航空航天体系标准精选(五篇)

序言：作为思想的载体和知识的探索者，写作是一种独特的艺术，我们为您准备了不同风格的5篇航空航天体系标准，期待它们能激发您的灵感。

篇1

1 引言

在开发卫星在轨仿真的软件项目时，开发团队不仅要对卫星本身作详尽仿真，而且需要完整地掌握航天领域的其它高级专业知识和天体运动的理论知识，同时在软件可视化仿真方面也面临着巨大的挑战。STK的全称是Satellite Tool Kit（卫星仿真工具包），是由美国AGI公司开发，是航空航天领域一个功能强大的大型仿真平台，并且随着其版本变化其功能得到不断地增强和扩展。目前为止，STK航天工业领域中仍然是处于领先地位卫星系统分析软件，利用它可以快速方便地分析航天任务中各种错综复杂的情况，并能以形象直观的三维场景真实地再现空间目标整个寿命周期的运行情况。但STK软件自成体系，和其它软件交互数据、软件界面的灵活性往往不能适合项目需求。

从国内近年发表的航空航天领域关于STK二次开发仿真软件设计的文献看，多注重于STK功能实现本身，关于二次开发软件设计实现的内容较少，并且局限于VC6.0和Matlab开发环境，虽然可以查阅STK的英文帮助文档，但难以在短时间对STK的二次开发有较为全面的理解和快速高效开发。

在自主开发的软件中嵌入STK，把STK作为卫星在轨仿真的计算引擎和三维可视化引擎，是一个可行的技术途径。本文以介绍VS2008为开发平台，介绍利用STK二次开发实现卫星在轨可视化仿真软件的实现方法，在此基础上，给出了在轨卫星的可见性分析和姿态仿真的软件设计方法和仿真软件的运行结果。

2 STK二次开发仿真技术基础

2.1 通过STK二次开发实现仿真任务的技术选用

通过STK可以实现的任务可以分为五类，分别为自动化重复性任务、和其它程序集成、扩展AGI插件和用户接口定制、开发定制应用程序、实时数据处理。

2.1.1 实现自动化重复性任务

可以利用HTML、Connect和STK Object建立链接STK功能组件的工具，或者用远程工具驱动STK，如按钮工具、COM接口、命令行或批处理文件向STK发送Connect命令也可实现自动化重复性任务。

2.1.2 和其它应用程序集成

STK和其它程序的接口有多种形式可供选择，具体接口形式的选择取决于任务的类型。任务涉及仅仅是分析，还是既涉及分析又涉及可视化，抑或是可视化回放，可选用的客户端程序不同。客户端应用程序几种具体形式为：MATLAB， 自定义程序， MS Office，浏览器等，STK系统内部预置有用户采用的开发环境所必备的程序接口，如STK MATLAB接口、COM接口、视景控件（the Viewer Control）和视景应用对象模型（Viewer Application object models），以及数量众多的不同的Connect库等。

2.1.3 扩展AGI插件扩展和用户接口定制

AGI在产品扩展上为用户提供了多种途径。可扩展机制可以分划分为两个方面：用户接口可扩展和计算引擎可扩展。用户接口可扩展指的是允许用户为STK定制图形用户界面（GUI）和控件，提供用户自定义的工作流程，从而使程序绑定STK程序的功能；计算引擎可扩展性选项是指STK引擎插件允许用户仅定制模型中非通用部分，而对通用部分则借力于现成商务软件（COTS software），即STK本身。

插件的优点至少包含两方面内容。首先，写一个高可信度的软件组件对大多数用户有难度。当然，最佳的情形是软件具备高可信度模型可以使用。AGI不断提高产品的可信度和可靠性持续改进产品，但其产品的开发基础往往在于聚焦通用功能，从而覆盖大多数用户需求。就问题产生的性质来说，更高可信度模型的非通用应用功能需求，仅可能在少数高级用户中存在。其次，总体说来，一个模型的非通用部分的范围很窄，因而大部分可以利用现有的通用模型。当然，如果定制软件部分的价格同时也包含了所有通用部分的费用，用户可以自己开发整个软件，但必须经过不断地测试、维护、改进和升级才能满足变化的需求。

2.1.4 开发定制程序

STK引擎可以为用户开发定制程序使用，STK用户界面不需要出现，允许用户使用自己的接口将STK功能嵌入到程序中。

2.1.5 RT3数据实时处理

STK桌面应用和STK引擎定制程序的一个共性任务是对实时处理输入的数据。AGI公司的RT3扩展软件为向STK输入实时数据的输入提供了框架。为简化实时输入数据的处理，可用直接使用STK对象模型（STK Object Model）。

RT3开发SDK包括应用编程接口API、文档，以及一套例子代码文件。RT3 SDK可通过自定义数据输入接口增强RT3拓展软件的功能，使数据处理专业化，并可预先设置显示参数。RT3 SDK还能用来分析和处理STK引擎程序以及来自AGI公司的软件部件产品线的类库的输入数据。在用户开发的程序中使用RT3需要购买用户许可证书。如果已经安装了RT3，RT3 SDK可从这里看到：Start > Programs > AGI > RT3。

2.2 利用STK引擎开发应用软件

STK为开发各种应用软件提供了两类核心库，分别是STK Object Model和Connect。通过这两个核心库，可以在用户自己开发的软件中改变STK场景和参数配置。由于两者在基于STK二次开发软件中涉及的最多，下面分别对两者作简要介绍。

2.2.1 使用STK Object Model核心库

STK对象模型（STK Object Model）是一个COM库集，包括STK Objects、STK X、STK Util，、STK ESRI Display、STK Vector Geometry Tool、和STK Astrogator等COM库，涵盖数据类型、接口、事件和表示各种STK应用程序结构的类。通过这些类库，使得开发基于STK和STK引擎定制程序变得简而易行。各种组件提供的开发工具对STK对象实现自动化控制，并在整个生命周期内实现对STK对象的管理，通过数据提供工具（data provider），执行可见性和覆盖计算，并对STK发出的事件做出响应。由于STK Object Model是建立在微软组建对象（COM）技术之上的，因此STK Object Model可用于支持COM标准的任何自动化程序开发环境。常见的开发环境包括inc .Net （Visual Basic， Visual C#， etc.）， Java， Visual C++， PowerPoint， Excel， Access，以及支持COM后绑定的脚本语言。在STK桌面应用程序和对STK X作为引擎的两种情况下，均可使用STK对象模型。

