作者 | Vincent，Gary，Jerald

01 QNX介紹及歷史

      QNX成立于1980年，是全世界第一個(gè)類(lèi)UNIX的符合POSIX標準的微內核的硬實(shí)時(shí)操作系統，在過(guò)去的幾十年中廣泛的應用在汽車(chē)、工業(yè)自動(dòng)化、國防、航空航天、醫療、核電和通信等領(lǐng)域，提供以嵌入式操作系統為核心的中間件和基礎軟件解決方案。在上世紀七十年代末，QNX的兩位創(chuàng )始人Gordon Bell和Dan Dodge根據大學(xué)時(shí)代的一些設想寫(xiě)出了一個(gè)能在IBM PC上運行的名叫Quick UNIX的系統，后來(lái)改名為QNX并于1980年正式發(fā)布，歷經(jīng)幾十年的演進(jìn)，QNX公司于2004年10月被哈曼集團以1.38億美元收購，作為哈曼的一個(gè)事業(yè)部經(jīng)營(yíng)了六年。2010年04月，黑莓以2億美元從哈曼處收購了QNX，一同被打包收購的還有哈曼下屬的一個(gè)位于溫哥華的叫Wavemaker的音效部門(mén)，也就是現在QNX acoustic方案的前身。QNX這個(gè)成立于加拿大渥太華的公司，在被美國哈曼買(mǎi)走6年后又重返加拿大，作為黑莓核心部門(mén)IOT技術(shù)方案事業(yè)部的最重要組成部分，承擔黑莓業(yè)務(wù)中操作系統汽車(chē)基礎平臺軟件、數據安全、物聯(lián)網(wǎng)IOT及云計算和專(zhuān)利部門(mén)等重要業(yè)務(wù)內容。

      在汽車(chē)領(lǐng)域的高性能處理和功能安全的交叉子域中，QNX是全球最大的商用操作系統提供商。自1999年進(jìn)入汽車(chē)領(lǐng)域至今，QNX緊隨并引領(lǐng)了汽車(chē)電子嵌入式軟件領(lǐng)域的發(fā)展潮流和趨勢熱點(diǎn)，在多類(lèi)重要的軟件平臺上均布局了前瞻性戰略產(chǎn)品，為全球一線(xiàn)汽車(chē)供應商和制造商提供先進(jìn)的基礎軟件和網(wǎng)絡(luò )安全技術(shù)，被廣泛應用于高級駕駛輔助系統、基于虛擬化技術(shù)的智能數字座艙系統，智能網(wǎng)聯(lián)模塊、智能網(wǎng)關(guān)、高性能計算平臺及信息娛樂(lè )系統等汽車(chē)電子的子系統中。據知名獨立調研公司Strategy Analytics在2022年初的統計，全球已有超過(guò)2.15億輛汽車(chē)搭載BlackBerry QNX軟件，平均每年新增2000萬(wàn)臺搭載黑莓QNX的基礎軟件的智能汽車(chē)進(jìn)入全球市場(chǎng)。

      到目前為止，世界上幾乎所有的主機廠(chǎng)都采用了基于QNX操作系統的軟件技術(shù)。全球top 25家電動(dòng)汽車(chē)廠(chǎng)家，其中24家在使用QNX的軟件操作系統，例如，中國的小鵬汽車(chē)自動(dòng)輔助駕駛系統Xpilot3.0和Xpilot3.5基于QNX通過(guò)TUV萊茵ISO26262 ASIL D功能安全的硬實(shí)操作系統，合眾新能源汽車(chē)的哪吒S采用QNX Hypervisor打造其全新科技感智能座艙，并在其全棧自研的TA PILOT 3.0智能駕駛系統中搭載QNX OS for Safety操作系統，實(shí)現多種場(chǎng)景下的智能輔助駕駛，又如零跑汽車(chē)在其量產(chǎn)的第三代高端純電SUV—零跑C11和智能純電橋車(chē)C01中均采用了QNX Neutrino實(shí)時(shí)操作系統和QNX Hypervisor，旨在為中國消費者帶來(lái)更個(gè)性化與舒適的駕駛體驗。除此之外，高合即將發(fā)布的豪華純電超跑HiPhi Z的自動(dòng)輔助駕駛平臺使用的是英偉達Orin-X芯片和 QNX 嵌入式硬實(shí)時(shí)操作系統。

