Thiết bị kỹ thuật hiện đại - từ máy tính xách tay màn hình y tế đến bộ cảm biến năng lượng công nghiệp - hệ thống điều hành công nghiệp - demand hoạt động nhiều hơn quản lý nhiệm vụ, họ phải cẩn thận chia sẻ từng phần một. Khi phần cứng co lại và mong đợi hiệu suất tăng, hệ điều hành đã trở thành trung tâm của tiêu thụ năng lượng. Thiết kế một hệ thống điều hành mà không gây tổn hại đến khả năng hấp dẫn hay đáng tin cậy. bài này kiểm tra các nguyên tắc cơ bản, kỹ thuật, và chiến lược mới nổi định nghĩa thiết kế hệ thống năng lượng cho các ứng dụng kỹ thuật.

Vai trò của hệ điều hành trong việc năng lượng

Một hệ điều hành phần cứng, và các quyết định của nó ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng sử dụng. Không giống như sự tối ưu hoá ứng dụng, hệ thống quan sát: nó điều khiển tần số CPU, trạng thái không hoạt động, bộ nhớ phân vùng, và hoạt động ngoại biên. Một hệ thống nhận thức năng lượng được thiết kế tốt có thể giảm 30–50% so với việc thực hiện đơn giản, đặc biệt là trong thiết bị nạp thay đổi. Đối với thiết bị kỹ thuật cần phải chạy nhiều năm trên một ắc quy hoặc năng lượng riêng lẻ từ môi trường, sự khác biệt này là quan trọng.

Các hệ thống quản lý năng lượng trừu tượng từ các nhà phát triển ứng dụng. Thay vì ép buộc mỗi chương trình quản lý trạng thái ngủ phần cứng, hạt nhân cung cấp cơ chế chính sách (governors, ắc điện, chạy thời gian chạy, thiết bị hiện thời). Sự tách rời của chính sách từ cơ chế cho phép hệ thống điều chỉnh ứng dụng năng lượng mà không cần tái tạo phần mềm.

Thiết kế hệ thống kỹ thuật lõi cho hệ thống định vị năng lượng-Eitient

Công cụ động và Tỷ lệ Hóa Siêu Âm (DVFS)

DVFS vẫn là nền tảng của bộ quản lý nguồn năng lượng cấp OS. Bằng cách điều chỉnh tần số điện thế và đồng hồ để đáp ứng nhu cầu tải, giao dịch của nhóm kênh OS đạt mức cao nhất [FLT] tiết kiệm năng lượng. Các Thống đốc hiện đại (FT: fLT: 0] [FLT: 0] và [FLT: 0] [FTTTT: 1], [FTTTTTT: 1], [FTTTTTTT]], [FTTTTTTTTTTS: 1]], [FTTTTTTMTMMMMTS=MMTS=, [FTGMMMMTGMMMMMMMMMMMS], và [FAPSGMMMMMMMMMMMMS], và tăng cường độ khiêm tốn [FT], và giảm năng lượng thấp nhất, tăng dần]

Tuy nhiên, hiệu quả DVFS phụ thuộc vào sự tải hạt công việc. Sự bùng nổ ngắn của tính toán có thể không được lợi ích từ các thay đổi tần số do chuyển đổi trên đầu. Các hệ thống này phải dự đoán nhu cầu tương lai hoặc phản ứng trong vòng vài giây. Công việc gần đây trong việc sử dụng máy tính và lịch sử đặc trưng cho công việc đã cải thiện độ chính xác DVFS. Để biết thêm chi tiết về việc thực hiện việc trao đổi, xem [FL: 0] Tài liệu CPU Frethency Frecling [FL1].

Những cơn buồn ngủ và sự quản lý nhàn rỗi

Khi bộ xử lý không có sẵn việc, hệ thống tập tin này nên chuyển sang trạng thái ít năng lượng. CPU hiện đại cung cấp nhiều trạng thái ngủ (các trạng thái C- liên kết) với các tính năng nhận thức khác nhau và tiết kiệm điện khác nhau. Thống đốc tạm thời chọn trạng thái thích hợp nhất dựa trên khoảng thời gian không dùng. Đối với thiết bị kỹ thuật dành phần lớn thời gian chờ đợi các gói nhập vào hoặc gói dữ liệu cảm biến, quản lý việc quản lý nhàn hiệu quả quản lý chi phối tiết năng lượng.

