【汽车电子】浅谈车载系统QNX

2023-11-18

1.概述

2.QNX系统介绍

2.1.系统特点

1.概述

QNX是一种商用的遵从POSIX规范的类Unix实时操作系统，目标市场主要是面向嵌入式系统。它可能是最成功的微内核操作系统之一。

QNX是一种商用的类Unix实时操作系统，遵从POSⅨ规范，目标市场主要是嵌入式系统[1]。QNX成立于1980年，是加拿大一家知名的嵌入式系统开发商。

QNX的应用范围极广，包含了：控制保时捷跑车的音乐和媒体功能、核电站和美国陆军无人驾驶Crusher坦克的控制系统[2]，还有RIM公司的BlackBerry PlayBook平板电脑。

2004年10月27日，QNX 软件系统宣布它已经接受来自音响设备制造商 Harman 国际工业公司（纽约证券交易所： HAR）的购买提议. 作为Harman 的最新子公司高级商标的国际家庭，包括 Harman Kardon,JBL 和Becker,QNX 现在将会加速它的生长，向为先进的嵌入式运用，变成优先的操作系统。哈曼集团以1.38亿美元的现金收购了QNX，但也因此承担了1.38亿美元的债务。

2010年04月14日，黑莓手机（BlackBerry）制造商RIM(Research In Motion Ltd.，RIM）将收购哈曼国际工业集团（Harman International Industries Inc.，HAR）旗下的QNX软件公司，以获取其车载无线连接技术。QNX这个原本的渥太华公司，在被美国哈曼国际 Harman 在买走6年后，又重返加拿大。QNX主要开发汽车，通讯设备所使用的操作系统，哈曼国际的主业则是汽车音像和娱乐设备。此次交易将使得RIM，QNX和哈曼工业在智能手机和车载音频娱乐系统之间找到合作空间。 QNX被RIM并购的消息传出，才让这个在中国的认知度并不高的“默默无闻”的操作系统厂商被大家所熟知。

2.QNX系统介绍

2.1.系统特点

QNX是一个分布式、嵌入式、可规模扩展的硬实时操作系统。它遵循POSⅨ.1 (程序接口）和POSⅨ.2 (Shell和工具）、部分遵循POSⅨ.1b（实时扩展）。它诞生于1980年，距今已40年的历史。

QNX是业界公认的X86平台上最好的嵌入式实时操作系统之一。它具有独一无二的微内核实时平台，建立在微内核和完全地址空间保护基础之上，实时、稳定、可靠，已经完成到PowerPC、MIPS、ARM等内核的移植，成为在国内广泛应用的嵌入式实时操作系统。虽然QNX本身并不属于UNIX，但由于其提供了POSIX的支持，使得多数传统UNIX程序在微量修改(甚至不需修改)后即可在QNX上面编译与运行。

2.2.系统结构

QNX是一个微内核实时操作系统，其核心仅提供4种服务：进程调度、进程间通信、底层网络通信和中断处理，其进程在独立的地址空间运行。所有其它OS服务，都实现为协作的用户进程，因此QNX核心非常小巧（QNX4.x大约为12Kb）而且运行速度极快。

QNX 是一个实时操作系统。它提供用户可控制的、优先级驱动的、急者优先抢占的调度方式。QNX 内核自身开销小、上下文切换快，在同样的硬件条件下给实时应用留下更大的余地，因而它在实时控制、通信、多媒体信息处理等对时间敏感的应用领域大有用武之地。

QNX 同时也是一个可嵌入的操作系统。它由微内核和一组共操作的进程构成，具有高度可伸缩性，可灵活的剪裁。最小配置只占用几十 KB 内存。因此，它可以广泛地嵌入到智能机器、智能仪器仪表、通信设备等应用中去。

随着 QNX 的深入使用和计算机软件技术的发展，QNX 设计者又推出了 QNX for Windows（Phindows）；许多软件开发者在此基础上进行二次开发，充分利用了 QNX 的实时性能和网络通信能力，同时增加了图形界面，使 QNX 更具生命力。