      時(shí)代周刊曾在2016年對QNX評價(jià)為“QNX對于汽車(chē)來(lái)說(shuō)就像微軟對于電腦一樣”，詮釋了QNX在汽車(chē)領(lǐng)域的基礎軟件操作系統地位以及深度的覆蓋率。

02 QNX特點(diǎn)

• QNX是嵌入式硬實(shí)時(shí)的微內核操作系統

         有硬實(shí)時(shí)、微內核、模塊化、弱耦合、分布式的特點(diǎn)，從1980年誕生之初就是基于SOA架構設計，基于Client-Server的模型，具體表現為:

1. 硬實(shí)時(shí)：任何切換時(shí)間和中斷時(shí)延速度快，所有的任務(wù)響應均為確定性deterministic行為。

   
   

2. 微內核：除調度、進(jìn)程管理、中斷及操作系統核心的功能外，其余部分都處于用戶(hù)態(tài)，包括驅動(dòng)、協(xié)議棧、文件系統及功能模塊等。

   
   

3. 模塊化：操作系統的各個(gè)功能單元都模塊化設計，內存保護，并且相互隔離，可按照需要動(dòng)態(tài)加載或卸載，基于消息機制通信，按照Client-Server的架構設計。

   
   

4. 弱耦合：模塊與模塊之間互不影響，都在獨立的虛擬地址空間運行。

   
   

5. 分布式：局域網(wǎng)內的QNX系統對于用戶(hù)角度可以認為是一臺QNX系統，資源可以復用。

• QNX是類(lèi)UNIX操作系統

       遵循POSIX的最高級別PSE54標準（注：POSIX標準有四個(gè)等級PSE51, PSE52, PSE53和 PSE54, 在RTOS實(shí)時(shí)操作系統的世界里，只有QNX操作系統是PSE54標準的，因為QNX誕生之初就是類(lèi)UNIX系統按照POSIX標準編寫(xiě)），因此基于開(kāi)源的應用程序以及一些開(kāi)源的中間件都可以無(wú)縫的移植到QNX系統之上。QNX Microkernel和Process Manager組成QNX最小系統Procnto，其他如驅動(dòng)程序、協(xié)議棧、文件系統、應用程序都作為一個(gè)獨立的模塊運行在QNX系統之上。

• QNX是功能安全和信息安全的操作系統

       QNX通過(guò)功能安全TUV萊茵ISO 26262 ASIL D最高等級道路車(chē)輛最高功能等級安全認證，包括QNX 操作系統、QNX Hypervisor虛擬化和Graphic Monitor圖形監控子系統以及QNX IPC通訊機制black channel，同時(shí)黑莓是網(wǎng)絡(luò )信息安全標準ISO/SAE 21434 委員會(huì )基礎軟件組唯一成員。

• QNX其他特性

1. QNX調度算法及策略

      QNX調度算法有很多種，本質(zhì)上基于優(yōu)先級搶占式。QNX的線(xiàn)程優(yōu)先級是一個(gè)0-255的數字，數字越大優(yōu)先級越高。在QNX上有三種基本調度策略，可以單獨使用也可以組合使用，包括基于時(shí)間片輪詢(xún)Round Robin、優(yōu)先級搶占式FIFO和基于時(shí)間Budget的Sporadic算法。同時(shí)QNX還提供APS自適應分區調度算法，在CPU滿(mǎn)負荷的場(chǎng)景下保證低優(yōu)先級的任務(wù)有調度的機會(huì )，不被“餓死”。

