；實現多個火力單元、多種武器配系的協同作戰；有效的大范圍戰場管理等。這就要求指揮控制系統的計算機有非常強的實時響應能力。

   （3）高可靠性

導彈、、戰機、艦艇、戰車以及軍事綜合電子信息系統（C4ISR）等軍事裝備均是復雜、昂貴的大系統，它的可靠性在軍事、經濟、政治、人民生命財產安全上都有重大意義。而計算機是這些系統的控制核心，對它們的高可靠性要求是顯而易見的。

（4）高安全性

長期以來計算機設計目標追求的主要是提高信息處理能力和降低成本，對軍用計算機還有抗惡劣環境。而對于安全問題重視不夠，留下許多不安全因素。隨著計算機及網絡的普及和應用，病毒、黑客、電磁泄漏等安全事件層出不窮，而且越演越烈。尤其在信息化作戰中，計算機為核心的信息系統是敵人攻擊的重點目標。因此，高安全性也是軍用抗惡劣環境計算機必須具備的性能。

（5）嵌入式

軍用抗惡劣環境計算機是整個武器系統的組成部分，對硬件、軟件和輸入/輸出接口均有特殊要求。硬件除功能、性能須滿足要求外，還必須在體積、功耗、質量、形狀等方面滿足要求。輸入/輸出接口眾多，既有數字量，又有模擬量、開關量。編制可靠、有效的嵌入式作戰軟件更是非常復雜、繁重的任務。

2軍用抗惡劣環境計算機在武器裝備中的應用方向

20世紀末，電子信息技術與裝備造價的比例，艦艇為25%～30%，導彈接近60%，軍用飛機接近40%，戰略轟炸機和隱形飛機超過60%，空間武器達75%，而軍事指揮控制系統（C4ISR）竟高達88%。美國電子協會預計，到2010年，西方國家所有武器裝備上述比例的平均值將超過50%。電子信息技術含量高低已經成為衡量武器裝備性能優劣和現代化水平高低的最重要的標志。

從20世紀90年代初開始至今以及今后若干年內軍用抗惡劣環境計算機在武器裝備中的應用方向主要是：

（1）原有主戰裝備信息化改造

20世紀90年代初期，即冷戰結束后，美軍的機械化建設已達到很高的水平，其武器裝備性能已接近物理極限。為進一步提高武器裝備和平臺的作戰能力，美軍走武器裝備信息化的道路。美三軍均對原有的武器裝備和作戰平臺進行信息化改造，美國海軍率先走在前面，拋棄了老的過時昂貴的軍標產品代之以性能先進、信息化程度高的所謂COTS（商用現成）產品。

在2003年美英聯軍的對伊拉克作戰中，美軍的優勢并不在于個別的先進武器，他們在伊拉克賴以取勝的武器裝備幾乎都是20年以前的東西，例如新華社記者登上的小鷹號航空母艦已服役近半個世紀，關鍵是這些裝備都進行了信息化改造，使美軍不同的武器系統形成了陸、海、空、天一體化的有機整體，而把其他國家的軍隊遠遠拋在后面。英軍的裝備性能并不比美國的差，但他們的信息化水平遠遠低于美軍。因此，英軍在這場戰爭中的表現明顯差于美軍。

（2）武器裝備的精導智能化

1991年的海灣戰爭中，美軍使用的精確制導的彈藥不足整個用量的20%，而在2003年的伊拉克戰爭中帶有精確制導的彈藥已占整個用量的80%。美軍防空的主戰裝備——愛國者導彈不斷在進行計算機軟、硬件方面的改進。美國目前正在研制智能化水平更高的導彈武器系統，采用傳感器技術、微電子技術、信息處理技術、人工智能技術，使它們能區分外形和尺寸相同，但類型不同的敵我（友）軍用卡車、運輸車輛、通信車輛、地空導彈發射架與地地導彈發射架。目前，技術比較成熟的是“黃蜂”反坦克導彈，通過導彈上的計算機可以識別真偽目標，甚至可以從目標群中選中任何一輛坦克進行攻擊。