2.3.调度策略

QNX 提供POSⅨ.1b标准进程调度；
255个进程优先级；
抢占式的、基于优先级的正文切换；
可选调度策略：FIFO、轮转策略、适应性策略。

3.QNX内核

QNX的微内核结构是它区别于其它操作系统的显著特点。

平板式内存结构，所有的程序都使用同一个地址空间，不加保护；应用程序可以自由访问所有空间，效率较高，但是任何应用程序指针错误都可能会导致内核崩溃。

大内核内存结构，操作系统内核和各种驱动程序、网络协议在同一个地址空间，应用程序在单独空间；内核模块同处于一个保护空间，运行效率高，应用程序无法直接访问保护空间，系统稳定性大大提高。缺点是，由于内核模块（例如网络驱动）处于保护空间，因此调试困难，任何驱动程序的修改都要重新编译内核，无法做到驱动的动态加载和卸载。

QNX的微内核结构，内核独立自处于一个被保护的地址空间；驱动程序、网络协议和应用程序处于程序空间中。

微内核结构的优点：

①驱动程序、网络协议、文件系统等操作系统模块和内核相互独立，任何模块的故障都不会导致内核的崩溃；

②驱动程序、网络协议、文件系统和应用程序都处于程序空间，都调用相同的内核API，开发与调试和应用程序没有区别；

③操作系统功能模块可以根据需要动态地加载或卸载，不需要编译内核。在高可靠性要求的情况下，可以编写监视模块，对可靠性要求高的模块进行监视，必要的时候重新启动或重新加载而无须重启系统。高可靠性的内核结构使QNX具备了高可靠性嵌入式操作系统的本质特征。

在具有高可靠性内核的基础上，QNX的创新设计使它同样具有很高的效率。QNX最为引人注目的地方是，它是UNIX的同胞异构体，保持了和UNIX的高度相似性，绝大多数UNⅨ或LINUX应用程序可以在QNX下直接编译生成。这意味着为数众多的稳定成熟的UNIX、LINUX应用可以直接移植到QNX这个更加稳定高效的实时嵌入式平台上来。

4.QNX网络结构

QNX网络子系统由三个部分组成：网络管理模块（io-net）、网络协议模块、网络设备驱动模块。

每个模块各自具有不同的功能，但是它们具有一些相同的属性。如：网络设备驱动、TCP/IP协议栈分别对上层io-net模块和应用程序产生数据，两者都可以被看作数据源；同时它们也接受上层发来的数据，又可以同时被看作数据的消费者。过滤模块对向上的数据进行筛选，分协议进行处理；对向下的数据则进行相应的转换，如进行网络地址转换NAT。转换模块负责不同协议帧结构的转换，在以太网的工作环境下，它就负责对IP数据报进行以太网帧的封装和解包。

和QNX其它服务进程一样，QNX的网络子系统也在内核外部空间运行。应用程序面对的是一个统一的网络接口，硬件相关的内容被完全包装在网络子系统内。

QNX网络子系统的三个子模块按层次分开，io-net模块处于中心，是QNX网络的核心和重点，其它模块都挂接在它上面。数据和信息的流动都必须经由io-net调度与转发，所有其它模块所面对的就是一个单一主体。这样的中心交换结构，屏蔽了各个模块间相互协调的复杂细节，在很大程序上方便了模块的编写工作；同时，io-net还是QNX的网络管理中心。任何网络协议和网络设备驱动程序都必须向io-net注册，由它来加载，并接受io-net的配置和管理，用户对网络状态的查询和管理也是通过io-net来实现的。

5.QNX网络设备驱动

QNX网络设备驱动模块处于网络硬件和io-net模块之间。驱动模块负责配置硬件使其正常工作，向io-net报告数据收发情况，接收和传递数据，接受io-net的调度和管理。

QNX网络设备驱动程序依照以上功能，分为初始化、接收发送数据、网络设备信息统计几个功能块。要使网络设备工作正常，驱动程序就要对它进行一定的寄存器配置，同时，还要向QNX网络子系统注册自己，表明网络设备的存在和网络通信能力，才能为系统和应用程序所用。