2. QNX IPC通訊機制

      QNX除了支持Native的IPC機制如Massage passing、Signal等，同時(shí)還提供POSIX標準的IPC例如MessageQ、Piple、Shared Memory等IPC通訊方式，多種IPC方式供用戶(hù)在不同的應用場(chǎng)景下進(jìn)行選擇。

3. QNX 的IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

      QNX提供基于Eclipse的Momentics IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，供用戶(hù)進(jìn)行基于以太網(wǎng)Software GDB的代碼級的編譯調試或系統性能分析，可實(shí)時(shí)以圖形化的方式，查看進(jìn)程資源、系統日志、CPU占用情況，內存使用情況，進(jìn)程間通信以及Coredump等。

03 QNX在自動(dòng)輔助駕駛領(lǐng)域的應用

       由于QNX實(shí)時(shí)性、確定性行為和功能安全的特性，契合自動(dòng)輔助駕駛對功能安全ISO26262 ASIL D的安全等級要求，因此由于國內外主機廠(chǎng)項目的需求，QNX被廣泛的應用于自動(dòng)輔助駕駛領(lǐng)域，作為基礎軟件承載上層的各種實(shí)時(shí)和高可靠性應用。由于在自動(dòng)輔助駕駛領(lǐng)域，芯片和基礎軟件越來(lái)越成為一個(gè)整體方案，因此QNX也被包含在主流的高性能自動(dòng)輔助駕駛芯片的整體基礎軟件平臺方案中，作為關(guān)鍵的一部分提供給最終用戶(hù)。

• 英偉達與黑莓QNX的合作

       英偉達的一系列高性能芯片廣泛的應用在自動(dòng)輔助駕駛領(lǐng)域，例如Xavier、Orin和Thor等。英偉達作為頂尖的自動(dòng)輔助駕駛芯片平臺整體解決方案商，在平臺軟件層面上提供以DriveOS為核心的基礎軟件平臺，早在五年前，英偉達就選定QNX，雙方深入合作，QNX作為英偉達DriveOS功能安全ISO26262 ASIL D版本唯一的RTOS合作伙伴，由英偉達提供基于QNX的功能安全版本的DriveOS的一站式方案，例如在Xavier平臺上，因為整體平臺軟件要達到ASIL D級別，DriveOS只提供QNX SafetyOS安全內核版本。英偉達極其重視功能安全，黑莓QNX作為英偉達平臺中唯一RTOS操作系統合作伙伴，包含在Driver OS的整體方案，由英偉達提供一站式的方案和服務(wù)支持，即服務(wù)工程支持由英偉達統一接口。

• 高通與黑莓QNX的合作

       高通作為IOT和手機領(lǐng)域芯片方案的翹首，在車(chē)載汽車(chē)電子的中高端智能座艙領(lǐng)域占了絕大多數的份額，黑莓QNX作為高通Snapdragon座艙芯片整體解決方案的一部分，也是唯一的Hypervisor合作伙伴和高通一起支持了全世界近百個(gè)汽車(chē)電子的客戶(hù)，同樣在自動(dòng)輔助駕駛領(lǐng)域，高通Snapdragon Ride也定點(diǎn)了許多全球領(lǐng)先的主機廠(chǎng)項目，例如官宣的大眾、寶馬、通用以及長(cháng)城汽車(chē)等，黑莓QNX作為高通自動(dòng)輔助駕駛芯片平臺的基礎軟件底座部分，由高通提供一站式的ISO 26262 ASIL D功能安全等級的整體軟件平臺方案。

• 國內自動(dòng)輔助駕駛芯片公司與黑莓QNX的合作

       近年來(lái)高性能的國產(chǎn)芯片層出不窮，在自動(dòng)輔助駕駛領(lǐng)域，也有越來(lái)越多有潛力的國產(chǎn)公司展露頭角，黑莓QNX目前已經(jīng)完成適配黑芝麻A1000和地平線(xiàn)J5等芯片，由芯片公司提供一站式的整體解決方案。值得一提的是，后續還有多家重視功能安全的頂級國產(chǎn)大算力高性能自動(dòng)輔助駕駛芯片合作，將于明年正式發(fā)布。