（3）武器系統中計算機硬、軟件升級

武器系統、不管是導彈、坦克、飛機、艦船，從設計、研制到生產定型，至少要5年～10年的時間，而服役期更長，至少10年～20年。而計算機技術的發展非常迅速，按摩爾定律CPU十八個月就換一代，性能提高一倍，價格降低一半。這是一個非常突出的矛盾。等武器系統生產出來以后，其核心部件計算機卻已經非常落后，其部件甚至早已停產，也沒有備件；即使有其價格也非常昂貴。近年來武器系統制造商，包括軍用計算機制造商，都在大力解決這個問題。尤其是板極和部件級的技術更新更為重要。更新的成本主要在軟件，既能升級，又要兼容。美國比較有名的軍用計算機廠商Mercury公司，10年前其雇員70%是硬件工程師，而現在70%的雇員是軟件工程師。2003年4月洛克希德·馬丁公司成功地完成了美海軍潛艇聲納系統的新型計算機硬件升級，用2.4GHz的“致強”處理器替換了原有的奔騰處理器，為軟件升級提供了更好的運行平臺。該公司每4年更新和升級所有硬件，并隔年進行軟件升級。

（4）全球信息網格的建設

為滿足網絡中心戰的要求，軍事發達國家特別是美國強調信息優勢和決策優勢的作用，在原有電子信息網絡的基礎之上建設全球信息網格，以此增強電子信息系統之間、電子信息系統和武器系統之間的互操作能力，并將各種傳感器、信息系統、指揮和控制能力、武器系統和彈藥等資源網絡化，并推動向網格化發展。美軍網格的建設目標是為綜合系統中所有的信息和能力，提供單一的、一體化的、安全的、端到端的系統、資源、數據和應用程序的共享。全球信息網格建設的核心就是構建各種功能和規模的計算機系統及網絡。

（5）單兵數字化裝備

主要是提供一體化頭盔分系統，包括增強型視頻放大裝置、周圍聽力裝置、高分辨率頭盔顯示器、無線電頭盔控制裝置和電源等；提供計算機分系統，亦稱單兵C3I分系統，包括儲有文字、圖像、數據、戰場態勢等信息的單兵計算機，夜間槍具瞄準專用的視頻強化圖像增強器，平板顯示器，全球定位系統，以及可在500m～2000m距離內與戰車、火炮、直升機等進行通信的電臺等。

3軍用抗惡劣環境計算機產品現狀

目前，僅美國和加拿大就有幾十家公司提供軍用抗惡劣環境計算機產品系列。另外，臺灣地區也有多家抗惡劣環境計算機產品的供應商，如研華、磐儀和控創等。表1列出了一些主要廠商，有DY4公司、SBS公司、Mercury 公司、Pentek公司、Bittware公司、TranstechDSP公司、Motolola公司、SpectrumSignal公司等，以及研華、磐儀和控創公司的產品。

表1       抗惡劣環境計算機產品對照表

根據表1的統計，可以從嵌入式計算機的構成，即微處理器、總線和嵌入式軟件等方面來概括目前軍用抗惡劣環境計算機技術的發展主流。

（1）微處理器

微處理器是軍用抗惡劣環境計算機的核心，主要以MOTOROLA和IBM公司的PowerPC系列，Intel公司的Pentium系列為主，信號處理器以TI公司的TMS320系列、ADI公司的ADSP系列為主。

（2）內部總線

內部總線用于嵌入式計算機模塊之間的互連。以VME和CPCI總線為主。

VME總線具有如下特性：

①　并行性。支持面向多主設備的并行處理

②　實時性。具有優異的中斷處理系統，在其內部采用了獨特的優先中斷總線，可以很好地服務于多CPU的分布中斷系統。

③　可靠性和抗振性。VME總線對機箱、總線底板、插件板的電磁兼容性、機械結構等方面均有全面的規定，技術成熟可靠，插卡也采用Eurocard外形，具有良好的抗振性和抗沖擊能力。