2.2.2 使用Connect核心库

Connect 模块为CS模式连接STK提供一个简单的途径。用第三方程序调用Connect核心库的函数、常量和各种消息，可建立和STK的通信连接。Connect允许重写标准消息和通知，用自己的消息格式实现和第三方软件的兼容，所以利用Connect对STK实现二次开发的程序有很好的消息环境。

在实时性上，通过Connect实现STK和3D图形通信，可实现事件的可视化实时仿真实现。举例来说，用Connect在发射和早期轨道阶段可注入实时的遥测数据，在2D和3D场景中可以对该任务实现可视化实时化仿真，协助任务执行人员理解和解决在发射阶段可能发生的问题。

2.3 STK Connect模块的使用

由于Connect提供了外部控件和STK交互的机制，在航天仿真应用程序的开发中应用很广。在外部调用STK的应用程序中，其工作机制的要点在于：在外部程序中向STK发送Connect命令实现和STK的交互。通过外部程序或者HTML网页发送Connect命令和STK交互，可采用两种方式：其一，通过TP/ICP链接经指定端口发送Connect命令，STK默认的端口为5001，当然通过Edit->Preferences菜单可修改Connect的默认参数；其二，通过COM接口向STK发送命令，这种情况下不必通过通信网络端口实现。需要注意的是，COM无法支持异步Connect命令。

在STK9.X中，在相应的安装目录下，有支持多种语言开发环境的例程可供参考，这些例程已经完成了外部程序对STK二次开发的软件环境的搭建。开发者在基本例程框架的基础上，可实现基于STK二次开发的对仿真软件实现。支持STK9.X二次开发的环境有C++/C++CLI/CSharp/HTML/Java/Matlab/ PowerPoint/，在STK系统安装文件夹下，分别由这几种语言下的二次开发例程。其中，CSharp/java/Matlab的例程较多，对CSharp而言，VS2008下有24个例程，涉及到航空航天仿真的许多方面，从简单易行角度这几种语言不失为首选。但C++语言的实时性最好，结合文件夹下部署的例程和丰富的Connect Api，可以开发出功能强大的航空航天仿真应用软件。

3 基于VS2008/MFC平台的STK二次开发

3.1 仿真软件实现

在VS2008/MFC平台下进行STK二次开发的开发步骤为：开发环境搭建、用户界面设计、通过MFC用户界面发送Connect接口指令驱动STK引擎、将STK计算结果和仿真可视化结果在用户界面展示和结果文件存盘等，本文结合STK的给定的例程说明。

3.1.1 开发环境搭建

STK9.X的C++例程是基于MFC的对话框程序，在该MFC例程框架下，已经完成了STK系统的2D和VO控件的添加以及和STK引擎交互的支撑文件的配置。在例程的工程文件中，包含了通过MFC和STK交互的基本文件和函数。具体可仔细研究阅读程序代码。

3.1.2 用户界面设计

在例程的MFC对话框界面中，已经具备了少量功能简单的控件和STK的二维地图和三维地球控件，利用MFC完备的功能通过各种控件的综合设计，可达到符合设计要求的结果。图1为本文在轨卫星可见分析和姿态仿真的界面设计，图2为卫星和仿真场景参数输入界面，图3为地面观测目标参数的录入界面。

3.1.3 Connect接口指令发送驱动软件运行

在MFC平台下向STK发送命令的函数为：m_VOControl.GetApplication（）.ExecuteCommand（"Connect_Command"），其中m_VOControl为三维地球可视控件变量，所有Connect命令均通过该方法发送至STK引擎，“Connect_Command”指Connect命令，可通过SDK获得，并以符合系统要求的格式作为发送的命令字符串。STK在接到Connect命令后，执行相应的计算并将计算结果返回或者生成结果报告存盘；同时在2D和VO空间中进行二维和三维可视化仿真显示。

3.2 软件运行结果

图4给出了在VS2008下利用MFC开发的在轨卫星的可见性分析和姿态仿真仿真软件的运行结果；图5为条带目标下，在轨卫星的可见弧段的可视化显示结果；图6为在轨卫星仿真的姿态计算结果。同时，该软件还可仿真结果输出为文本文件存入磁盘，以备后续的仿真读取。

4 结论和展望

通过对在轨卫星的可见性和姿态仿真软件的开发可以看出，在熟悉MFC程序框架、STK Connect接口指令系统和STK的专业仿真功能的基础上，在微软

公司的VS2008平台下对STK进行二次开发可完成较为复杂的航空航天仿真任务。后续的卫星在轨软件研制中，将对RT3实时数据仿真方法进行研究，以适应遥测数据作为卫星在轨仿真输入下的实时数据处理情形。

参考文献

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篇2

1970年4月24日，我国第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射成功，拉开了中国人探索宇宙奥秘、和平利用太空、造福人类的序幕。经过几代航天人的接续奋斗，我国航天事业创造了以“两弹一星”、载人航天、月球探y为代表的辉煌成就，走出了一条自力更生、自主创新的发展道路，积淀了深厚博大的航天精神。

2016年10月12日，国家国防科技工业局党组在《人民日报》刊文称，中国将力争在2020年左右实现重点突破，加速迈向航天强国；2030年左右实现整体跃升，跻身航天强国之列；2050年之前实现超越引领，全面建成航天强国。

工业和信息化部副部长、国家国防科技工业局局长、国家航天局局长许达哲说：“‘十三五’是中国航天发展的战略机遇期，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦。”从航天大国到航天强国，我们还有多少路要走？

我国距离航天强国还有多远？

航天强国有哪些具体指标？中国航天科技集团董事长雷凡培曾在接受采访时表示，航天强国的指标包括100项产品技术指标和27项经济指标。

现在，我国能达到国际先进水平的指标有三分之一。产品技术指标中，载人航天工程、月球探测等一些主要指标上，已达到国际先进水平；经济指标中，有一半的经济规模指标已达到，但人均指标仍有差距。从目前来看，“十三五”乃至未来的一段时间，我国将从重大项目、工程落地和应用层面进行布局。

在重大项目上，围绕国家重大战略需求，我国将选择重点领域，启动实施天地一体化信息网络、深空探测及空间飞行器在轨服务与维护系统、重型运载火箭等一批新的重大科技项目和重大工程。