04  中國自動(dòng)輔助駕駛領(lǐng)域基礎平臺軟件所遇到的問(wèn)題

       近年來(lái)自動(dòng)輔助駕駛領(lǐng)域非?；鸨?，許多國內外的主機廠(chǎng)都逐步在量產(chǎn)項目中開(kāi)發(fā)以及發(fā)布L2+的功能，當我們回顧這幾年來(lái)快速發(fā)展會(huì )發(fā)現，大多數的自動(dòng)輔助駕駛的人才都來(lái)自于Robotaxi，自動(dòng)駕駛算法初創(chuàng )公司或大學(xué)研究機構，特別是算法人才。這就有個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)，在這些公司里面的大多數項目，最初都是基于工控機+英偉達顯卡（大多數用英偉達的GPU，少數用AMD的）+開(kāi)源的操作系統+來(lái)自于開(kāi)源的算法，其實(shí)和汽車(chē)電子的安全性本身毫無(wú)關(guān)系，唯一的好處就是快，容易盡早演示，盡快融資。

       這些算法人才加入主機廠(chǎng)之后，更傾向于用以前最熟悉的開(kāi)發(fā)方式，這樣好盡快的出演示成果，也就是英偉達的SOC+開(kāi)源的操作系統+來(lái)自于開(kāi)源的算法。另一方面，在自動(dòng)輔助駕駛項目中，一般主機廠(chǎng)會(huì )把控制器平臺即硬件和平臺軟件外包給外部的Tier1來(lái)做，類(lèi)似于一臺PC電腦，而自己開(kāi)發(fā)應用和算法。

       一般主機廠(chǎng)也有平臺組，負責部分的驅動(dòng)及驅動(dòng)以上的中間件的整合，系統組負責系統設計統籌，功能安全團隊負責整體的功能安全，而算法團隊負責算法應用的開(kāi)發(fā)和實(shí)現，那么問(wèn)題就來(lái)了，除純算法團隊外，一般國外的主機廠(chǎng)都會(huì )有一個(gè)成建制的叫算法嵌入式工程實(shí)現的團隊，負責算法在非工控機的嵌入式環(huán)境和實(shí)時(shí)操作系統的優(yōu)化實(shí)現落地，這樣的團隊即要懂一點(diǎn)算法架構，又要懂嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)和硬件特性，又要對操作系統有足夠的理解。

       而在中國的許多主機廠(chǎng)，沒(méi)有看到有這樣一個(gè)團隊，甚至這樣的人才存在。因此不少項目由于開(kāi)發(fā)周期緊，人員不具備嵌入式系統開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗，會(huì )采用更接近于robotaxi的方式開(kāi)發(fā)，即英偉達SOC中的處理器（類(lèi)似工控機），SOC中的GPU（類(lèi)似顯卡）和開(kāi)源操作系統+未經(jīng)優(yōu)化的各種開(kāi)源算法，在滿(mǎn)足基本功能和有限性能的前提下，功能安全團隊的建議通常會(huì )被直接忽略，因為要滿(mǎn)足極短的量產(chǎn)時(shí)間，在國內主機廠(chǎng)軍備競賽中領(lǐng)先才是最重要的，這在歐美的主機廠(chǎng)是不可想象的。在這一點(diǎn)上，中國也有許多人才儲備充足并且付責任的主機廠(chǎng)做的非常好，特別是有專(zhuān)門(mén)的經(jīng)驗豐富的算法工程實(shí)現的團隊負責優(yōu)化落地。期待在不久的將來(lái)，能夠有更多的主機廠(chǎng)重視起這個(gè)問(wèn)題，在中國有更多的行業(yè)人才能夠填補這一空白。