CPCI總線具有如下特性：

①　高性能數據傳輸。能支持線性突發數據傳輸模式，可減少無謂的地址操作。線性突發傳輸能夠更有效地運用總線的帶寬來傳送數據。

②　與處理器結構無關。CPCI總線與處理器的結構無關，可被各種處理器采用。CPU可以采用X86、PowerPC、DSP等芯片的模塊，可以配有顯示、網絡輸入/輸出模塊，也可以配有中頻處理、視頻處理等模塊。

③　支持多處理器和同步操作。

④　兼容性強、低成本、高效益。CPCI總線與商用的PCI總線信號定義完全兼容，可充分利用PCI總線開發經驗，用PCI總線接口部件相對便宜。CPCI總線采用地址/數據復用，使連接其它部件的引腳減少，節約了線路板空間。

⑤　有良好的可靠性和抗振性。CPCI總線的電氣性能與PCI兼容，但物理結構和接插件采用與VME相類似的技術，十分適合在抗惡劣環境下使用。

⑥　支持熱插拔，即插即用。

從上述分析可以看出VME總線與CPCI有很多相同的地方：二者都有國際標準支持，都為主從式體系結構，支持多處理器系統，都采用歐洲卡（Eurocard）式外形，有良好的可靠性和抗振性。都具有多個供應商的標準底板、接口芯片及已實現的標準模塊。并且二者都有較廣泛的應用，如美國的第一代軟件無線電采用了基于VME總線的結構，第二代軟件無線電采用了CPCI總線。

2002年出現了新的CPCI標準—ATCA（Advanced Telecommunication Computing Architecture）標準，與以前的CPCI相比它有巨大的優勢：

表2對CPCI計算機和ATCA計算機進行了對比。

表2  CPCI和ATCA計算機的比較

計算機采用了ATCA技術，可以帶來以下益處：

①     性能提高：ATCA的板卡面積約為CPCI板卡面積的2.5倍，而且板卡寬度也加大到1.2"（比CPCI寬0.4"），這使得單張板卡容納多顆CPU成為可能，使得大容量RAM成為可能，增強了模塊處理能力及速度。

②     可靠性和可用性提高：電源、風扇、機箱管理控制器、交換槽等均采用了冗余備份機制，確保單點故障條件下系統正常工作，提高了系統的可靠性和可用性。系統平臺的可靠度達到99.999%甚至更高，幾乎可以提供不間斷服務，這一點對于武器系統尤為重要。

③     傳輸速度提高：棄用了并行總線，以交換接口配制成各種拓撲架構作為數據傳輸網絡/接口，背板傳輸數據的速度最高可達2.4Tb/s。

④     良好的兼容性：平臺的模塊化設計和開放性，提高了系統的兼容性，加強了不同來源模塊的互換性。

⑤智能平臺管理：基于IPMI（智能平臺管理接口），ATCA系統的管理性能有了大幅度的提高。通過ShMC（機箱管理控制器），系統管理子系統可以對機箱內的單板、電源、風扇、溫度傳感器等現場置換單元（Field Replaceable Units，FRUs）進行智能調節和管理，而管理子系統的實體承載采用雙IPMB總線，可以確保一條總線失效的情況下系統管理仍可以穩定進行，進一步提高了系統的可靠性。

（3）外部總線

外部總線用于主機和外設之間的數據通信，傳統的以1553B總線為主。CAN總線由于價格優勢及其技術的穩定性，近年來也受到了高度關注，已在裝甲車電子系統中得到了應用。

高速串行總線近兩年來不斷涌現。主要的如千兆網、StarLink、FibreChannel、RapidIO等，在高端領域逐步得到應用。

（4）嵌入式軟件

嵌入式計算機軟件包括系統軟件和應用軟件。嵌入式實時操作系統主要以Vxworks和Linux為主。Vxworks已在各種軍事系統得到了廣泛應用，其可用性、可靠性、實時性都經受了實戰應用的驗證。近年來，Linux以其具有內核小、功能強大、運行穩定、易于定制、硬件支持廣泛等特點，正受到高度關注。

