อุปกรณ์วิศวกรรมสมัยใหม่ -- จากเครื่องตรวจจับการแพทย์แบบพกพาไปยังเครื่องตรวจจับ ไอโอที แบบอุตสาหกรรม -- ระบบปฏิบัติการที่ทําหน้าที่มากกว่าการทํางานงานอื่น ๆ พวกมันจะต้องปันส่วนอย่างระวังทุก ๆ มิลวัตต์ ฮาร์ดแวร์และประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น OS ได้กลายเป็นศูนย์กลางการบริโภคพลังงาน ออกแบบระบบพลังงานที่ลดพลังงานได้โดยไม่ประนีประนอมหรือความไม่น่าเชื่อถือ เป็นวินัยที่ซับซ้อนมาก แต่จําเป็น บทความนี้ตรวจสอบหลักการหลัก เทคนิคหลัก, และกลยุทธ์ในการสร้างโครงสร้างของเครื่องมือสร้างหลอดเลือด สําหรับการออกแบบระบบ

บทบาท ของ ระบบ ปฏิบัติ การ ใน เรื่อง พลังงาน

ระบบปฏิบัติการทําหน้าที่จัดการทรัพยากรฮาร์ดแวร์ และการตัดสินใจของระบบสามารถลดการใช้พลังงานได้โดยตรง ไม่เหมือนกับการเพิ่มระดับการทํางานของโปรแกรม OS มีความสามารถในการมองเห็นทั้งระบบ: มันควบคุมความถี่ CPU รัฐที่ไม่ได้ใช้ เครือข่ายหน่วยความจํา การจัดตําแหน่ง และการทํางานตามระบบมองเห็นพลังงานที่ดี สามารถลดพลังงานทั้งหมดในระบบได้โดย 30-50% เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ที่ไร้เดียงสา

OS ยังต้องการจัดการพลังงานแบบนามธรรมจากนักพัฒนาโปรแกรมด้วย แทนที่จะบังคับโปรแกรมแต่ละตัวให้จัดการสถานะการหลับของฮาร์ดแวร์ เคอร์เนลจะให้กลไกนโยบาย (Governors, apoping, parttime, PM) ที่ปรับให้เข้ากับสภาพการทํางานตามเวลาจริง การแยกนโยบายจากกลไกนี้จะช่วยให้ระบบมีความเร่งความเร็วในการปรับแต่งพฤติกรรมของพลังงานได้โดยไม่ต้องเขียนซอฟต์แวร์

Core Techniques for evicial-Efficial designations

การไล่สีแบบไม่ตายตัวและความถี่ (DVFS)

DVFS ยังคงเป็นตัวหลักในการจัดการพลังงานของ OS-ระดับ การปรับความถี่ของตัวประมวลผลและนาฬิกาในการตอบสนองต่อความต้องการการทํางาน OS จะทําการขายสูงสุดเพื่อประหยัดพลังงาน

อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของ DVFS นั้นขึ้นอยู่กับการทํางานที่มีประสิทธิภาพสูง การระเบิดของการคํานวณสั้น ๆ อาจไม่ได้ประโยชน์จากการเปลี่ยนแปลงความถี่เนื่องจากความเปลี่ยนแปลง

การ จัด การ เรื่อง การ นอน หลับ ขั้น ต้น และ การ จัด การ เรื่อง การ ว่าง งาน

เมื่อตัวประมวลผลไม่มีงานพร้อม OS ควรเปลี่ยนสภาพเป็นสถานะที่ว่างงาน CPU สมัยปัจจุบันจะให้รัฐนอนหลายรัฐ (C- States) โดยมีสถานะการปลุกให้ทํางานล่าช้าและประหยัดพลังงาน ผู้ว่าการว่างงานเลือกสถานะที่มากที่เหมาะสมที่สุด โดยมีกําหนดว่าจะใช้เวลาในการรอเซนเซอร์หรือเครือข่ายที่ต้องใช้มากที่สุด การจัดการอย่างมีประสิทธิภาพจะควบคุมการประหยัดพลังงานได้