05 QNX算法移植以及性能優(yōu)化舉例

       QNX提供ADAS reference平臺產(chǎn)品，里面涵蓋了Sensor Framework，networking，open source modules，第三方的SDK以及一些參考設計，其中sensor Framework提供了ADAS的一些基本庫。

• 算法移植

       自動(dòng)輔助駕駛以開(kāi)源的算法居多，由于QNX符合POSIX PSE54標準，API兼容基本一致，因此各類(lèi)開(kāi)源算法可以很方便的移植到QNX的平臺上，使用QNX的工具鏈進(jìn)行編譯并運行，但是雖然API是一致的，但由于實(shí)時(shí)操作系統的特性，表現的行為會(huì )有所差異，需要對系統進(jìn)行優(yōu)化調整。

       QNX有專(zhuān)門(mén)的team來(lái)根據roadmap以及客戶(hù)需求移植一些開(kāi)源軟件，比如ROS/ROS2，比如OpenCV和vSomeIP，我們也會(huì )負責后期的維護。

• 分享常見(jiàn)的QNX性能優(yōu)化項

  
  

1. IPC優(yōu)化

      QNX支持絕大部分主流POSIX系統常見(jiàn)的IPC方式，同時(shí)也有其獨特的原生IPC方式，Message-passing。在自動(dòng)輔助駕駛方案設計中，常有公司會(huì )將UDS、DDS做為軟件通信總線(xiàn)的架構方案原封不動(dòng)地從Linux照搬到QNX上。從功能上看，這樣的跨平臺方案可以使得代碼重用并且功能沒(méi)有區別。但從性能角度考慮，由于QNX獨特內核架構，這并不是高效的解決方案。不同于Linux的宏內核架構，QNX為了安全性和實(shí)時(shí)性采用了微內核架構，絕大部分的系統服務(wù)，比如網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，它是完全運行在內核之外以服務(wù)（Resource Manager)的方式運行。如果采用UDS（Unix Domain Socket)這用基于網(wǎng)絡(luò )服務(wù)（嚴格意義上講，UDS并不需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧，但也是需要經(jīng)過(guò)QNX的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)io-pkt支持）的通訊方式，那么所有的數據報都需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)中轉，相比直接通訊多了一次IPC，這就帶來(lái)了系統資源的浪費。建議的優(yōu)化方案是采用更高效的IPC方式，一般情況下，中小量的數據量傳輸建議使用message-passing，特別大的數量使用shared memory方式。另外，一些開(kāi)源軟件也會(huì )大量使用FIFO，PIPE等IPC，盡管QNX支持這類(lèi)使用，但是我們也建議改成更高效的message passing方式，以減少單次IPC的開(kāi)銷(xiāo)。

2. 編譯選項優(yōu)化

       QNX采用GCC的框架，出于安全性的考慮，QNX的編譯器版本更新相比沒(méi)有開(kāi)源社區激進(jìn)，相比會(huì )慢一些。比如SDP 7.0采用的是GCC 5.4.0，SPD 7.1采用的GCC 8.3.0，即將推出的SDP Moun會(huì )采用GCC 11.X。有時(shí)候會(huì )發(fā)現，運行同樣一個(gè)算法庫，QNX性能會(huì )比開(kāi)源低，那很有可能是由于編譯版本或編譯優(yōu)化選項差異的原因。因為在Linux系統上默認的ARMv8的編譯優(yōu)化選項是滿(mǎn)級的，而QNX默認不打開(kāi)ARMv8的優(yōu)化選項，因此程序編譯時(shí)候需要打開(kāi)相關(guān)編譯選項才能獲得最佳性能，因為QNX基于安全性考慮某些編譯選項在默認編譯的時(shí)候并沒(méi)有打開(kāi)會(huì )導致性能問(wèn)題。

