趙剛 董明文 廖建新 公安部第一研究所

引言

美國(guó)政府將芯片安全提升至國(guó)家安全的戰(zhàn)略高度，強(qiáng)調(diào)美國(guó)應(yīng)當(dāng)打造有彈性、多樣化、高安全性的供應(yīng)鏈以保證經(jīng)濟(jì)繁榮和國(guó)家安全。以《芯片與科學(xué)法》出臺(tái)為基石，美國(guó)的芯片戰(zhàn)略已顯出全貌，整體上沿用了“投資、聯(lián)合、競(jìng)爭(zhēng)”對(duì)華戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)三原則作為芯片戰(zhàn)略的三大支柱[1]。由此引起的國(guó)內(nèi)芯片貨源嚴(yán)重短缺和價(jià)格大幅提高的“卡脖子”問(wèn)題，對(duì)科研單位、制造企業(yè)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。例如，近三年來(lái)，芯片短缺問(wèn)題導(dǎo)致國(guó)內(nèi)汽車(chē)產(chǎn)量減產(chǎn)超過(guò)200萬(wàn)輛，這就是芯片短缺對(duì)汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)的深刻影響[2]。作為占據(jù)國(guó)內(nèi)安檢市場(chǎng)重要地位的FISCAN品牌CMEX系列安檢設(shè)備，同樣受到了“卡脖子”問(wèn)題的沖擊。在應(yīng)對(duì)“卡脖子”問(wèn)題的措施上，有兩種主要可選的策略：（1）用國(guó)產(chǎn)芯片替代進(jìn)口芯片，國(guó)內(nèi)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在此取得了進(jìn)展[3]。（2）通過(guò)軟件系統(tǒng)來(lái)替代實(shí)現(xiàn)硬件芯片原有功能，這一思想在武器裝備信息化領(lǐng)域[4]、智能電話(huà)報(bào)警器領(lǐng)域[5]都得到了應(yīng)用。為了能夠?qū)⒅鲃?dòng)權(quán)掌握在自己手里，擺脫由于芯片的制約影響發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)，筆者采取了硬件芯片功能軟件化的技術(shù)思路。

CMEX系統(tǒng)是CMEX系列安檢設(shè)備的軟件系統(tǒng)，通過(guò)與硬件平臺(tái)的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲(chǔ)等功能。

隨著市場(chǎng)的發(fā)展，競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，用戶(hù)需求呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。為了能夠更好的滿(mǎn)足用戶(hù)需求和適應(yīng)市場(chǎng)的變化，CMEX系列安檢設(shè)備也需要具備多樣性，通過(guò)研發(fā)不同的硬件平臺(tái)，使得產(chǎn)品可以滿(mǎn)足不同價(jià)位需求的用戶(hù)，由此，軟件系統(tǒng)如何適應(yīng)多種硬件平臺(tái)的新問(wèn)題擺在眼前，為了降低軟件系統(tǒng)研發(fā)和后期維護(hù)成本，通過(guò)運(yùn)用軟件產(chǎn)品線(xiàn)思想，研發(fā)兼容多種硬件平臺(tái)的軟件系統(tǒng)，使得同一套軟件系統(tǒng)能夠在多種硬件平臺(tái)上兼容運(yùn)行。

一、硬件芯片功能軟件化

由于硬件芯片具備處理速度快、體積小、可以與其他硬件部件配合緊密等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于科研、制造企業(yè)的產(chǎn)品中。FISCAN品牌CMEX系列安檢設(shè)備是國(guó)內(nèi)安檢市場(chǎng)的支柱產(chǎn)品，市場(chǎng)保有量很大，在CMEX系列安檢設(shè)備研發(fā)初期，計(jì)算機(jī)的性能還沒(méi)有達(dá)到現(xiàn)有的水平，硬件芯片在數(shù)據(jù)處理方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，所以使用硬件芯片對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)等后期工作。