例如，载人航天工程建成长期有人照料的空间站，开展较大规模的空间应用；探月工程实现“三步走”战略目标，嫦娥五号实现特定区域软着陆及采样返回，嫦娥四号实现人类探测器首次月球背面软着陆；高分辨率对地观测系统全面建成，为形成高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率的综合对地观测体系提供支撑；第二代北斗卫星导航系统覆盖全球，形成高质量定位、导航和授时的全球服务能力。

另一方面，加强空间科学研究，提高人类科学认知水平。充分发挥空间科学在创新、发现和技术牵引方面的重要作用，持续推进载人航天、月球探测以及空间科学先导专项等工程的科学探索，开展空间天文、空间物理、微重力、空间环境、空间生命等空间科学研究，建立可持续发展的空间科学计划，加强空间科学探索研究，在空间科学前沿领域取得重大发现和突破。

而在应用层面，商业航天发展和产业化应用是重要方向。我国将围绕国民经济建设和社会发展重大需求，完善卫星应用体系，拓展卫星应用领域，强化卫星在资源开发与环境保护、防灾减灾与应急反应、社会管理与公共服务、大众信息消费与服务等方面的综合应用。

此外，我国还将进行航天体系的体制改革。例如，推进航天科研院所分类改革和混合所有制企业改革，科学划分航天科研院所类别，坚持生产经营类院所企业化转制，推动建立现代企业制度。

构建航天新业态

雷凡培曾表示，从欧美航天产业发展历程来看，航天产业的直接投入产出比约为1：2，而相关产业的辐射则高达1：7至1：14。我国航天产业的直接投入产出比较欧美略低，相关产业的辐射可以达到1：7至1：10的区间范围。在航天的商业应用上仍有提升空间。

这样的辐射力正在吸引着地方布局商业航天产业。

2016年9月，我国首个国家级商业航天产业基地落户武汉。该基地将以发展商业航天为主导，以新一代航天发射及应用为核心，通过科技创新、商业模式创新和管理创新，打造航天运载火箭及发射服务、卫星平台及载荷、空间信息应用服务、航天地面设备及制造等四大主导产业。

复旦大学航空航天系教授孙刚认为，地方这样的探索尝试，是希望能够在航天商业发展上做出一些产品。但要想达到盈利目的，时间还比较长。

在他看来，国外之所以能出现像SpaceX公司的“猎鹰-9”完成世界首次海上回收火箭这样的实践项目，是因为技术基础较牢靠。“我们能做出一些产品，但后续的产品延保需要大量的技术保障。”

北京航空航天大学通用航空产业研究中心主任高远洋表示，从我国国情来看，吸引社会资本和减低民营企业进入航天领域门槛，也是难点和重点。因为航天航空领域往往自成体系，传统做法是进行体制内配套。未来，可以考虑在准入标准上，进行一些体制机制突破。

这也是今后的一个探索方向。例如，我国将探索推广政府与社会资本合作（PPP）等模式，鼓励和引导社会力量参与国家民用空间基础设施、卫星地面应用系统等建设运营，以及空间信息产品服务，培育“互联网+卫星应用”新业态，建立完善政府购买服务的模式，促进商业航天健康发展。空间站、探测器登月返回等国家重大航天工程将持续实施，服务经济社会发展的北斗导航、高分、海洋等众多卫星项目产生良好而广泛的经济和社会效益……当前和今后一个时期，作为产业链较全的航天大国，中国航天正迎来一个难得的发展机遇。如果能够抓住这个机遇并利用好，将加速实现我国从航天大国向航天强国的历史性跨越，包括具备全面的宇宙空间探索能力，建成完善的国家空间基础设施和航天装备体系，具备引领航天技术发展的自主创新能力，具备实力雄厚的航天国际竞争力和话语权等。

在机遇面前，一方面需要航天大型企业和研究机构不断创新，继续引领整个行业和领域发展：另一方面，也可以看到，一些新的研发机构和民营企业也对民用航天领域充满热情，并具备了跨入门槛的实力。如2015年发射的第一颗新一代北斗导航卫星，由中科院和上海市合作共建的上海微小卫星工程中心研制，采用了不同以往的卫星新平台和新技术，在性价比上比较有优势。如果能够让这些新生力量获得更多参与、成长的机会，整合到航天产业的生态链中，与大型航天企业一起合力构建起更为开放的民用航天创新生态，将为中国航天带来更广阔的创新空间。

此外，国家层面将加快推进航天法立法工作，研究制定民用航天管理条例、空间数据与应用管理条例、宇航产品与技术出口管理条例等行政法规，健全民用航天发射许可、空间物体登记等制度。研究制定国家航天政策，建立完善商业航天、国际合作、知识产权等配套政策，形成社会各类主体公平有序参与航天发展的军民融合开放局面，保障航天事业规范有序发展。

篇3

计算演化与时俱进

在原始社会，人类进行计算的方法十分简单，只需把石块放进皮袋或把贝壳串成串，就可以“一一对应”计算出需要计数的物品。后来，人们又发明了在长绳上打结记事或计数。采用这样的“结绳计数”方法，比用石块、贝壳要轻便许多。与此同时，手指计数也是当时常用的方法。至今，有些地区的少数民族还用“手”表示“五”，用“人”表示“二十”。有人研究推测，“十进制”被广泛运用，应该与手指计数大有关联。

考古工作者考证出湖南省长沙楚墓出土的几十根长约12厘米的小竹棍，就是古人用来计算的算筹，这是我国所能见到的年代虽久远的实物：而楚人也是我国古代最早使用算筹进行计算的先民。经专家研究，算筹有两种排列方式：一种是纵式，1至5为并列竖排，6至9为横竖相交，一竖一横表示6，四竖一横表示9；另一种模式则是1至5并列横排，6至9竖横相交，与纵式恰好相反。进行计算时，算筹纵横交叉使用，以十进位，零为空位。《老子》一书中讲到：“善计者不用筹策”，表明那时算筹已经相当普遍了。自春秋战国以来，使用算筹进行计算一直沿用了近两千年。除竹制之外，还有木、铁、玉石、象牙制的算筹。把算筹装在袋子里或笔筒中随身携带，这就是古人说的“算袋”或“算子筒”。唐代曾经规定，文武官员都必须备有算袋，以提高决策的科学性。我国古代数学家刘徽，用算筹把圆周率计算到3.1410。而祖冲之则更为精确地计算到小数点后第七位。

