Betriebssystem-Energiebuchhaltung Ausgew ahlte Kapitel der - PowerPoint PPT Presentation

Betriebssystem-Energiebuchhaltung ”Ausgew¨ ahlte Kapitel der Systemsoftwaretechnik: Energiegewahre Systemsoftware” Andreas Mosthaf 13. Juni 2013

¨ Uberblick Motivation Energie-Sichtbarkeit Energie-Allokation Kontrollmechanismen ECOSystem Cinder-Betriebssystem am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) 2 – 25

Motivation ”So oft wie mein Smartphone am Ladeger¨ at h¨ angt, k¨ onnte es fast ein Festnetztelefon sein.” am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Motivation 3 – 25

Ziele der Energiebuchhaltung Energie sparen Kostenreduktion Regulierung der Temperatur Laufzeit der Batterie optimieren Performanz am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Motivation 4 – 25

Energie-Sichtbarkeit f¨ ur die effektive Verwaltung von Energie moderne Hardware bietet Schnittstellen zur Abfrage relevanter Daten S.M.A.R.T (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) SBS (Smart Battery System) Messung des Energieverbrauchs am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Energie-Sichtbarkeit 5 – 25

Batterie SBS-Schnittstelle stellt aktuelle Parameter bereit Spannung Entladerate gesch¨ atzte verbleibende Kapazit¨ at Entladerate und Kapazit¨ at bestimmen die Lebenszeit Discharge Rate Usable Battery Capacity (normalized to 1C discharge rate) C/5 107% C/2 104% C 100% 2C 94% 4C 86% am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Energie-Sichtbarkeit 6 – 25

Energieverbrauch Energieverbrauch ist abh¨ angig von Ger¨ ateeigenschaften Betriebsmodus aktueller Zustand muss von der Buchhaltung ber¨ ucksichtigt werden Messergebnisse einer Festplatte vom Typ IBM Travelstar 12GN Zustand Kosten Timeout (s) Zugriff 1.65 mJ/Block Idle 1 1600 mW 0,5 Idle 2 650 mW 2 Idle 3 400 mW 27,5 Standby (disk down) 0 mW Spinup 6000 mJ Spindown 6000 mJ am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Energie-Sichtbarkeit 7 – 25

Energie-Allokation Currentcy setzt sich zusammen aus Current (Strom) Curren cy (W¨ ahrung) Abstraktion f¨ ur Energie eine Currentcy-Einheit gew¨ ahrt den Verbrauch einer entsprechenden Energiemenge Zeit wird in Energie-Epochen eingeteilt angestrebte Entladerate der Batterie bestimmt wie viel Leistung in jeder Epoche allokiert werden kann am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Energie-Allokation 8 – 25

Kontroll-Mechanismen Isolation zur Begrenzung des Verbrauchs einzelner Prozesse sch¨ utzt Prozesse voreinander Delegation erlaubt die verf¨ ugbare Energie anderen Prozessen zug¨ anglich zu machen erm¨ oglicht die B¨ undelung der Energie mehrerer Prozesse Unterteilung zur Partitionierung der verf¨ ugbaren Energie am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Kontrollmechanismen 9 – 25

ECOSystem basiert auf dem Linux Kernel 2.4 implementiert das Currentcy-Modell durch Erweiterung des Kernels um Container-Objekte eine energiegewahre Ablaufplanung Mechanismen zur Allokation von Energie Anpassung der Treiber evaluiert auf einem IBM ThinkPad T20 Laptop am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) ECOSystem 10 – 25

Energieverbrauch Prozessor processor-time(s) · active-state-power-cost(W) Festplatte buffersize(KB) active-state-power-cost(W) · disk-access-bandwith(KB/s) Kosten f¨ ur Spinup, Spindown und Timeout-Verz¨ ogerung werden aufgeteilt Netzwerk-Schnittstelle E send = sent-bits · transmit-power bit-rate E recv = received-bits · receive-power bit-rate am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) ECOSystem 11 – 25

ECOSystem Evaluation Microbenchmarks DiskW schreibt periodisch auf die Festplatte (HD) NetRecv sendet periodisch Daten ¨ uber das Netzwerk (Net) Compute f¨ uhrt kontinuierlich Berechnungen durch (CPU) Currentcy Model App CPU(mJ) HD(mJ) Net(mJ) Total(mJ) DiskW 430 339,319 0 339,749 NetRecv 256,571 0 553,838 810,409 Compute 8,236,729 0 0 8,236,729 Program Counter Sampling App CPU(mJ) HD(mJ) Net(mJ) Total(mJ) DiskW 430 16 24 470 NetRecv 256,571 9,235 20,206 286,012 Compute 8,236,729 326,404 531,789 9,094,922 am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) ECOSystem 12 – 25