（一）采用硬件芯片處理數(shù)據(jù)的方式

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理速度與之前相比有了巨大的提升，已經(jīng)超過(guò)了硬件芯片的數(shù)據(jù)處理能力。隨著“卡脖子”問(wèn)題的出現(xiàn)和現(xiàn)有計(jì)算機(jī)性能的大幅提升，硬件芯片功能軟件化具備了可行性，如圖1所示。

（二）采用軟件處理數(shù)據(jù)的方式

通過(guò)對(duì)被替代的硬件芯片的運(yùn)算能力、CMEX系列安檢設(shè)備現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力進(jìn)行評(píng)估，預(yù)計(jì)新增的軟件化模塊占用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力的比例不超過(guò)1%，對(duì)計(jì)算機(jī)功耗的影響也不會(huì)超出同等比例，所以現(xiàn)有計(jì)算機(jī)可以滿(mǎn)足新增軟件化模塊在處理能力和功耗方面的需求，無(wú)需增加計(jì)算機(jī)等硬件部件，不會(huì)造成CMEX安檢設(shè)備體積上的增加，也不會(huì)額外增加設(shè)備的生產(chǎn)成本，如圖2所示。

在實(shí)現(xiàn)硬件芯片功能軟件化的過(guò)程中，先是從分析硬件芯片處理數(shù)據(jù)的方法、流程、核心技術(shù)入手，摸清硬件芯片處理數(shù)據(jù)的技術(shù)方案，再根據(jù)軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)，進(jìn)行需求分析、模塊設(shè)計(jì)，把數(shù)據(jù)的處理工作分解到各個(gè)軟件模塊中，通過(guò)軟件模塊的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了將原有硬件芯片的數(shù)據(jù)處理功能由軟件系統(tǒng)進(jìn)行替代的目標(biāo)。

二、內(nèi)部接口模塊兼容性

（一）產(chǎn)品需求的多樣性

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，安檢設(shè)備市場(chǎng)在不斷擴(kuò)大的同時(shí)也變得更具競(jìng)爭(zhēng)性，除了原有處于主導(dǎo)地位的幾大安檢設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)外，又陸續(xù)涌現(xiàn)出一批規(guī)模大小不一，產(chǎn)能、質(zhì)量各異的安檢設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)商，這些廠(chǎng)商有的具有部分自主研發(fā)能力，有的就靠東拼西湊組裝設(shè)備來(lái)維持銷(xiāo)售，這些產(chǎn)品的售價(jià)大部分偏低，這種情況的出現(xiàn)，也使得安檢設(shè)備的用戶(hù)需求隨之發(fā)生了變化，在民航等高端安檢設(shè)備市場(chǎng)，由于用戶(hù)對(duì)安全等級(jí)的要求很高，所以采取了非常嚴(yán)格的準(zhǔn)入和鑒定制度，為了滿(mǎn)足高標(biāo)準(zhǔn)的要求，CMEX系列安檢設(shè)備在設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)階段中投入了較高的成本。安檢設(shè)備市場(chǎng)上存在著一些對(duì)低價(jià)設(shè)備有需求的用戶(hù)，如部分長(zhǎng)途汽車(chē)站等，這些場(chǎng)所按照監(jiān)管部門(mén)的行業(yè)要求，必須擁有安檢設(shè)備才具備營(yíng)運(yùn)的資格，之前這些場(chǎng)所也是購(gòu)買(mǎi)比較高端的安檢設(shè)備，自從低價(jià)安檢設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)后，這些場(chǎng)所從節(jié)省資金的出發(fā)點(diǎn)考慮，開(kāi)始傾向于采購(gòu)那些價(jià)格低廉的安檢設(shè)備，再加上一些廠(chǎng)商為了搶占市場(chǎng)份額而采取的惡意壓價(jià)競(jìng)爭(zhēng)行為，使得CMEX系列安檢設(shè)備面臨的市場(chǎng)情況空前復(fù)雜，迫使CMEX系列安檢設(shè)備既要站穩(wěn)高端市場(chǎng)，也要考慮如何滿(mǎn)足預(yù)算有限用戶(hù)的需求。