算筹在计算时需要一定的场地，特别是多位数计算占地较大，而且运算过程转瞬即逝。为了克服算筹的弊端，到了宋元时期，人们根据算筹的计算原理，发明了算盘。1366年，陶宗义著《南村辍耕录》中，最初提到“算盘”一词，并说“拨之则动”。15世纪《鲁班木经》中，很为详细地记载了算盘的制作方法。算盘以圆珠代替“算筹”，并将其连成整体，简化了操作过程，运用时更加得心应手。到了元末明初以后，珠算则逐渐取代筹算，成为通用的计算工具。在算盘中，上面的子一个代表5，下面的子一个代表1，是从算筹延续下来。算筹运算的规则和口诀，算盘也都继续沿用。从某种意义上讲，算筹可以说是算盘的祖先。利用算盘不但可以做加减乘除四则运算，还可以乘方开方。即使是多元高次方程这样高深的数学难题，利用算盘同样可以解出来。

珠算是中国的一大发明，虽然历史古老，但现在仍然具有旺盛的生命力，不但在中国如此，就是号称“电脑王国”的美国和日本，也十分重视珠算的使用和普及。美国加州的大部分小学都开设珠算课；日本人则把珠算与读书、写字并列为国民应当具有的基本技能。现在，一种新型的电子算盘已经问世，它把算盘与电子计算器的长处集为一体，是一种中外结合的新型计算工具。

齿轮计算风光显赫

1520年，英国人甘特发明了计算尺，运用到一些特殊的运算中，既快速又省时。到了1642年，法国数学家巴斯嘉制造出世界上最早的手摇计算机。它用一个个齿轮表示数字，以齿轮间的咬合装置实现进位，低位齿轮转十圈，高位齿轮转一圈。经过逐步改进，它既能做加、减法，又能做乘、除法，运算操作也更加简捷、快速。1878年，瑞典发明家奥涅尔制造出一种利用齿数可变功能进行演算的手摇计算机。这种计算机的主要特点是，利用齿数可变的齿轮代替阶梯形轴。其中，字轮与基数齿轮之间没有中间齿轮，数字直接刻在可变齿轮上，并在外壳窗口中加以显示。

到了19世纪80年代，各种机械计算机陆续采用键盘置数的办法。这种计算机在进行除法运算时，要注意听信号铃声，当减去除数的次数过头时，就会响铃，提醒操作者将多减的次数补回来。1905年，一位名叫加门的德国人，在键盘置数的计算机中采用了“比例杠杆原理”，使计算机在操作时产生的噪声很小，做除法运算时也不用专心注意铃响，逐渐成为一种广为流传的机械计算机。1936年荷兰飞利浦公司制造出一种二进制手摇机械式计算机。由于结构简单，操作方便，在20世纪二三十年间一度成为非常重要的计算工具。

用手摇作为动力的机械计算机，应用范围十分广泛。它能够进行四则运算、平方数、立方数、开平方、开立方，还可以输入三角函数和对数。我国第一颗原子弹的研制，就曾使用这种计算机来进行数据计算。不过，手摇计算机也有不足，比如计算的数据中有括号就比较麻烦，需要正摇几圈，反摇几圈，重复多次；另外还要用纸笔记录，既费时又费力。20世纪70年代，使用晶体管和数码管的计算器出现以后，手摇计算机就退出了历史舞台。

超级电脑前景广阔

1946年初，美国宾夕法尼亚大学厄克特博士和物理学家毛希利博士研制成功世界上第一台电子计算机。这是一种根据一系列指令对数据进行处理的机器，俗称“电脑”。

电子计算机的种类繁多，但总体上都是处理信息数据的工具。随着科技的飞速进步，新一代计算机出现之后，在性能上总是要明显超过前一代。早期计算机的体积足有一间房屋大小，而今天某些嵌入式计算机可能比一副扑克牌还小。小型的、为个人应用而设计的计算机被称为微型计算机，简称微机。我们日常使用“计算机”一词时，通常大都是指这种计算机。当然，在特别的科学计算或面向大型组织的事务处理中，依然有大量体积庞大的计算机在工作着。

我国国防科技大学研制的“天河一号”超级计算机，其峰值运算速度为每秒4700万亿次。“天河一号”运算1小时，相当于全国13亿人同时计算340年以上；“天河一号”运算一天，相当于一台主流微机运算620年的总和。

超级计算机又称高性能计算机、巨型计算机，是世界公认的高新技术制高点和21世纪最重要的科学领域之一。1994年，美国航空航天总署的戈达德太空飞行中心的科技人员，建造了世界上第一组个人台式电脑机群超级计算机。现如今，超级计算机已成为研究全球气候变化、高能粒子、天体变化、核反应等的关键工具。日本开发的“地球模拟器”超级计算机可提供全球性天气预报。在运行过程中，该计算机需要将地球表面分割为许多大约10平方千米的区域，这样就需要处理5000多万套大气及海流的变化数据。为了对这些数据进行及时处理以做出天气预报，以往需要数千台计算机处理器来进行共同运算，而该台超级计算机完全可以独自担当重任。

科学家通过超级计算机揭示了黑洞质量之谜。在大约1亿年的时间里，黑洞质量不断增长，将更多气体燃料吸引到自己身边，气体在向黑洞靠近时变得更热、更明亮。这样，融合后的星系核就成了一个类星体。按照超级计算机的模拟结果，大黑洞在经历称为“类星体”的成长阶段时，周围炽热的气体物质会爆发，产生一股强大的宇宙风，将绝大部分气体尘云从黑洞附近乃至整个星系里刮走，抛入深空。放完这个巨大的“宇宙焰火”之后，黑洞没有了“食物”，质量不再增长。

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关键词：并行计算机架构；虚拟设备；抽象设备；操作系统；多核心结构

中图分类号：TP332文献标识码：A文章编号：1007-9599 （2011） 24-0000-03

The OS Model Study Based on Parallel Computer Architecture

Zhao Xiangwen

（Fujian Institute of Information Technology,Fuzhou350003,China）

Abstract:The parallel computer is a new computer architecture,data exchange network for the entire structure of the center,this article is to provide a parallel computer model of the new operating system,the system has multi-core structure and support QoS features.In the article,the overall structure and some important issues,such as the definition of the virtual device,the host operating system interacts with abstract devices,and operating system design issues such as the QoS during a detailed discussion of exploration,so that the OS model able to give full play to the performance of parallel computers.

