武當(dāng)C1200家族芯片典型應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)有多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，如儀表域，輔助駕駛域，座艙域三個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)之間存在數(shù)據(jù)共享的需求。雖然可以通過(guò)以太網(wǎng)等接口交換數(shù)據(jù)，但是對(duì)于圖像和視頻等較大的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)傳輸方式存在許多缺點(diǎn)，比如：傳輸延遲較高；存在數(shù)據(jù)拷貝，消耗CPU和帶寬資源；增加系統(tǒng)負(fù)載和功耗等。進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致車(chē)機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)卡頓，操作響應(yīng)延遲，發(fā)熱發(fā)燙，電源消耗過(guò)快，待機(jī)時(shí)間變短，器件壽命變短等各種問(wèn)題。

對(duì)于大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)交換應(yīng)用場(chǎng)景，需要一套零拷貝的共享內(nèi)存機(jī)制來(lái)提高傳輸效率，并降低系統(tǒng)負(fù)載和功耗。因此在武當(dāng)C1200家族芯片系統(tǒng)中我們專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)全局內(nèi)存管理單元，通過(guò)該單元來(lái)集中管理全芯片的共享內(nèi)存的申請(qǐng)和釋放，可以實(shí)現(xiàn)在多個(gè)域、多個(gè)系統(tǒng)中共享一個(gè)或者多個(gè)內(nèi)存塊。該方案具有如下優(yōu)勢(shì)：

全芯片各個(gè)域?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)零拷貝

降低CPU負(fù)載和系統(tǒng)功耗

降低DDR帶寬占用

性能高效

支持分配安全內(nèi)存

滿足ISO26262 ASIL D級(jí)別功能安全要求

Linux dmabuf機(jī)制：從“中間商”到“直達(dá)通道”的技術(shù)躍遷

早期Linux系統(tǒng)中，不同硬件設(shè)備（如攝像頭、顯卡、GPU）之間的數(shù)據(jù)傳輸需要多次內(nèi)存拷貝。例如，攝像頭采集的畫(huà)面需要先復(fù)制到CPU內(nèi)存，再由CPU傳給GPU處理，最后再?gòu)?fù)制到顯存用于顯示。

這種“中間商賺差價(jià)”的方式不僅耗時(shí)，還浪費(fèi)資源，就像快遞員每次送貨都要重新打包一樣低效。此時(shí)急需一種“直達(dá)通道”，讓硬件設(shè)備像流水線工人一樣直接傳遞半成品，無(wú)需中間搬運(yùn)。Linux dmabuf機(jī)制的誕生就是為了充當(dāng)這個(gè)“直達(dá)通道”。

該機(jī)制可以想象成一種“共享白板”系統(tǒng)，讓不同硬件設(shè)備（比如顯卡、攝像頭、GPU）高效傳遞數(shù)據(jù)，避免重復(fù)“抄寫(xiě)”內(nèi)容。舉個(gè)例子：假設(shè)畫(huà)家（GPU）在畫(huà)布上作畫(huà)，完成后需要快遞員（顯示驅(qū)動(dòng)）把畫(huà)布送到畫(huà)廊（屏幕）展示。傳統(tǒng)方式需要快遞員重新復(fù)制一份畫(huà)布再運(yùn)輸，而dmabuf機(jī)制允許快遞員直接拿走原畫(huà)布，省去了復(fù)制步驟。

Linux dmabuf heap機(jī)制提供了用戶態(tài)分配dmabuf的接口，它就像硬件設(shè)備的“共享快遞柜”，通過(guò)統(tǒng)一接口和獨(dú)立權(quán)限控制，讓不同硬件像快遞員一樣高效協(xié)作，直接存取數(shù)據(jù)包裹。用戶只需“掃碼取件”，復(fù)雜的底層操作由內(nèi)存池自動(dòng)完成。

在Linux-5.10 內(nèi)核中dmabuf heap提供了分配dmabuf的多個(gè)后端實(shí)現(xiàn)，通過(guò)自定義一種后端實(shí)現(xiàn)ipc heap，將dmabuf的分配請(qǐng)求通過(guò)ipc（核間通信）發(fā)送給全局內(nèi)存管理單元來(lái)處理，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)間共享內(nèi)存的統(tǒng)一管理。

全局內(nèi)存管理單元：ASIL D級(jí)安全與O(1)高效算法的雙引擎

全局內(nèi)存管理單元負(fù)責(zé)全局內(nèi)存的分配，釋放和導(dǎo)入等操作，其上運(yùn)行滿足功能安全ASIL D要求的高效內(nèi)存管理算法，具有如下優(yōu)勢(shì)：

實(shí)時(shí)性高，執(zhí)行速度快，時(shí)間復(fù)雜度為O(1)

碎片少，浪費(fèi)少，利用率高

Linux前端對(duì)外提供的接口基于標(biāo)準(zhǔn)的dmabuf heap接口進(jìn)行擴(kuò)展，現(xiàn)有的應(yīng)用程序，只需要較小的改動(dòng)即可使用這個(gè)流程。具體方案如下圖所示：

不同汽車(chē)功能域的操作系統(tǒng)選擇與其應(yīng)用場(chǎng)景的特性密切相關(guān)，比如輔助駕駛域一般使用Linux系統(tǒng)，儀表域一般使用QNX或者Linux系統(tǒng)，座艙域使用Android系統(tǒng)，R核控制域使用RTOS系統(tǒng)。各域操作系統(tǒng)在安全性、實(shí)時(shí)性、生態(tài)兼容性之間實(shí)現(xiàn)平衡，支撐汽車(chē)從分布式控制向“軟件定義”轉(zhuǎn)型。圖中一共三個(gè)系統(tǒng)，以Linux系統(tǒng)為例，對(duì)于需要在兩個(gè)系統(tǒng)間共享內(nèi)存的場(chǎng)景，軟件實(shí)現(xiàn)流程如下：