นอกจาก CPU แล้ว OS ต้องจัดการส่วนประกอบระบบเมื่อเริ่มใช้งาน (SOC): ตัวควบคุมหน่วยความจํา, ตัวเชื่อมต่ออินเตอร์เน็ท และตัวประมวลผลแต่ละตัวสามารถเข้าสู่ระบบอัตโนมัติหรือเปิดระบบได้ ความคิดของ [FLT: 0] การจัดการพลังงาน (FT: 1) การรันพลังงาน (FT: 1) อนุญาตให้เคอร์เนลหยุดการทํางานเครื่องแต่ละตัวได้ ในขณะที่ไม่ถูกใช้ แม้ในขณะเดียวกันตัวประมวลผลหลักยังคงใช้งานอยู่ แต่ตัวควบคุมที่ดีนี้จําเป็นสําหรับอุปกรณ์หลายแบบ เช่น ตัวควบคุมแบบ VFFFF, และเครื่องตรวจจับแบบหลายเครื่อง

การจัดตารางงานสําหรับการจัดการระบบพลังงาน

อัลกอริทึมการเรียงสับเปลี่ยนแบบดั้งเดิม ความยุติธรรมหรือผ่านระบบข้อมูล

  • [FLT: 0] สืบค้นเมื่อ: ทํางานสมบูรณ์ให้เร็วที่สุดเท่าที่จะทําได้ จากนั้นเข้าหลับลึก มันใช้ได้สําหรับการทํางานหนักที่อํานาจการนอนหลับต่ํามาก
  • [FLT: 0] การคัดเลือกความถี่ที่มีประสิทธิภาพ: ตัวจัดตารางเลือกความถี่ต่ําที่สุดที่ตรงกับข้อจํากัดการกําหนดเส้นตายสําหรับงานจริงเวลา
  • [FLT: 0] การย้ายถิ่น: บนสถาปัตยกรรมแบบเฮเทอโรเจนส์ (เช่น เอมเอ็มเอ็มเอ็มใหญ่ ลิพเตอร์เลเลเลเลด) เครือข่ายการย้ายเข้าแกนแสงสูงและแกนหลักในการขนหนัก (พ.ศ.

การจัดตารางที่มองเห็นพลังงานจะต้องบัญชีค่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นระหว่างค่าแกนกลางและรูปแบบการใช้งานหน่วยความจํา ตัวอย่างเช่น การย้ายงานไปยังแกนที่ใกล้กว่าข้อมูลในโครงสร้างแคชลดพลังงานหน่วยความจําได้ การใช้ [FLT: 0] การจัดรูปแบบพลังงานแบบ Linux มองเห็น (FLT: 1) จัดทําการค้นหาว่านโยบายเหล่านี้ถูกนําไปใช้อย่างไรในการฝึกอย่างไร

การจัดการพลังงานและหน่วยความจําและ I/O

หน่วยความจํา (DRAM) บริโภคพลังงานที่สําคัญ โดยเฉพาะระหว่างการเข้าถึงระบบ OS สามารถลดพลังงานหน่วยความจําได้:

  • [FLT: 0] ลาดเลาที่ทราบ: กระจายการเข้าถึงผ่านธนาคารความจํา เพื่อหลีกเลี่ยงความขัดแย้งของธนาคารและอนุญาตให้ธนาคารอยู่ในโหมดพลังงานต่ําได้นานขึ้น
  • [FLT: 0] หน้าหนึ่งของกลุ่มและกลุ่ม: จัดกลุ่มหน้าทํางานเป็นพื้นที่หน่วยความจําน้อยลง เพื่อที่ว่าพื้นที่ที่ไม่ได้ใช้สามารถถูกวางในการปรับปรุงตัวเอง
  • [FLT: 0] NUMA ตรงกับตารางเวลา: ระบบหลายระบบ การเก็บเธรดและข้อมูล เชื่อมต่อเครือข่ายเดียวกัน เพื่อลดปริมาณการท่องจําระยะไกล