Keywords:Parallel computer;Virtual device;Abstract devices;Operating system;Multi-core structure

一、引言

从20世纪40年代开始的现代计算机发展历程可以分为两个明显的发展时代：串行计算时代、并行计算时代。每一个计算时代都从体系结构发展开始，接着是系统软件（特别是编译器与操作系统）、应用软件，最后随着问题求解环境的发展而达到顶峰。并行计算（Parallel Computing）是一种为了解决同时使用多种计算机资源解决计算问题的过程。为执行并行计算，计算资源应包括一台配有多处理机（并行处理）的计算机、一个与网络相连的计算机专有编号，或者两者结合使用。并行计算的主要目的是快速解决大型且复杂的计算问题。此外还包括：利用非本地资源，节约成本使用多个“廉价”计算资源取代大型计算机，同时克服单个计算机上存在的存储器限制。因此，针对未来个人机、工作站的实时多媒体应用，人们设计了信息的计算机体系架构――并行计算机.并行计算机在以下几个方面优越于传统计算机：（1）并行计算机以高速交换网络为中心，消除了传统计算机总线结构，以主存为中心所造成的通信瓶颈。（2）传统计算机因为采用集中式控制带来的控制瓶颈问题，在并行计算机中分散控制策略的运用得到了解决。（3）并行计算机可以进一步优化系统，而传统计算机不可以。

目前在不同的应用领域，诸如银行、超市和电力等，设计不同的体系结构则需要不同的操作系统与之相匹配，以便操作起来更加的方便可靠，达到最佳的性能。因此为并行计算机这个新型体系结构设计一种新型的操作系统是必需的。针对并行计算机的结构特点，本文提出了一种操作系统模型，该模型的特点是：能够提供QoS服务，多核心。并且本文还对设计模型过程中所遇到的问题进行了讨论。

二、并行计算机架构模式

随着时代的发展，计算机技术大规模的发展，并行计算成为人们设计计算机操作模型的热点技术。并行计算机用高速交换网络代替主存成为系统架构的中心，计算机中各部件之间通过各种协议在这个中心完成数据交换和设备控制。在并行计算机中，各部件运用客户/服务器交互模式进行通讯。在这种通讯方式下，设备管理任务大部分由该设备对象来处理，不需要经过CPU，从而使CPU主要对核心的操作系统程序及应用程序进行运作，减轻了CPU的负担。而且，并行计算机为每个设备所属的硬件对象分配了不同的处理单元和抽象设备，明确划分了各设备对象的功能，促使系统内各部件之间的通讯量减少。再加上交换网络的高带宽支持了多路并发通信，不管是设备与设备之间还是设备与CPU之间都可以同时传递信息，使得各部件高速的并行运作，因此传统计算机的通信瓶颈在这里是不存在的。另外，并行计算机的这种通信模式不仅提高了系统的总体性能，而且为现代微内核等操作系统模型提供了硬件上的支持。

三、并行计算机OS模型

与传统的计算机架构相比，并行计算机所具有的特点，使传统的操作系统模型已经不能满足并行计算机，因此为了能够充分发挥并行计算机的硬件性能，提出了并行计算机操作系统模型。

（一）并行计算机OS的体系架构

从以上的描述发现，并行计算机与分布式的架构模式有相似之处，因此并行计算机的操作系统在某些方面可以借鉴分布式操作系统。但是分布式系统的每个设备都有一个完整的操作系统，该系统不仅有处理和存储的能力，也具有一定的计算能力，但是需要对计算任务进行分配和操作。并为用户提供一个统一的操作界面，其多核心系统的实质被掩盖。反观并行计算机，交换网络网络中每个节点只能进行处理和存储。从功能上看，各个设备节点主要完成一定的设备管理功能，如设备控制，存储器管理，进程调度，协议处理等功能。但是计算机系统内的计算功能仍由主机来实现，各设备要为主机应用程序提供服务。因此各设备节点的管理程序可以看作一个面向专用控制的简化了的操作系统，这里我们称之为设备操作系统。由此，根据并行计算机与分布式架构模型的相似与区别，在目前已有的分布式操作系统的基础上，提出适合并行计算机的操作系统。

根据并行计算机架构的特点，我们提出了一种基于并行计算机架构的多内核OS模型，该操作系统将交换网络上的接点分为两类：主机对象和抽象设备对象。主机对象的最底层是操作系统中的主内核，它完成进程调度，存储器管理，通讯接口及协议处理的功能以及主机资源管理功能。主内核上面是I/O设备对象接口，主机通过该接口调用相应设备对象的服务，也可以向该设备对象传递信息。再往上是系统服务层，传统计算机操作系统提供的系统服务由该层实现。最顶层是应用程序。在并行计算机中，为用户提供操作系统界面由主机对象产生。

这种结构在应用接口上使并行计算机与传统的单机操作系统保持良好的兼容性能，使得传统的应用程序对用户逻辑独立，让用户感觉到是透明的一般，无需考虑多个计算机并行工作。

设备对象具有独立的设备操作系统，很高的自治性，该操作系统运用在设备上的存期起和处理器，设备操作系统在功能上与传统操作系统中的设备驱动程序类似，但它支持多用户并发访问，QoS等多种新特征。

并行计算机的操作系统模型按设备类别对设备对象的功能及接口加以规范，从而引入抽象设备的概念。抽象设备由下一节详细阐述。

（二）模型相关抽象设备

抽象设备可以看作是面向对象方法中的一个类，该类抽象、标准化并行计算机中设备对象的功能及接口，抽象设备对象是抽象设备的一个实例。在并行计算机中，设备对象被称为抽象设备对象。抽象设备也有面向对象的三个特性：（1）封装性。并行计算机系统中设备控制软件被抽象设备设备控制软件被抽象设备运用面向对象的方法封装起来，使其功能独立，并对外提供标准化操作接口。（2）继承性。由于抽象设备可以继承和派生，从而使软件具有很好的向下兼容性，拓展性以及易于设备升级。（3）多态性。抽象设备为每个用户请求生成一个服务实例，并行计算机根据各个设备具有不同的功能，将计算机的设备分为不同的类，不同的类别具有不同的调用接口。操作系统通过对不同接口的调用来控制设备对象，不关心对象内部的实现方式和类别。这样，不仅简化了操作系统的操作，而且在设计方面只需要对接口进行设计相应的软件，简化了对设备对象的设计。不同的服务实例所进行的操作不同，得到的结果也不同。而且抽象设备支持多个服务并发执行，在同一个设备上不同的服务实例可以并发执行相应的操作，缩短了设备响应时间。另外，系统为每个抽象设备对象分配了一个非主内核，在灵活性，功能性和执行效率方面都比传统的设备驱动软件好。