ECOSystem Evaluation Buchhaltungsfehler ungenaue Messergebnisse wirken sich auf Batterielaufzeit aus periodische Abfrage der Batterie erm¨ oglicht Korrektur von Fehlern 2.4 with correction without correction targeted lifetime 2.2 2 Battery Lifetime [hours] 1.8 1.6 1.4 1.2 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 Targeted Lifetime [hours] am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) ECOSystem 13 – 25

Das Cinder-Betriebssystem erweitert das HiStar Betriebssystem sicheres, auf Informationsfluss basierendes Betriebssystem hierarchische Struktur durch Container-Objekte Interprozesskommunikation ¨ uber Gate-Objekte am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 14 – 25

Das Cinder-Betriebssystem nutzt Container-Objekte f¨ ur die Energiebuchhaltung erweitert den Kernel um zwei Objekte Reserves zur Speicherung von Energiewerten Taps f¨ ur den Transfer von Energiewerten evaluiert auf einem HTC Dream Smartphone Zwei-Prozessor-System Betriebssystem auf ARM11-Prozessor ARM9-Prozessor f¨ ur sensitive Peripherie-Ger¨ ate Kommunikation ¨ uber gemeinsamen Speicher und Unterbrechungen am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 15 – 25

Cinder-Applikation darstellbar durch einen hierarchischen Energie-Verbrauchs-Graphen Wurzelknoten ist verbunden mit der System-Batterie Taps werden durch Pfeile modelliert proportionale Taps erm¨ oglichen Begrenzung einer Reserve am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 16 – 25

Energiegewahre Applikation Netzwerk-Galerie-Applikation separater Thread mit eigenem Reserve f¨ uhrt das Herunterladen der Bilder aus Applikation passt Rate des Taps an das Volumen der angeforderten Bilder an am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 17 – 25

Energiegewahre Applikation Evaluation Reserve Level without Application Scaling 200000 800 Reserve Level ( µ J) Transfer rate (KiB) 700 150000 600 500 100000 400 300 50000 200 100 0 0 0 500 1000 1500 2000 2500 Time (seconds) Reserve Level with Application Scaling Reserve Level ( µ J) 200000 800 Transfer rate (KiB) 700 150000 600 500 100000 400 300 50000 200 100 0 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Time (seconds) am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 18 – 25

Hintergrundprozesse Hintergrundprozess soll vom Benutzer nicht wahrgenommen werden Prozesse sind immer mit Vordergrund- und Hintergrund-Reserve verbunden nur der im Vordergrund laufende Prozess erh¨ alt Energie vom Vordergrund-Reserve am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 19 – 25

Hintergrundprozesse Evaluation A in foreground B in foreground 160 Est. Power (mW) 120 80 A B 40 0 (a) 0 10 20 30 40 50 60 Time (s) A in foreground B in foreground 160 Est. Power (mW) 120 80 A B 40 0 (b) 0 10 20 30 40 50 60 Time (s) am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 20 – 25

Koordinierter Netzwerkzugriff Zugriff auf das Netzwerk ¨ uber entsprechenden Dienst Aktivierung der Schnittstelle kostet viel Energie Koordinierung der Zugriffe verbessert die Energie-Effizienz am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 21 – 25

Koordinierter Netzwerkzugriff Evaluation Uncooperative Radio Access 2 1.5 Watts 1 0.5 a) 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Seconds Cooperative Radio Access Using Reserves and Limits 2 1.5 Watts 1 0.5 b) 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Seconds am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 22 – 25

Zusammenfassung und Fazit akkurate Messwerte sind Voraussetzung Currentcy als Einheit f¨ ur Energie Isolation, Delegation und Unterteilung notwendig ECOSystem implementiert Currentcy-Modell mit flacher Hierarchie Das Cinder-Betriebssystem bietet Schnittstellen f¨ ur energiegewahre Applikationen Signifikante Verbesserungen der Energieeffizienz? Was ist mit Energie-Profiling? Wie viel Energie verbraucht die Buchhaltung? Geeignet f¨ ur Echtzeitsysteme? am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 23 – 25

Fragen und Antworten Fragen? am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 24 – 25

Referenzen Arjun Roy and Stephan M. Rumble and Ryan Stutsman and Philip Levis and David Mazieres and Nickolai Zeldovich. Energy Managment in Mobile Devices with the Cinder Operating System . Hang Zeng and Carla S. Ellis and Alvin R. Lebeck and Ahmin Vahdat. ECOSystem: Managing energy as a first class operating system resource . am Betriebssystem-Energiebuchhaltung (13. Juni 2013) Cinder-Betriebssystem 25 – 25