สําหรับ I/O OS ใช้เทคนิคเช่น การขัดจังหวะเครือข่ายถ่านหิน การเรียงแผ่น และปิดตัวควบคุมที่ไม่ได้ใช้ผ่านทาง ACPI ความท้าทายนี้คือการรักษาการตอบสนอง: การชะลอการขัดจังหวะด้วยมิลลิวินาทีไม่กี่มิลลิวินาที สามารถประหยัดพลังงานได้ แต่อาจจะละเมิดการอ่านตัวตรวจจับได้

ปัญหา ใน ระบบ ที่ ฝัง ตัว จริง และ มี เวลา

การออกแบบ OS มีประสิทธิภาพพลังงาน จําเป็นอย่างยิ่งสําหรับอุปกรณ์วิศวกรรม ที่จะต้องพบกับเส้นตายที่จริงจัง เช่น เครื่องควบคุมมอเตอร์ในแขนหุ่นยนต์ หรือระบบรับข้อมูล ในเครื่องบันทึกการบิน ที่นี่ ออมพลังงานไม่สามารถมาสําหรับค่าใช้จ่ายของการพลาดเส้นตาย ตารางเวลาจริงเช่น อัตราการวางตัว monotic หรือ Erperest desline ต้องขยายด้วยการตรวจสอบพลังงาน ในขณะที่รักษาความทนทาน

วิธีหนึ่งคือ การใช้เวลาหย่อนยาน: หลังจากงานสําเร็จก่อนเวลา การหย่อนยานที่เหลือจะถูกใช้ในการลดความถี่หรือเข้าหลับ ซึ่งจําเป็นในการวิเคราะห์และควบคุมเวลาอย่างแม่นยํา อีกวิธีหนึ่งคือ การนอนแบบต่ํา สภาวะการหลับลึกมีภาวะการตื่นสายมาก หากงานต้องตอบสนองภายใน 100 ○ OS จะไม่สามารถเข้าสู่ระบบซี-สเตชันได้ โดยออกแบบปลายหน่วย OS จะเลือกระยะที่ต่ําที่สุดจากช่วงที่ว่างที่สุด ซึ่งจะเกิดขึ้นภายในเส้นตายในเวลาต่อมา

การจัดการการขัดจังหวะมีผลกระทบต่อพลังงาน ไมโครคอนโทรลบางตัวช่วยให้ OS ชะลอการหยุดการทํางานได้ จนกว่าจะมีระยะเวลาในการจับเวลาถัดไป การเปิดใช้งานช่วงเวลาว่างที่ยาวขึ้น แต่นี้เพิ่มการกระตุ้นเข้าไป เครื่องยนต์จะต้องชั่งน้ําหนักระหว่างการประหยัดพลังงาน และการจับเวลาของแต่ละโปรแกรมโดยเฉพาะ

การ จําลอง เทคโนโลยี และ การ กําหนด อนาคต

การ เรียน รู้ เครื่อง เพื่อ การ จัด การ เรื่อง พลัง งาน ก่อน

การจัดการพลังงาน OS แบบดั้งเดิมขึ้นอยู่กับการยึดเหนี่ยวตัวคงที่ (เช่น ขีดจํากัดการขยายกิจการ) การเรียนรู้ของเครื่องให้มีศักยภาพปรับตัวนโยบายในการใช้งานรูปแบบการโหลดที่เปลี่ยนแปลงเวลาได้ ตัวอย่างเช่น เครือข่ายประสาทสามารถคาดเดาความต้องการของหน่วยประมวลผลในอนาคตได้ โดยใช้ตัวเร่งการทํางานและตัวตรวจจับในอดีต อนุญาตให้ระบบทํางานแบบใช้ความถี่หรือสถานะว่างงานได้ การทดลองแรกๆ แสดงถึง การประหยัดพลังงานเพิ่มขึ้น 10-20%

