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¨

• nnte 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) Currency (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¨

• glicht 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

active-state-power-cost(W) · buffersize(KB) disk-access-bandwith(KB/s) Kosten f¨ ur Spinup, Spindown und Timeout-Verz¨

• gerung werden

aufgeteilt

Netzwerk-Schnittstelle

Esend = sent-bits · transmit-power bit-rate Erecv = 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 430 339,319 339,749 NetRecv 256,571 553,838 810,409 Compute 8,236,729 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¨

• glicht Korrektur von Fehlern

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 Battery Lifetime [hours] Targeted Lifetime [hours] with correction without correction targeted lifetime

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¨

• glichen 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

50000 100000 150000 200000 500 1000 1500 2000 2500 100 200 300 400 500 600 700 800 Reserve Level (µJ) Transfer rate (KiB) Time (seconds) Reserve Level without Application Scaling 50000 100000 150000 200000 50 100 150 200 250 300 350 400 450 100 200 300 400 500 600 700 800 Reserve Level (µJ) Transfer rate (KiB) Time (seconds) Reserve Level with Application Scaling

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

Time (s) 10 20 30 40 50 60

• Est. Power (mW)

40 80 120 160

A B A in foreground B in foreground (a)

Time (s) 10 20 30 40 50 60

• Est. Power (mW)

40 80 120 160

A B A in foreground B in foreground (b)

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

0.5 1 1.5 2 200 400 600 800 1000 1200 Watts Seconds Uncooperative Radio Access 0.5 1 1.5 2 200 400 600 800 1000 1200 Watts Seconds Cooperative Radio Access Using Reserves and Limits

a) b)

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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?

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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.

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