但是抽象设备与智能I/O设备还是有所差别的。智能I/O设备也是通过交互接口实现设备的智能功能，但是其调用级别是设备控制级的，并且其采用的通讯方式是存储器映射方式，它的功能在灵活性和复杂性方面要差于抽象设备。

在设计并行计算机的过程中，该操作系统模型主要将以下几类设备设计为抽象设备：（1）磁盘：该设备主要包括磁盘、软盘等随机的块存储设备。（2）终端输入设备：该设备主要包括诸如键盘、鼠标等输入设备。（3）网络设备：该设备主要包括网络适配器，在操作系统设计过程中，我们将网络设备器设计为抽象设备，这样不仅可以完成网络设备驱动功能，而且可以使网络协议栈直至网络层的部分放在该对象上实现，大大的减轻主CPU的负担。（4）音频处理设备：音频处理设备设计成抽象设备可以使其完成音频数据的处理。（5）视频处理设备：完成显示设备的输出控制，并且还可以将其功能扩展，如复杂图像图形的处理功能等等。

（三）主机OS与抽象设备的交互方式

并行计算机是由一组处理单元和抽象设备组成的，这组处理单元和抽象设备通过相互之间的通信与协作，以更快的速度共同完成一项大规模的计算任务。因此，并行计算机的两个最主要的组成部分是处理单元和抽象设备的通信与协作机制。并行计算机体系结构的发展也主要体现在计算节点性能的提高以及节点间通信技术的改进两方面。主机操作系统通过消息传递的方式可以与各个抽象的设备对象进行通信。在操作系统的系统服务层存放着一张表格，该表可以记录着各个设备对象的接口号，并且记录对这些接口进行操作的各种控制命令。通信过程可以分为发送信息和接收信息两步，（1）发送信息。应用程序向操作系统提出I/O请求，经过系统服务层的处理，将相应的操作命令及用户所需要的数据提交到操作系统内核，内核对其进行封装，再依照通信协议，对封装后的信息简单处理后发送到系统内部的数据交换网上。（2）接收信息。数据包被相应的设备对象接收后，先执行通信协议，再进行解封装将获得的操作命令和数据传送向抽象设备服务器，由服务器来调用相应的设备驱动程序，由设备来完成相应的操作。

主机操作系统与设备对象进行交互，可以采用客户机/服务器模式，该方式的交互方式主要基于以下两种控制方法：远端脚本执行方式和基于抽象设备命令接口的远端过程调用方式，下面就这两种方法加以详细的解释：

远端脚本执行方式：在并行计算机中，除了可以用命令原语执行抽象设备控制外，还可以采用生成远端执行脚本的方式对设备对象进行控制操作。远端脚本执行方式设计的目的主要是为了使面向I/O的计算机能够在智能I/O设备上进行交互操作，从而可以大大的减少不必要的主机处理，很大程度上降低了系统内的通信量。在并行计算机系统中，主机系统和抽象设备是工作在不同的环境中，难以完成针对设备对象的可执行程序进行编译工作，因此在本文的并行计算机模型中我们提出了远程脚本执行方式进行交换控制。并行计算机抽象设备的脚本语言可以针对每一类的抽象设备独立进行设计，语言规范程度高，仅采用了简单的数据类型和数据结构，支持最基本的程序结构和面向对象设备的操作控制命令，非常简便实用。

基于抽象设备命令接口的远端过程调用：运程过程调用是由施乐公司Birrel等人共同提出，后来又经过Sun微系统公司精炼凝集，目前已经成为一项互联网标准。远程过程调用广泛应用于互联网络和方不是系统中，许多典型的分布式操作系统，比如Amoeba、Mach、Chorus和DCE等，都采用了远程过程调用作为分布式应用程序的通信机制。在本文的基于并行计算机架构的操作系统设计过程中，由于各个抽象设备的关联对象已经向主机对象共不了其控制接口，这些接口包括诸如可供调用的方法声明等，因此可以采用远端并行计算机中的远端过程调用方法，实现控制抽象设备的目标。

四、并行计算机OS的QoS模型

（一）QOS模型

QoS是指计算机、网络等设备的服务质量，其是网络应用的一种安全机制，它可以用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。在网络正常情况之下，如果网络只用于特定的无时间限制的操作系统或者是应用系统，并不需要QoS。但是对关键应用和多媒体应用就十分必要，比如当网络过载或拥塞时，QoS能确保重要业务量不受延迟或丢弃，同时保证网络的高效运行。

通常QoS提供以下三种服务模型：

1.Best-Effort服务模型是一个相对比较单一的服务模型，也是QoS相关模型中最简单的一个服务模型。对Best-Effort服务模型来讲，网络尽最大的可能性来发送报文。但对时延、可靠性等性能不提供任何保证。Best-Effort服务模型是网络的缺省服务模型，通过FIFO队列来实现。它适用于绝大多数网络应用，如FTP、E-Mail等。

2.Int-Serv服务模型是一个相对比较复杂的综合服务模型，它可以满足大部分应用程序的QoS需求。该模型再设计和开发过程中使用资源预留协议（RSVP），RSVP运行在从源端到目的端的每一个相关设备上，其可以监视每个流，这样就可以防止某个应用程序消耗过多的资源。这种体系能够明确区分并保证每一个业务流的服务质量，为网络提供最细粒度化的服务质量区分。但是，Inter-Serv模型对设备的要求很高，当网络中的数据流数量很大时，设备的存储和处理能力会遇到很大的压力。Inter-Serv模型可扩展性很差，难以在Internet核心网络实施。

3.Diff-Serv服务模型是一个多服务模型，它可以满足不同的QoS需求。其不同与Int-Serv服务模型，它不需要通知网络为每个业务预留资源。其区分服务实现过程简单，并且具有良好的扩展性。