在初始化工作完成以后，网络设备就进入了工作状态，收发数据。

设备信息的统计也是由设备驱动程序来完成的。

1.初始化

初始化包括两个方面，一方面是初始化网络设备，使其正常工作；另一个方面，是向io-net正确注册驱动模块，表明自己的属性，方便上层正确操作。网络设备的初始化工作和硬件紧密相关，这里就不一一描述。

驱动模块向io-net加载自己的时候，系统遵循如下工作流程：

①io-net搜索全局的符合io_net_dll_entry。它定义了驱动的初始化函数，io-net会直接调用这个函数。

②初始化函数向io-net注册驱动和相应的函数。

③初始化函数告诉io-net和它的模块自己的通信能力。

经过以上流程以后，io-net中就建立起有关此驱动程序的数据和函数调用列表。驱动程序必须正确编写初始化函数，并将该函数正确链接至io_net_dll_entry。

2.从网络设备接收数据

当有包到达网络设备的时候，网络设备就会用某种方式通知驱动程序（例如中断），此时，驱动程序就要采取某种策略来处理到来的帧或数据。通常驱动程序这时候需要做以下工作：

①通过DMA将包取回来；

②做相应的必要处理，如通知网络设备释放当前帧的缓存，配置寄存器让网络设备等待下一帧到来等；

③通过调用io-net的tx_up_start（）函数把包传递给上层模块。

当上层所有的模块都完成对这个包的处理以后，io-net调用我们驱动中的tx_done（）函数，它来做最后的处理工作。

tx_up_start（）函数是设备驱动中比较关键的函数，下面简要部分一下这个函数的入口参数。

npkt_t*(*tx_up_start)(int registrant_hdl，

nptk_t *npkt,

int off,

int framelen_sub,

uint16_t cell,

uint 16_t endpoint,

uint16_t iface，

void *done_hdl)

其中：

int registrant_hdl--本驱动在io-net中的句柄，注册时由io-net生成；
nptk_t *npkt --需要处理的包的指针；
int off--底层协议包头长度，如以太网帧头部长度；
int framelen_sub--尾部填充的长度，对于以太网这个值为零；
uint16_t cell、uint16_t endpoint--endpoint和cell是io-net在注册的时候分配的用来区别不同的驱动；
uint16_t iface--接口号，可以让同一个驱动负现多个相同硬件；
void *done_hdl--该指针指向tx_done（）函数需要的额外数据。

3.向网络设备发送数据

当上层模块需要硬件传送包的时候，会调用io-net管理器的rx_down（）函数。

int(*rx_down)(npkt_t*npkt，

void *func_hdl）

rx_down函数入口参数中，npkt是指向需要传送的数据的结构指针，func_hdl是相应驱动模块在io-net中的句柄。其中npt结构包含许多成员，其中的重要成员如：

cell、endpoint、iface 需要处理该包的硬件标识
buffers 指向包的指针
tot_iov 包含数据包的所有I/O矢量
Framelen 所有数据的长度，以字节为单位

驱动模块在接收到io-net的调用后，就要配置网络设备，让它完成数据的发送工作。网络设备发送数据所需要的信息都会在相应的数据结构中，如net_buf_t结构中保存了等待传送的数据包的链接列表，配置DMA所需的物理地址在net_iov_t中等。驱动模块要等待硬件完成这些包的传送，并调用io-net的tx)done（）函数通知上层模块驱动程序已经完成了数据的发送。

6.网络设备信息的统计

应用程序或者用户可以通过网络信息接口nicinfo工具来了解网络工作状态。信息的查询都是通过io-net来进行的。驱动程序必须维护相应的状态数据，方便io-net的查询。网络设备有一些共同的状态属性，如收到和发出的包的个数、发送错误的包的个数等，不同的网络设备还会具有不同的属性和状态，这些都可以在驱动程序中用数据结构详细列明。