（二）控制成本的方法

安檢設(shè)備的生產(chǎn)成本更多地體現(xiàn)在硬件平臺(tái)的零部件成本上，如何在保持一定技術(shù)水平的前提下降低硬件成本，是需要解決的實(shí)際問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)具備多個(gè)價(jià)位安檢設(shè)備的產(chǎn)品策略，需要研發(fā)不同硬件部件配置的多種硬件平臺(tái)，這些硬件平臺(tái)的接口方式、數(shù)據(jù)格式、處理流程各有不同，自然而然地引出了軟件系統(tǒng)如何與多種硬件平臺(tái)協(xié)同工作的實(shí)際問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題的處理方式可以有兩種：（1）為每一種硬件平臺(tái)研發(fā)專(zhuān)用的軟件系統(tǒng)；（2）研發(fā)出可以兼容多個(gè)硬件平臺(tái)的統(tǒng)一軟件系統(tǒng)。

軟件系統(tǒng)與硬件平臺(tái)一對(duì)一的架構(gòu)方式如圖3所示。

軟件系統(tǒng)與硬件平臺(tái)一對(duì)多的架構(gòu)方式如圖4所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)自身實(shí)際情況的綜合考慮，通過(guò)運(yùn)用軟件產(chǎn)品線(xiàn)思想，采取了統(tǒng)一軟件系統(tǒng)兼容多個(gè)硬件平臺(tái)的解決方案。在解決方案的設(shè)計(jì)架構(gòu)上，為了進(jìn)一步降低研發(fā)、后期維護(hù)的成本，在對(duì)軟件系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的共同性和差異性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，最大限度提取共性的部分，把差異性的部分壓縮到一起，形成具備兼容性的內(nèi)部接口模塊，把內(nèi)部接口模塊做為共性化軟件系統(tǒng)與多個(gè)硬件平臺(tái)之間的橋梁，通過(guò)參數(shù)配置，使得統(tǒng)一的軟件系統(tǒng)能夠與不同的硬件平臺(tái)協(xié)同工作。通過(guò)對(duì)一對(duì)多方式的效果進(jìn)行評(píng)估，以硬件平臺(tái)的種類(lèi)數(shù)為n，一對(duì)一方式的各個(gè)獨(dú)立軟件系統(tǒng)的復(fù)雜度都為1，一對(duì)一方式的全部獨(dú)立軟件系統(tǒng)的研發(fā)、后期維護(hù)成本總和為1當(dāng)作參考值，一對(duì)多方式的統(tǒng)一軟件系統(tǒng)復(fù)雜度約等于n，一對(duì)多方式的統(tǒng)一軟件系統(tǒng)的整體研發(fā)、后期維護(hù)成本約等于1/n。

一對(duì)多方式不僅使得CMEX系列安檢設(shè)備在研發(fā)、后期維護(hù)成本的控制上取得了很大的成功，也為CMEX系列安檢設(shè)備在界面、操作等方面保持風(fēng)格一致起到了積極的作用，通過(guò)類(lèi)似拼插積木的方式，將軟件系統(tǒng)與硬件平臺(tái)進(jìn)行組合，使得CMEX系列安檢產(chǎn)品能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的安檢設(shè)備市場(chǎng)。

三、結(jié)語(yǔ)

新一代CMEX系統(tǒng)的研發(fā)，使得我們擁有了更具靈活性和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的FISCAN品牌CMEX系列安檢設(shè)備，硬件芯片功能軟件化和內(nèi)部接口模塊兼容性的思路，不僅解決了當(dāng)前面臨的巨大困難，也為今后的發(fā)展拓展了一條嶄新的道路。

隨著CMEX系列安檢設(shè)備的功能、性能不斷提升，安檢事業(yè)將會(huì)不斷壯大，在為企業(yè)自身創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值的同時(shí)，也為社會(huì)和國(guó)家的安全提供更加有力的技術(shù)支撐和保障。