[论文] 基于 Simulink 模型的并行代码生成用于事件驱动和定时驱动的 ROS 2 节点

Source: arXiv - 2512.23605v1

Overview

本文提出了一种基于模型的开发（MBD）框架，能够自动从 Simulink 模型生成用于 ROS 2 节点的并行化 C/C++ 代码。通过将模型分类为 事件驱动 或 定时器驱动，作者实现了对复杂自动驾驶工作负载的安全多核执行，避免了通常的手动线程管理麻烦。

关键贡献

• 统一并行化策略，适用于 ROS 2 兼容的 Simulink 模型，处理事件驱动和计时器驱动的执行模式。
• 自动代码生成流水线，生成可直接运行的 ROS 2 节点源代码，面向多核 CPU。
• 数据完整性保证，通过静态分析插入适当的互斥锁和无锁结构，消除死锁和竞争条件。
• 实证验证，在多个基准模型上显示所有并行化模式下执行时间的一致性降低。

方法论

1. 模型分类 – 框架检查 Simulink 图并将每个子系统标记为：

   • 事件驱动（由 ROS 2 主题、服务或动作触发）或
   • 定时驱动（由 ROS 2 定时器驱动的周期回调）。

2. 依赖分析 – 静态数据流分析构建模型计算块的有向无环图（DAG），识别哪些部分可以安全并行运行。

3. 任务划分 – 将 DAG 切分为映射到独立 OS 线程的 任务。对于事件驱动部分，框架为每个订阅创建专用回调线程；对于定时驱动部分，则将共享相同频率的周期任务分组。

4. 并发安全保障 – 工具根据检测到的共享状态模式自动注入互斥锁或无锁队列，确保并行任务之间的数据不会相互破坏。

5. 代码生成 – 使用 Simulink 现有的 Coder 后端，框架生成兼容 ROS 2 的 C++ 代码，完整包含节点初始化、订阅/服务注册以及多线程执行框架。

6. 部署与基准测试 – 生成的节点在 Linux 多核平台（例如 8 核 ARM 处理器）上编译，并相对于单线程基线进行测量。

结果与发现

所有测试的模式都表现出 ≈2× 的最坏情况执行时间降低，证明自动并行化不会引入隐藏的开销。此外，生成的代码通过了 ROS 2 的集成测试，未出现死锁或数据竞争，展示了静态分析的鲁棒性。

实际意义

• 更快的原型开发 – 工程师可以留在 Simulink 的可视化环境中，获得生产级的多核 ROS 2 节点，而无需手工编写线程池。
• 可扩展的自动驾驶堆栈 – 实时感知、规划和控制模块现在可以利用现代汽车 SoC 上的所有核心，满足严格的延迟预算。
• 降低调试工作量 – 通过自动处理互斥锁插入，框架消除了常见的难以复现的并发错误来源。
• 可移植性 – 生成的 C++ 代码遵循 ROS 2 API，便于与现有的 ROS 2 生态系统（如 Nav2、Autoware）集成。

开发者可以将生成的节点插入现有的 ROS 2 launch 文件，通过简单的参数来扩展核心数量，并立即获得性能提升。

限制与未来工作

• Static Analysis Scope – 当前的依赖分析假设数据流是确定性的；动态图的变化（例如运行时重新配置订阅）尚未得到支持。
• Memory Overhead – 自动无锁队列可能会增加 RAM 使用，这在内存受限的微控制器上可能成为问题。
• Limited Benchmarks – 评估仅聚焦于少数面向控制的模型；计划在感知流水线（例如深度学习推理）上进行更广泛的测试。
• Future Directions – 将框架扩展以支持异构执行（CPU + GPU），集成 ROS 2 的实时执行器选项，并在 Simulink 中提供可视化的“并行化预览”。

作者

• Kenshin Obi
• Ryo Yoshinaka
• Hiroshi Fujimoto
• Takuya Azumi

论文信息

• arXiv ID: 2512.23605v1
• 分类: cs.SE
• 发表时间: 2025年12月29日
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