需要维护的数据结构中，主要的是Nic_t，它包括四个子结构；

CustNicStats--网络信息入口；
EthernesStats_t--以太网状态；
GenStats_t--常用统计信息；
NetStats_t--网络信息（包含常用统计信息）。

以上是驱动程序需要维护的数据。当用户或应用程序要查询这些信息的时候，它们就通过Nicinfo工具对/dev/io-net/en0调用devctl（）函数来取得网络信息。信息的取得是必须通过io-net来完成的，io-net对信息的查询则是通过调用io_net_register_funs_t结构中所指向的函数来取得信息的。

举例：


#include

int generic_eth_devctl(void *hdl,int dcmd,void *data,size_tsize,int *ret）

{

    Nic_t *nic=(Nic_t *)hdl；
    int status;
    status=EOK;

    switch(dcmd){

        case DCMD_IO_NET_NICINFO;

            memcpy(data,nic,min(size,sizeof(Nic_t)));

            break;

        default:

            status=ENOTSUP;

            break;
    }

    return(status）；
}

7.发展历程

        1980年，加拿大滑铁卢大学的学生戈登贝尔（Gordon Bell）和丹道奇（Dan Dodge）都上了实时操作系统设计的课程，课程要求学生构建一个基本的实时微内核，并成立了 Quantum Software Systems 公司。
        1982年，戈登贝尔（Gordon Bell）和丹道奇（Dan Dodge）根据大学时代的一些设想写出了一个能在 IBM PC 上运行的名叫 QUNIX（Quick UNIX）的系统，直到 AT&T 发律师函过来才把名字改成 QNX。
        2004年，来自美国的音响设备制造商哈曼（Harman）国际工业集团以 1.38 亿美元的现金收购了 QNX。
        2010年，黑莓手机（BlackBerry）制造商 RIM（Research In Motion Ltd.）为获取其车载无线连接技术，收购哈曼集团旗下的 QNX 软件公司，QNX 因此重返加拿大。
        QNX 主要开发汽车，通讯设备所使用的操作系统，哈曼国际的主业则是汽车音像和娱乐设备。BlackBerry 的并购交易使得 RIM、QNX 和哈曼工业在智能手机和车载音频娱乐系统之间找到合作空间。

8.应用场景

QNX 具有安全（Secure）、可靠（Reliable）、可信（Trusted）的特点，因此通常应用于对安全性要求极高的领域，例如汽车、航空、核电站、工业自动化等领域。

在汽车领域，QNX早已是最大的操作系统供应商。

据不完全资料显示，QNX在车用市场占有率达到75%，目前全球有超过230种车型使用QNX系统，包括哈曼贝克、德尔福、大陆、通用电装、爱信等知名汽车电子平台都是在QNX系统上搭建的。

几乎全球所有的主要汽车品牌包括讴歌、阿尔法-罗密欧、奥迪、宝马、别克、凯迪拉克、雪弗兰、克莱斯勒、戴姆勒、道奇、菲亚特、福特、通用汽车、本田、悍马、现代、英菲尼迪、捷豹、吉普、蓝旗亚、马自达、马赛地、迷你宝马、三菱、尼桑、欧宝、庞迪克、保时捷、萨博、土星、双龙、丰田和大众汽车等目前都采用了基于QNX技术的系统。

除汽车领域之外，QNX的最大客户订单来源于思科系统，其中高端路由设备几乎全部采用QNX操作系统，因此，网络通信也成为了QNX第二大应用领域。此外，QNX与通用电气、阿尔斯通、西门子、洛克希德·马丁和NASA等公司都有着紧密合作，在轨道交通、医疗器械、智能电网及航空航天中，都发挥着积极作用。

carOS（QNX 一直是汽车领域最大的操作系统）
robotOS（工业和医疗领域，例如手术机器人达芬奇）
weaponOS（例如洛克希德·马丁的武器）
criticalTaskOS（核电站、宇航领域）

10.参考

QNX简介 - 简书 (jianshu.com)

QNX 从入门到精通：QNX 简介_阿基米东的博客-CSDN博客

QNX_百度百科 (baidu.com)

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