在我们进行研究的系统架构中，由于其基于并行计算机模型，各个设备具有独立的功能，减少系统内信息传递，缩短了应用程序的执行时间，并且CPU对应用程序高响应比的特点，使该架构在实时多媒体方面具有良好的应用前景。因此，我们需要使设计出得操作系统能够支持实施多媒体技术，特别是要提供对应用程序的服务质量QoS保证。

（二）并行计算机的QoS模型

为了确保在运行各种实时、多媒体应用程序和网络应用程序能够及时的获得其所需要的资源，在设计操作系统时需支持服务质量保证――QoS，为用户提出的各种服务提供相应的质量保证。当某个系统服务被用户申请时，用户需给出相应的QoS要求，操作系统根据现有空闲资源情况与用户进行协商，最终达成QoS协议，系统为用户保留已协定的相关资源。

传统的QoS模型是建立在两个基本假定上的，一是主机上的QoS管理器具有所有资源使用状况的记录；二主机系统统一管理I/O设备。该模型描述如下：应用程序将QoS描述发送到QoS管理器，QoS管理器将描述翻译为相应的QoS参数，并查看记录，确定空闲资源是否能满足该QoS的要求，若能够满足，则QoS管理器与应用程序签订契约，并把QoS参数递交给动态资源管理器，由管理器把具体的资源预留或分配给应用程序。若不能满足，则需向应用程序发送否定消息。但是，在并行计算机系统中，每个设备都是独立的，主机不能直接对设备记性管理，这样上面提到的假定就不成立，那么传统的QoS模型就不能实现。因此，本文提出了一种新型的操作系统QoS模型。

在本文所提出的模型中，各个设备对象都拥有一个QoS服务器，该服务器完成QoS管理和资源分配工作。QoS管理器不再对QoS描述进行处理，而是把该描述分解后转发到相应的设备对象的QoS服务器，由服务器处理相应的QoS请求，然后将结果返回到QoS管理器进行汇总，管理器将汇总后的结果返回给应用程序。

五、结束语

并行计算的优点是具有巨大的数值计算和数据处理能力，能够被广泛地应用于国民经济、国防建设和科技发展中具有深远影响的重大课题，如地震预测和预报、石油勘探、气候模拟和大范围天气预报、核武器系统的研究模拟、新型武器设计、天体和地球科学、卫星图像处理、航空航天飞行器、实时电影动画系统及虚拟现实系统等等。随着时代的发展，计算机系统架构也在快速的更新换代。本文所设计的操作系统是为了满足并行计算机架构对操作系统的需求。本文所设计的系统满足以下几个特点：（1）多核心；（2）设备管理系统被封装，使抽象设备具有独立的功能；（3）设计新型的QoS服务，以符合并行计算机架构的需求。该操作系统的设计，使并行计算机的硬件性能充分发挥出来，智能化、实时多媒体的需求得到了满足。

参考文献：

[1]王邦千.计算机操作系统体系结构综述[J].达县师范高等专科学校学报,2005,5

[2]任爱华,杜悦冬.一种实时多处理机操作系统开发方法[J].计算机工程与应用,2001,3

[3]邓化国.分布式多处理机系统的结构及应用[J].中国民航学院学报（综合版）,1995,1

[4]杜悦冬,任爱华.基于OOPN的多处理机操作系统设计与实现[J].计算机工程与应用,2001,12

[5]任爱华,杜悦冬.基于Petri网结构的多处理机实时操作系统[J].软件学报,2001,7

[6]李之棠,赵振龙,黄辉龙,李非.并行计算机系统结构及其I/O性能评价[J].计算机工程与科学,2002,4

[7]高蕾.计算机网络操作系统结构与功能分析[J].中国科技信息,2005,10

[8]高尚民,胡铭曾,季振洲.SPMD并行计算机系统中互连结构的模拟研究与实现[J].宇航学报,2006,1

[9]屈婉霞,蒋句平,汪审权,窦勇,徐荣生.并行计算机系统调试技术研究[J].计算机工程与科学,2000,3

[10]胡凯.网络分布式并行计算的负载平衡[J].北京航空航天大学学报,2004,11

篇5

追溯“治未病”一词的学术渊源可到春秋乃至周代的多种文献。如《周易》云：“水在火上，既济。君子以思患而预防之”，反映了防患于未然的思想；《国语・楚语》曰：“夫谁无疾患？能者早除之……为之关藩篱而远备闲之，犹恐其至也，是之为日惕。若召而近之，死无日矣”，强调了早期治疗，防止转变的重要性。“治未病”一词在医书中则首见于《黄帝内经》。《黄帝内经》在总结前人养生防病经验的同时，注意吸收古代哲学中未雨绸缪、防微杜渐的先进思想，初步奠定了“治未病”学说的理论基础。《黄帝内经》中“治未病”的含义主要有三：一是摄生防病，如《素问・四气调神大论》曰：“从阴阳则生，逆之则死，从之则治，逆之则乱，反顺为逆，是为内

格……是故圣人不治已病治未病”。二是欲病早治，如《素问・刺热篇》云：“肝热病者左颊先赤……病虽未发，见赤色者刺之，名曰治未病”。三是早期治疗，如《素问・八正神明论》曰：“上工救其萌芽”等。《难经》提出了“治未病”的又一重要涵义，即治未病的脏腑。《七十七难》曰：“所谓治未病者，见肝之病，知肝传脾，当先实脾”。张仲景则将前人“治未病”思想融合，并在临床实践中予以发挥，使“治未病”思想贯穿于《伤寒杂病论》的始终。“治未病”理论发展至今天，又赋予其许多新的含义。如体质学说的研究认为：每个人先天体质有异，是引起不同证型的基础，今人匡调元提出两纲八要辨体质[1]。笔者曾提出在“治未病”理论的指导下对中医的无病有证进行积极的治疗，已达到治病于初始、消病于萌芽之目的[2]，并且进一步提出建立“亚疾病”概念，以推动“治未病”理论的深入发展[3]。