Linux應(yīng)用軟件調(diào)用dmabuf heap接口分配內(nèi)存，指定使用ipc heap，dmabuf heap通過(guò)ipc調(diào)用從全局內(nèi)存管理單元獲取內(nèi)存塊的全局文件描述符，并將其導(dǎo)出為本地Linux dmabuf，得到本系統(tǒng)內(nèi)的文件描述符。

在Linux系統(tǒng)內(nèi)共享，將本地系統(tǒng)文件描述符傳給使用者，使用者根據(jù)文件描述符即可導(dǎo)入dmabuf，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備之間共享使用。

跨系統(tǒng)共享，通過(guò)dmabuf heap接口獲取對(duì)應(yīng)的全局文件描述符，將全局文件描述符傳給需要使用該內(nèi)存塊的系統(tǒng)。

若目的域是Linux系統(tǒng)，根據(jù)拿到的全局文件描述符，將其導(dǎo)出為dmabuf， 得到本系統(tǒng)內(nèi)的文件描述符，即可以在本系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備之間共享使用。

若目的域是RTOS域，由于不存在類(lèi)似Linux上面的dmabuf heap內(nèi)存分配框架，所以通過(guò)ipc調(diào)用根據(jù)全局描述符得到內(nèi)存塊的物理地址，直接使用物理地址進(jìn)行共享。

案例1：智能座艙與輔助駕駛的協(xié)同渲染——從導(dǎo)航界面到緊急信息零延遲

座艙域（Android）生成導(dǎo)航界面，通過(guò)跨域內(nèi)存機(jī)制共享給輔助駕駛域（Linux）疊加實(shí)時(shí)路況。

輔助駕駛域處理完成后，再通過(guò)跨域內(nèi)存機(jī)制傳遞給儀表域（QNX）顯示，確保緊急信息零延遲。

這種設(shè)計(jì)既保證了Linux系統(tǒng)的靈活性，又兼容了RTOS的高效性，支撐汽車(chē)向“軟件定義”演進(jìn)。

案例2：環(huán)境建模與AR導(dǎo)航的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)——從傳感器到AR-HUD的毫秒級(jí)響應(yīng)

輔助駕駛域生成環(huán)境模型。輔助駕駛系統(tǒng)（Linux/QNX系統(tǒng)）通過(guò)激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器實(shí)時(shí)采集道路信息，構(gòu)建高精度3D環(huán)境模型（包含障礙物、車(chē)道線、交通標(biāo)志等數(shù)據(jù)），并將模型存儲(chǔ)在跨域共享內(nèi)存中。

智能座艙域調(diào)用共享數(shù)據(jù)。座艙域（Android系統(tǒng)）從共享內(nèi)存池中直接讀取環(huán)境模型數(shù)據(jù)，通過(guò)AR-HUD（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)抬頭顯示）將導(dǎo)航指引、車(chē)道偏離預(yù)警等信息疊加到駕駛員視野中，實(shí)現(xiàn)零拷貝渲染。

儀表域與控制域的協(xié)同響應(yīng)。儀表域（QNX系統(tǒng)）從共享內(nèi)存中提取關(guān)鍵駕駛狀態(tài)數(shù)據(jù)（如車(chē)速、能耗），實(shí)時(shí)刷新數(shù)字儀表顯示?？刂朴颍≧TOS系統(tǒng)）直接訪問(wèn)共享內(nèi)存中的車(chē)輛控制指令（如緊急制動(dòng)信號(hào)），通過(guò)CAN總線發(fā)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，確保毫秒級(jí)響應(yīng)。

性能實(shí)測(cè)：C1200跨域內(nèi)存機(jī)制如何打破“煙囪式”數(shù)據(jù)孤島

不同并發(fā)與負(fù)載場(chǎng)景下，對(duì)ADAS域內(nèi)和全局內(nèi)存管理單元的性能測(cè)試數(shù)據(jù)，如下所示：

表1是ADAS域在不同負(fù)載和并發(fā)的測(cè)試場(chǎng)景下，Linux系統(tǒng)內(nèi)核使用系統(tǒng)自帶的機(jī)制來(lái)分配和釋放域內(nèi)內(nèi)存的時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表2是ADAS域在不同負(fù)載和并發(fā)的測(cè)試場(chǎng)景下，Linux系統(tǒng)內(nèi)核使用我們提供的跨域內(nèi)存機(jī)制分配和釋放內(nèi)存的時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表3是R核域在空負(fù)載和并發(fā)線程數(shù)1的測(cè)試場(chǎng)景下，RTOS系統(tǒng)使用我們提供的跨域內(nèi)存機(jī)制分配和釋放內(nèi)存的時(shí)間的測(cè)試數(shù)據(jù)。

通過(guò)對(duì)比表1，2，3中的數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論：

C1200全局跨域內(nèi)存機(jī)制的性能指標(biāo)參數(shù)與ADAS域Linux系統(tǒng)內(nèi)核自帶的機(jī)制的性能指標(biāo)參數(shù)處于同一數(shù)量級(jí)，可滿足實(shí)際業(yè)務(wù)需求。

跨域內(nèi)存共享技術(shù)打破了傳統(tǒng)“煙囪式”數(shù)據(jù)孤島，支撐多域?qū)崟r(shí)協(xié)同，是汽車(chē)從“功能疊加”向“場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)”演進(jìn)的關(guān)鍵使能技術(shù)。