Bên ngoài CPU, hệ thống này phải quản lý các thành phần (SoC) hệ thống (các thành phần: bộ nhớ điều khiển, liên kết và ngoại vi) cho phép hạt nhân tạm dừng các thiết bị riêng khi không được sử dụng, ngay cả khi CPU chính còn hoạt động. Điều khiển gọn gàng này là thiết bị cần thiết cho nhiều vùng phụ, như bộ điều khiển với bộ quản lý Wi-Fi, và bộ cảm biến đa dạng.

Bộ lập kế hoạch tác vụ cho việc làm báp têm năng lượng

Các thuật toán truyền thống ưu tiên công bằng hoặc thông qua bộ lập lịch nhận thức năng lượng thêm sức mạnh vào mục tiêu.

  • Race-to-idle: hoàn thành làm việc nhanh nhất có thể, sau đó nhập vào giấc ngủ sâu.
  • Trình chọn tần số hiệu quả Enery: Trình lên lịch chọn tần số thấp nhất để đáp ứng các hạn chế hạn cuối cùng cho các công việc thời gian thực.
  • Di cư của người máy:) Về kiến trúc đa sắc tộc (v., ARM lớn.LITTLE), các hệ thống dẫn tới lõi năng lượng cao cho công việc ánh sáng và nhân lớn cho các vật nặng.

Chương trình nhận năng lượng cũng phải tính toán sự kết nối nhiệt giữa các lõi và các mẫu truy cập bộ nhớ. Lấy thí dụ, chuyển một tác vụ tới lõi gần hơn với dữ liệu của nó trong hệ thống bộ nhớ tạm làm giảm năng lượng bộ nhớ. [FLT: 0] Liinux-Aduling tài liệu [FLT: 1] cung cấp một tham khảo vào cách thực hiện các chính sách này.

Quản lý bộ nhớ và máy chủ nhanh/ O

Bộ nhớ (D BR) tiêu thụ năng lượng đáng kể, đặc biệt là khi truy cập. Hệ điều hành có thể giảm năng lượng bộ nhớ qua:

  • Định vị Ban đầu: ) lan truyền các truy cập qua các ngân hàng bộ nhớ để tránh xung đột ngân hàng và cho phép các ngân hàng ở chế độ ít quyền lực hơn.
  • Trang kết hợp và cụm:) Tập hợp những trang hoạt động vào những vùng bộ nhớ ít hơn để có thể đặt trong những vùng không dùng lại bản thân.
  • Chương trình NUMA-ware:) Trên hệ thống đa ổ cắm, giữ các sợi và dữ liệu cùng một nút để giảm thiểu giao thông bộ nhớ từ xa.

Đối với I/O, hệ điều hành sử dụng các kỹ thuật như ngắt kết nối mạng than, sắp xếp đĩa và tắt bộ điều khiển không dùng qua ACPI. Thách thức là duy trì sự đáp ứng: trì sự ngắt quãng bởi vài phần nghìn giây có thể tiết kiệm điện nhưng có thể vi phạm một hạn sử dụng bộ nhạy đọc.

Thử thách trong hệ thống thời gian thực

Thiết kế hệ thống năng lượng hiệu quả đặc biệt đòi hỏi thiết bị kỹ thuật phải đáp ứng thời gian thực khó khăn ví dụ, một bộ điều khiển động cơ trong cánh tay máy hoặc một hệ thống thu dữ liệu trong một máy ghi âm bay. Ở đây, tiết kiệm năng lượng không thể đến với chi phí của thời hạn chót. bộ lập lịch thực như tốc độ Monotonic hoặc Earlest Deadline phải được mở rộng với khả năng nhận thức điện trong khi duy trì các bài kiểm tra khả năng phân hủy.

Một cách là sử dụng thời gian bị chậm: sau khi nhiệm vụ hoàn tất sớm, sự chậm trễ được dùng để giảm tần số hoặc giấc ngủ. Cần thiết phân tích chính xác và chi phí thấp. Một thách thức khác là trạng thái ngủ sâu có những thời hạn ngủ trễ lớn nhất. Nếu nhiệm vụ phải đáp ứng trong vòng 100 , hệ điều hành này không thể nhập vào một trạng thái C với 500 đường thoát ra. Các hệ thống định giờ giấc phải chọn độ sâu nhất dựa trên thời gian đồ dùng đồ dùng đồ dùng đồ dùng đồ dùng ít nhất sẽ xảy ra trước khi thời hạn kế tiếp.