另外，這些公司還提供圖像顯示、采集和處理、網絡、A/D、D/A、各種串行接口等功能的接口模塊，來滿足軍事應用的不同要求。

現以DY4為例來分析其產品的情況。DY4定義了三種不同的產品加固級別適用于不同的受保護應用和惡劣環境的軍事應用。

l          0級加固

用在實驗室或開發環境，使用商用的IC，工作溫度范圍在0℃－50℃。

l          100級加固

用于實際的設備安裝環境，工作溫度范圍在－40℃－71℃。

l          200級加固

用于極度惡劣的設備安裝環境如軍事應用，工作溫度范圍在－40℃－85℃，少數產品低溫可達到－55℃。

DY4產品具備完整快速的板卡級診斷程序，目前的主流單板計算機采用PowerPC750、7400、7410、7455處理器，處理能力很強，板上的外設集成度高，提供豐富的外圍接口供用戶使用，包括以太網接口、SCSI接口、異步串口、同步串口（支持HDLC）、定時器、看門狗、離散的TTL　I/O接口、PMC卡擴展口。具有高性能、自檢覆蓋率高、功能密度高的特點。在服務方面，DY4提供產品生命周期管理服務，用戶可以獲得風險降低和方案設計的自由度。

4軍用抗惡劣環境計算機發展趨勢和特點

美國是世界上最早將計算機廣泛應用于軍事目的的國家。當今，美國軍用抗惡劣環境計算機技術的發展仍然代表著世界軍用抗惡劣環境計算機技術發展的方向和主流。下文將闡述軍用抗惡劣環境計算機發展趨勢和特點。

4.1專用系統向開放式系統轉變

美國過去用于武器系統中的計算機，都采用專用系統，隨著計算機技術的發展，以及計算機在武器系統中廣泛應用，專用系統阻礙了武器系統的發展，其研制周期長，軟件和硬件成本高，可移植性和互操作性差，維護和培訓困難，技術也相對落后。

開放式系統的基本思想是：采用現成的標準微處理器，標準的實時操作系統、通信規程和總線接口。它的優點是軟件可移植性好，系統研制周期短，改進、升級較容易，使用和維護方便。

4.2充分利用商業計算機技術，定制開發軍用抗惡劣環境計算機系統

為解決專用系統研制周期長、風險高、價格貴、升級難的問題。美國軍方首先提倡使用商用現成技術及產品，以加快計算機技術更新，縮短周期，降低成本。但商用現成產品變化快，與長壽命的軍用裝備需求不相適應。從而采取根據軍用需求，充分利用先進的商業計算機技術，定制開發軍用計算機系統的途徑。

4.3把經濟可承受性作為一項重要指標

武器裝備系統中電子信息組成部分占的比例越來越大，必須把“買得起”和“用得起”作為一項重要研制指標。通過采用開放式系統、引入商業現成技術和產品、開發通用硬件模塊和軟件重用，改進可靠性和可維護性，并努力做到需求規范化、設備系列化、生產規?；?，以實現這一目標。

4.4向高性能、高可靠方向發展

比如為提高武器系統探測、預警、對抗的實時性和精確打擊能力，高端武器系統對軍用嵌入式計算機的處理能力提出了新的挑戰，對傳輸帶寬、可靠性、抗干擾、信息融合能力等都提出了更高的要求。例如，美國第四代戰斗機（F－35）的綜合核心處理器（ICP）系統中使用水星（Mercury）計算機系統公司的RACE＋＋系列多計算機系統，該系統具有100至200多個嵌入式處理器，提供信號處理能力達每秒5000億次浮點（500GFLOPS）運算，數據處理每秒400億次定點（40GIPS）運算，計算結點網絡總帶寬24GB/s。為此，嵌入式多處理器并行處理技術、調整數據傳輸技術、超高速電路板設計等技術正待不斷開發和應用。