3. 驅動(dòng)級別優(yōu)化

      如網(wǎng)絡(luò )/存儲設備驅動(dòng)，根據以往的經(jīng)驗，大部分的性能問(wèn)題的瓶頸在設備驅動(dòng)這層。特別是新的硬件、新的驅動(dòng)，要注意根據QNX系統服務(wù)層做好適配，驅動(dòng)的好壞，往往是除硬件本身之外最主要的性能影響因素。我們遇到非常多的來(lái)自驅動(dòng)層面的空等，忙等，最終導致系統機能的冗余浪費。

4. 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧優(yōu)化

       除了網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)的優(yōu)化，QNX的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧io-pkt本身也提供了豐富的參數，可以根據具體使用的應用場(chǎng)景來(lái)達到性能的最優(yōu)化。另外，使用QNX SDP 7.1及后續版本的用戶(hù)，可以使用最新的版本網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧io-sock，它對多核CPU的利用和大并發(fā)小包數據的處理能力有顯著(zhù)地提升。兩個(gè)協(xié)議棧各有千秋，實(shí)際上大量的案例證明，用戶(hù)并沒(méi)有達到io-pkt的性能瓶頸，socket buffer 不足導致丟包，typed memory pool分配的不夠導致收發(fā)阻塞等等，這些都可以通過(guò)配置以及API層面的優(yōu)化達到性能提升。

5. 系統API優(yōu)化

      如memory allocation，memory copy等，QNX提供jemalloc根據實(shí)際應用場(chǎng)景提供額外內存泄漏手段，提供更多的功能，jemalloc比default的malloc效率更高，特別是對于大量線(xiàn)程高并發(fā)調用的場(chǎng)景。

6. 用戶(hù)接口優(yōu)化

      QNX 提供的底層接口，尤其是一些自有API，是有不少細微差別的，比如sendmsg()和sendmmsg(), 用戶(hù)往往會(huì )比較熟悉前者，用于socket的發(fā)包，但是后者提供了message 隊列來(lái)實(shí)現不增加IPC的基礎上提高了整體的吞吐率。又比如mmap()，我們提供了一些QNX獨有的flag來(lái)應對不同的memory mapping 場(chǎng)景，如MAP_ANON與MAP_PHYS的配合，才代表申請物理連續memory region而MAP_LAZY 更會(huì )延遲內存的申請分配。了解并熟悉每個(gè)接口的參數配置以及相近命名接口的應用場(chǎng)景會(huì )對開(kāi)發(fā)幫助很大。我們的在線(xiàn)文檔有專(zhuān)門(mén)的章節完整并詳細的介紹了每一個(gè)接口的參數以及相關(guān)使用。

7. QNX提供Momentics IDE環(huán)境對算法進(jìn)行性能分析

      如memory leak，application profile等，同時(shí)提供kernel trace進(jìn)行分析，在抓取的時(shí)間段中可以獲得每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的事件、中斷響應，給出優(yōu)化建議。我們也支持自定義的kernel 事件，來(lái)讓用戶(hù)可以精確的了解代碼片段的運行情況。

8. QNX提供了onboard debug也支持應用程序調用棧的實(shí)時(shí)保存及相應的GDB，在調查一些忙等的現場(chǎng)會(huì )有很大的幫助。

      最后總結一下，即便作為ISO26262 ASIL-D安全認證的硬實(shí)時(shí)性操作系統，QNX在系統性能上也并沒(méi)有落后宏內核系統。只要合理地使用和優(yōu)化，它的性能表現同樣非常優(yōu)秀，同時(shí)占用更低系統資源。QNX有著(zhù)豐富的算法移植和優(yōu)化經(jīng)驗能給到用戶(hù)，同時(shí)QNX提供一系列的手段和工具去定位算法性能的瓶頸。  

       以上是一些經(jīng)驗分享，更多關(guān)于黑莓QNX的使用技巧和優(yōu)化方法將會(huì )陸續更新，敬請期待。

轉自汽車(chē)電子與軟件