อย่างไรก็ตาม การเรียก ML รุ่นบนอุปกรณ์ที่ประมวลผลพลังงานเอง OS ต้องเพิ่มพลังงานเข้าไปในการคิดคํานวณค่าเกิน หรือใช้รุ่นรุ่นเบา ๆ (เช่น ต้นไม้, ต้นไม้ในการตัดสินใจ ซึ่งพอดีกับเคอร์เนล) กระดาษ[FLT: 0] การค้นหา "พลังงานที่ดูดซับสําหรับการจัดการมัลติมีเดีย-คอเรเตอร์" (FLT: 1) ให้ผลประเมินการใช้พลังงานดังกล่าวอย่างละเอียด เมื่ออุปกรณ์ ML ที่ฝังตัวมานั้นกลายเป็นอุปกรณ์ทั่วไปแล้ว เราคาดหวังได้ว่าตัวจัดการระบบจะรวมพลังงานเข้าไปด้วย

เครื่องดูดฝุ่นแบบใช้ไฟต่ํา

OS ไม่สามารถบรรลุประสิทธิภาพของพลังงานสูงสุดได้ โดยไม่ต้องทําการรวมเข้ากับฮาร์ดแวร์อย่างแน่นหนา OS จะเสนอส่วนควบคุมพลังงานที่ละเอียดพอ, ระบบควบคุมพลังงานต่อคอร์ และหน่วยความจําที่ไม่จํากัดที่รักษาสถานะระหว่างหลับสนิท OS จะต้องเปิดเผยความสามารถเหล่านี้ผ่านโครง คุณจัดการการจัดการพลังงาน ในขณะที่จัดการฮาร์ดแวร์และความแตกต่าง

เทคโนโลเมนต์ เช่น ไมโครซอฟต์ซีซี (NTC) อนุญาตให้ประมวลผลได้โดยมีแรงดันไฟฟ้าต่ํา แต่มีความไวต่ออุณหภูมิและกระบวนการต่าง ๆ โพรเซส OS ต้องตรวจจับด้วยระบบเซนเซอร์- Chip และปรับขอบต่อมวงจรไฟฟ้าอัตโนมัติ นอกจากนี้ ยังต้องใช้โครงสร้างแบบ Hetergenic (เช่น image. access. enty. enter) ให้งานที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดต่อพลังงานของแต่ละแกน (FLEL) [FLELLLLE] ขนาด 2 สถาปัตยกรรม: สถาปัตยกรรม (TLLLL) เป็นโครง คุณทราบได้โดยระบบฮาร์ดแวร์ของ OS ] กํากับการทํางานได้เป็นอย่างดี

ทิศทางที่หวังอีกอย่างคือ การใช้อุปกรณ์ที่กักเก็บพลังงาน ที่รวบรวมพลังงานจากแสงอาทิตย์ การสั่นสะเทือน หรือแหล่งพลังงาน RF อุปกรณ์เหล่านี้มีแหล่งพลังงานที่ต่อเนื่อง OS ต้องควบคุมการคํานวณรอบพลังงาน ออมสถานะก่อนพลังงานล้มเหลว "การคํานวณพลังงานชั่วคราว" นี้ต้องการตัวตรวจจับที่ระดับ OS เปลี่ยนแปลงจากการดําเนินการพลังงานอย่างต่อเนื่อง

รูปแบบการวน

ออกแบบระบบปฏิบัติการสําหรับอุปกรณ์วิศวกรรมที่มีประสิทธิภาพพลังงานเป็นความท้าทายหลายมิติ ที่สแปน DVFS, การจัดการว่าง, การจัดอันดับ,หน่วยความจําและค่านิยม I/O การจัดลําดับ, และข้อจํากัดทางระบบเวลาจริง การออกแบบความสําเร็จได้รวมเทคนิคเหล่านี้เข้ากับนโยบายการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพ ฮาร์ดแวร์และสิ่งแวดล้อม ในฐานะผู้เรียนรู้และความสามารถใหม่ OS จะมีบทบาทมากขึ้นในการดูดซับพลังงานจากอุปกรณ์ทุกชนิด -- การเพิ่มพลังงานที่มากขึ้น, องค์ประกอบการย่อยสลายตัวของแบตเตอรี่ที่เล็ก, และใช้ระบบที่ครอบคลุม