4.5向輕型化和微型化發展

嵌入式計算機在武器裝備里面能夠占用的空間是十分有限的。這就要求設計者必須減小嵌入式計算機的體積，減輕其重量，同時必須不斷提高其性能來滿足日益增長的需要。模塊化設計基于低成本、商用現成技術、互用和重復使用的硬件和軟件模塊，可大大降低成本，提高產品性能。另外，可在單個芯片上實現全電子系統的集成（SOC/SOPC），這樣的系統級芯片具有信號采集、轉換、存儲、處理及輸入/輸出等功能，再植入嵌入式軟件，它能夠大大降低成本、縮小產品體積、提高產品的可靠性，因此已被稱為“未來嵌入式計算機”的基礎。因此，高可靠性/高組裝密度的通用化設計與組裝技術、現場可編程門陣列（FPGA）及片上系統（SOC）設計技術亟待開發。

4.6向網絡化方向發展

未來戰爭將會是網絡化的戰爭，任何武器、作戰人員都可能是網絡中的節點，因此嵌入式計算機在未來戰場上是無處不在的。無論是在外層空間，還是天地一體化聯網，最終都是通過信息手段實現嵌入式計算機聯網。分布式的嵌入計算機聯網后，將發揮戰斗力“倍增器”的作用，在戰場偵察、環境監控、人員與裝備定位、人員健康狀況監控、戰場人員訪問信息及部隊防護等綜合能力都將比獨立運行的嵌入式計算機系統有質的提高。

4.7向功能綜合化方向發展

隨著技術的發展，武器信息裝備的數字化程度越來越高，嵌入式計算機在武器系統中已不再是一個獨立的系統，而是與其應用領域的其它處理設備協同工作、彼此滲透，形成較為緊密的相互耦合與控制關系，如與傳感器信息的融合，可以顯著提高作戰態勢的感知能力；在戰術通信、電子戰與雷達等軍事領域，數據處理與信號處理只有通過綜合處理系統實現較為緊密的耦合關系，才能達到系統所需要的處理能力與實時性。如美軍的四代戰機綜合處理系統、聯合戰術無線電系統（JTRS）、數據鏈端機等都是計算機和通信技術結合的產物。為此，計算機和通信的融合設計技術將不斷開發。

4.8軟件功能將會更加強大

隨著武器裝備“四化”（信息化、體系化、自主化和智能化）的發展以及網絡化作戰模式的逐步形成，武器系統越來越成為一種軟件密集型裝備。軟件作為武器系統的重要組成部分，其功能更加復雜、規模更加龐大、研制周期更加緊迫、質量和可靠性要求更高，軟件的地位更加重要。例如，美軍20世紀50年代的F-4戰機中只有4%的功能由軟件來完成，60年代美軍第二代戰斗機F－111的航空電子系統功能有20%是通過軟件的實現的，而到2000年，F-22戰斗機的80%的功能要靠軟件來實現。武器裝備的功能將會越來越多由軟件實現。

4.9計算機及網絡的安全性將大大加強

信息安全是軍用信息系統的關鍵。美軍在信息安全方面研究力度不斷加強。美國國防部、國防科學委員會、國防部高級研究計劃局（DARPA）等不斷推出極有價值的研究報告。建議采用一致的信息安全體系框架和標準尺度，實施細粒度訪問控制，應對拒絕服務攻擊，增強入侵指示警告和攻擊追查，建立全球信息柵格（GIG）信息保障測試環境等措施，增強信息系統安全性。

4.10把認知計算機技術列為新軍事變革的戰略要點技術

美國軍方認為，雖然目前的信息系統對美國國防極為關鍵，但它們仍然過于復雜，容易出錯且排除錯誤代價大，不安全易于受攻擊，需要用戶適應它們，而且基本上不夠智能。DARPA信息處理技術辦公室提出認知計算技術作為戰略要點之一。認知計算機系統將有能力對它的環境、目標和自己行為進行推理，能與用戶自然地交互，以健壯的方式對意外事件做出反應。

作者簡介:劉恩德（1939-）,男,河北唐山人,研究員,主要研究方向為計算機系統設計、計算機發展戰略研究、計算機安全、計算機抗惡劣環境技術。