Việc giải quyết cũng tác động đến năng lượng. Một số vi điều khiển cho phép hoãn lại các lệnh ngắt cho đến khi các phím kế tiếp cho phép kéo dài hơn thời gian vô ích. Nhưng điều này làm tăng sự lo lắng. Các kỹ sư phải cân nhắc sự đánh đổi giữa tiết kiệm điện năng và độ chính xác thời gian cho mỗi ứng dụng cụ thể.

Sự thiết kế kỹ thuật và sự hướng dẫn trong tương lai

Máy học cách quản lý nguồn điện dự đoán

Quản lý năng lượng truyền thống truyền thống phụ thuộc vào những tiến trình tìm kiếm cố định (v. d., các ngưỡng sử dụng). Máy học cách sử dụng khả năng thích ứng các chính sách để tải các mô hình thay đổi theo thời gian. Ví dụ, mạng thần kinh có thể dự đoán nhu cầu CPU tương lai dựa trên việc đến nhiệm vụ và cảm biến trước, cho phép hệ thống này hoạt động đặt tần số hay trạng thái nhàn rỗi. Thí nghiệm đầu cho thấy 10–20% tiết kiệm năng lượng hơn tổng thống tĩnh tốt nhất.

Tuy nhiên, mô hình ML chạy trên thiết bị năng lượng được đào tạo tự nó tiêu thụ năng lượng. Các hệ thống này phải giảm tải một cách nhanh chóng đến các máy gia tốc độ thấp hoặc sử dụng mô hình nhỏ (v. d., cây quyết định) phù hợp với hạt nhân. Như phần cứng của ML trở nên phổ biến hơn, chúng tôi có thể mong đợi các bộ quản lý năng lượng trong các chính sách đã học.

Hệ thống âm thanh phần cứng thấp

Hệ thống này không thể đạt hiệu quả tối đa năng lượng mà không tích hợp chặt chẽ với phần cứng. Việc điều hành hệ thống máy tính như vậy cung cấp các miền năng lượng tốt, điều chỉnh điện áp, và bộ nhớ không hoạt động mà giữ trạng thái trong suốt giấc ngủ sâu. Hệ điều hành phải phơi bày những khả năng này thông qua các cơ sở quản lý nguồn điện, trong khi xử lý các phần cứng và các biến thể.

Công nghệ như máy tính gần phần mềm (NTC) cho phép bộ xử lý chạy ở mức điện áp thấp, nhưng chúng nhạy cảm với nhiệt độ và biến đổi quá trình. Hệ điều chỉnh hệ thống này phải theo dõi các bộ nhạy điện áp gần giây và điều chỉnh lề điện áp (một nhiệm vụ cần thiết vòng thời gian thực. Hơn nữa, các cấu trúc đa năng (v. d., ARM.L.LTTLE, x86, bản sao) Hãy để cho các công việc OS được giao cho phần cứng năng lượng hiệu quả nhất cho mỗi công việc nạp. [FL: 0] kiến trúc lớn [L].L.L.L.L.L. [L.L.: một ví dụ phần cứng phụ thuộc vào phần cứng có thể được biết đến từ một nguồn năng lượng có thể được sử dụng như thế nào.

Một hướng khác hứa hẹn là sử dụng các thiết bị chia sẻ năng lượng để thu thập điện năng từ mặt trời, rung động, hoặc hệ thống RF. Những thiết bị này có nguồn cung cấp năng lượng gián tiếp; hệ thống này phải quản lý tính toán qua các chu kỳ điện, lưu trạng thái không hoạt động được trước khi bị mất điện. Điều này "máy tính tương tác" đòi hỏi các cơ chế kiểm tra ở cấp hệ thống tập trung hệ thống hệ thống tập tin hệ thống, một chuyển đổi mô hình từ hoạt động năng lượng liên tục.

Kết luận

Thiết kế hệ thống điều hành cho các thiết bị năng lượng hiệu quả là một thách thức đa chiều mà vượt qua DVFS, quản lý không gian, lên kế hoạch, bộ nhớ và I/O tối ưu hoá và hạn chế thời gian thực. Thành công thiết kế thành công các kỹ thuật này thành một chính sách tích hợp để thích ứng với hàng loạt, phần cứng và môi trường. Khi máy học và các khả năng phần cứng mới trưởng thành, hệ thống này sẽ đóng vai trò lớn hơn trong việc ép chặt năng lượng cuối cùng từ mỗi thiết bị, hình thành hình thành và mở rộng ra các hệ thống tự động từ máy giám sát môi trường từ xa để cấy ghép. Các nguyên tắc kỹ thuật viên chủ này sẽ tạo ra công nghệ có khả năng cao, có khả năng duy trì tính năng bền vững.