黑芝麻一芯多域零拷贝共享内存技术：破解车载大数据传输效能困局

摘要：武当C1200家族芯片典型应用场景会有多个系统同时运行，如仪表域，辅助驾驶域，座舱域三个系统，系统之间存在数据共享的需求。虽然可以通过以太网等接口交换数据，但是对于图像和视频等较大的数据，传统传输方式存在许多缺点，比如：传输延迟较高；存在数据拷贝，消耗CPU和

武当C1200家族芯片典型应用场景会有多个系统同时运行，如仪表域，辅助驾驶域，座舱域三个系统，系统之间存在数据共享的需求。虽然可以通过以太网等接口交换数据，但是对于图像和视频等较大的数据，传统传输方式存在许多缺点，比如：传输延迟较高；存在数据拷贝，消耗CPU和带宽资源；增加系统负载和功耗等。进而会导致车机系统出现卡顿，操作响应延迟，发热发烫，电源消耗过快，待机时间变短，器件寿命变短等各种问题。

对于大数据量数据交换应用场景，需要一套零拷贝的共享内存机制来提高传输效率，并降低系统负载和功耗。因此在武当C1200家族芯片系统中我们专门设计全局内存管理单元，通过该单元来集中管理全芯片的共享内存的申请和释放，可以实现在多个域、多个系统中共享一个或者多个内存块。该方案具有如下优势：

早期Linux系统中，不同硬件设备（如摄像头、显卡、GPU）之间的数据传输需要多次内存拷贝。例如，摄像头采集的画面需要先复制到CPU内存，再由CPU传给GPU处理，最后再复制到显存用于显示。

这种“中间商赚差价”的方式不仅耗时，还浪费资源，就像快递员每次送货都要重新打包一样低效。此时急需一种“直达通道”，让硬件设备像流水线工人一样直接传递半成品，无需中间搬运。Linux dmabuf机制的诞生就是为了充当这个“直达通道”。

该机制可以想象成一种“共享白板”系统，让不同硬件设备（比如显卡、摄像头、GPU）高效传递数据，避免重复“抄写”内容。举个例子：假设画家（GPU）在画布上作画，完成后需要快递员（显示驱动）把画布送到画廊（屏幕）展示。传统方式需要快递员重新复制一份画布再运输，而dmabuf机制允许快递员直接拿走原画布，省去了复制步骤。

Linux dmabuf heap机制提供了用户态分配dmabuf的接口，它就像硬件设备的“共享快递柜”，通过统一接口和独立权限控制，让不同硬件像快递员一样高效协作，直接存取数据包裹。用户只需“扫码取件”，复杂的底层操作由内存池自动完成。

在Linux-5.10 内核中dmabuf heap提供了分配dmabuf的多个后端实现，通过自定义一种后端实现ipc heap，将dmabuf的分配请求通过ipc（核间通信）发送给全局内存管理单元来处理，以此来实现不同系统间共享内存的统一管理。

全局内存管理单元负责全局内存的分配，释放和导入等操作，其上运行满足功能安全ASIL D要求的高效内存管理算法，具有如下优势：

· 实时性高，执行速度快，时间复杂度为O(1)

· 碎片少，浪费少，利用率高

Linux前端对外提供的接口基于标准的dmabuf heap接口进行扩展，现有的应用程序，只需要较小的改动即可使用这个流程。具体方案如下图所示：

不同汽车功能域的操作系统选择与其应用场景的特性密切相关，比如辅助驾驶域一般使用Linux系统，仪表域一般使用QNX或者Linux系统，座舱域使用Android系统，R核控制域使用RTOS系统。各域操作系统在安全性、实时性、生态兼容性之间实现平衡，支撑汽车从分布式控制向“软件定义”转型。图中一共三个系统，以Linux系统为例，对于需要在两个系统间共享内存的场景，软件实现流程如下：

1. Linux应用软件调用dmabuf heap接口分配内存，指定使用ipc heap，dmabuf heap通过ipc调用从全局内存管理单元获取内存块的全局文件描述符，并将其导出为本地Linux dmabuf，得到本系统内的文件描述符。

2. 在Linux系统内共享，将本地系统文件描述符传给使用者，使用者根据文件描述符即可导入dmabuf，实现本系统内设备之间共享使用。

3. 跨系统共享，通过dmabuf heap接口获取对应的全局文件描述符，将全局文件描述符传给需要使用该内存块的系统。

o 若目的域是Linux系统，根据拿到的全局文件描述符，将其导出为dmabuf，得到本系统内的文件描述符，即可以在本系统内的设备之间共享使用。

o 若目的域是RTOS域，由于不存在类似Linux上面的dmabuf heap内存分配框架，所以通过ipc调用根据全局描述符得到内存块的物理地址，直接使用物理地址进行共享。

案例1：智能座舱与辅助驾驶的协同渲染——从导航界面到紧急信息零延迟