2 “治未病”理论的内涵

“治未病”虽然语言简要，但实际上这一词从提出到发展进而形成理论体系，其中包含了科学的辨证观，并给予人们揭示疾病本质的提示。自然辩证法认为，任何事物都是循序渐进、由微至著发展变化的，这是事物发展的必然规律。以疾病而言，任何疾病的发生发展都不可能是突然而起的，它必然要经过或短或长的隐伏阶段。也就是说，病理变化的信息量必须经过一个“蓄积”过程。当病变信息量较少时，人体一般从外观上难以看出明显的变化，感觉不到异常症状。随着信息量逐渐增多，可以表现出轻微的症状，这时虽有不适，但对人影响不大，常被忽略。目前的检测手段也常反映不出其异常变化，直至病变严重，才引起明显的全身或局部的典型症状，并且有客观数据可以检测，这时才是人们所说的“发病”，成为临床可以诊断治疗的疾病[4]。而“发病”前的全部状态均归属于“未病”阶段。显然这个未病阶段实际上不仅包括无病的健康阶段，还包括疾病的早期阶段、隐伏阶段。目前已基本得到公认的“未病”形态有四种，它们是健康未病态、潜病未病态、前病未病态、传变未病态。这四种未病形态充分体现了唯物主义的辩证思想[5]。“治未病”理论的精髓包含着三个方面的意义：一是防病于未然，即是未病之前先要预防，主要针对的是健康未病态。二是治病于初始，即是已病早发现、早治疗，主要针对的是潜病未病态、前病未病态。三是既病防传变，即是已发病后要重视未病脏腑的治疗，主要针对的是传变未病态[3]。我们称“治未病”为理论，更有学者进行研究而形成未病学，将其推至更高的地位，不仅是因为它包含着科学的辨证观，更因为它给临床实践赋予了真实的内容，并对临床实践起着重要的指导作用[6]。

3 “治未病”理论对飞行人员健康疗养的指导意义

3.1 飞行人员健康疗养的目的。飞行劳动是脑力劳动与体力劳动相结合的一种复杂而特殊的劳动，飞行人员的身心健康水平是安全飞行的前提和保证。飞行人员每年进行一次健康疗养，其目的在于早期发现和及时治疗疾病，以维护飞行人员的健康水平，增强体质并延长飞行年限，同时采取一切有利于调整生理、心理的不平衡状态的手段，达到预防疾病发生或抑制病理过程发展的目的；采取一切有利于消除飞行疲劳的手段，达到提高飞行耐力，提高工作效率的目的。飞行人员健康疗养期间，不仅实施体格检查与健康鉴定，对疾病及时进行矫治，而且还要实施航空生理训练、体育锻炼、文化娱乐活动等，并进行心理保健、合理的膳食营养及生活管理等。由此可见，飞行人员的健康疗养不仅注重疾病的早期发现、早期矫治，更注重未发现疾病时的预防和保健。

3.2 用“治未病”理论指导飞行人员健康疗养。

3.2.1 始终贯彻预防为主的思想。

即使是健康未病态也要积极的预防和调理，在充分利用各种疗养因子和落实各项疗养措施外，结合中医体质学的观点，辨证分类，给予不同的预防调理方案。

3.2.2 落实治病于初始的方针。一是积极治疗潜病未病态、前病未病态。健康疗养的飞行人员是一个身体相对健康的群体，除少数飞行人员有较轻的慢性疾病外，多数飞行人员的身体无疾病诊断。但是，由行劳动的复杂性及特殊性，许多飞行人员不同程度地存在身体上的自觉不适症状，或并无不适症状，但舌象、脉象却已出现异常改变，处于潜病未病态、前病未病态。这些多数属于中医的“无病有证”。 “无病”是指未达到目前有据可依的疾病诊断条件，“有证”是指中医“四诊”资料中可以找到异常证据，并据此可以辨证。笔者曾经观察过健康疗养的飞行人员的中医证型，结果表明，完全符合中医健康标准的飞行人员仅占健康疗养的飞行人员的19.3%，另外80.7%的飞行人员均患有慢性轻病或处于无病有证的状态。证型中主要有气虚、阴虚、血虚、肝郁气滞等型。气虚型以脾气虚为主，分中气不足、肝郁脾虚、脾虚湿盛等[7]。中医辨证靠的是望、闻、问、切。中医治疗以辨证为依据，在有可依的现代指征的情况下可参照指征，无可依的现代指征时仍能据证给于治疗，驱邪扶正，平秘阴阳，使身体趋向于健康未病态。因此对于健康疗养的飞行人员，除心理调适、体能训练、合理膳食等之外，还应运用中医的方法积极治疗潜病未病态、前病未病态。

二是时刻注重强肾健脾。肾为先天之本，肾气充盛能够提高人的应急应变能力和抗御外邪能力，脾为后天之本，脾气实则四肢肌肉有力并能充养先天肾。处于未病四种形态的飞行人员都应该时刻注重强肾健脾，以便进一步提高飞行人员健康疗养的质量，更好地达到增强体质，消除飞行疲劳，提高飞行耐力的目的。

3.2.3 用“既病防传变”思想指导飞行人员疾病矫治。要克服脏病治脏，腑病治腑的错误，积极治疗传变未病态。在飞行人员疾病矫治中，不仅要重视已病脏腑的治疗，更要在中医理论指导下重视相表里脏腑、将传变脏腑以及有生克制约关系脏腑的调治，以提高飞行人员疾病矫治的效果。

总之，用“治未病”理论指导飞行人员健康疗养，使“未病”的预防保健和治疗都具有了真实的内容，特别在尚未能确立客观诊断依据的初期，充分发挥中医辨证论治的优势，使中医能在疾病的更早阶段介入治疗，达到“治未病”之目的。把“治未病”理论引入飞行人员的健康疗养中，将减少飞行人员疾病的发生，提高飞行人员的健康水平，有利于消除飞行疲劳，达到提高飞行耐力，提高飞行工作效率的目的。

参考文献

1匡调元.两纲八要辨体质新论.中医药学刊，2003，21(1)：108-110

2王红梅.小议无病有证.中医杂志，2003，44(增)：123-125

3王红梅.“治未病”理论的临床研究与应用探微.中医药学刊，2004，22(9):1671-1672

4龚婕宁.“治未病”理论的超前性与临床滞后的改变.中医药学刊，2003，21(1)：132-1332

5宋为民，罗金才.未病论[M].重庆：重庆出版社，1994.38

6王伟，陈可冀.中西医结合临床研究的思路与方法.中国中西医结合杂志，2000，20(2)：136-137