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1 Software ubiquitärer Systeme Power Management in Betriebssystemen Olaf Spinczyk Arbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware Lehrstuhl für Informatik 12 TU Dortmund 1

2 Inhalt Stromsparmechanismen Energiemodelle Peripherie Schlafmodi Spannung und Taktfrequenz Zusammenfassung 03.8 Power Management im Betriebssystem 2

3 Inhalt Stromsparmechanismen Energiemodelle Peripherie Schlafmodi Spannung und Taktfrequenz Zusammenfassung 03.8 Power Management im Betriebssystem 3

4 Stromsparmechanismen Wiederholung aus Kapitel 02 Abschalten des Taktes / der Versorgungsspannung für den kompletten Microcontroller für Teile (Speicher, Peripherie, ) Quelle: AVR Atmega32 Manual Dynamische Reduktion des Taktes (und der Spannung) möglich, falls die volle Rechenleistung nicht immer gebraucht wird Zur Erinnerung: P = C U 2 f 03.8 Power Management im Betriebssystem 4

5 Stromfresser Beispiel Telos B Nodes Sensornetzwerkknoten mit TI MSP 430 Microcontroller besonders die Peripheriegeräte haben einen hohen Stromverbrauch Quelle [1] 03.8 Power Management im Betriebssystem 5

6 Einsparpotential: Abschätzung Telos B Node mit 2 AA Batt., 2200mAh Szenario hyperaktiv Microcontroller permanent aktiv 1,92mA Senden von 83,3 Paketen/s 18,92mA Sensoren permanent messend 1,46mA+2*0,458mA = 2,376mA (analog 500/s, Feuchtigkeit 13,3/s, Temperatur 4,54/s) Zusammen: 23,216mA 3,95 Tage Laufzeit Szenario still Microcontroller permanent aktiv 1,92 ma Alle 5 Min. messen und senden 0,00122 ma (im Durchschnitt) (1,46mA*2ms+458µA*75ms+458µA*220ms+18,92mA*12ms) / 300s Zusammen: 1,92122mA 47,71 Tage Laufzeit Szenario schlafwandelnd Microcontroller 99% im LPM3 0,99*9µA+0,01*1,92mA=0,028mA Alle 5 Min. messen und speichern 0,00051mA (1,46mA*2ms+458µA*75ms+458µA*220ms+2,69mA*5ms) / 300s Einmal pro Tag alles lesen und 1 x senden 0,000032mA (24*12*1,75mA*5ms+18,92mA*12ms)/(24*60*60s) Zusammen: 0,028542mA 8,8 Jahre Laufzeit! 03.8 Power Management im Betriebssystem 6

7 Einsparpotenzial: Fazit Power Management ist unerlässlich Systeme, bei denen CPU und Peripherie permanent aktiv sind, sind völlig inakzeptabel. Peripherie sparsam einsetzen Peripherie (gerade Funk) kostet viel Energie. Deaktivierung nicht benötigter Peripherie ist wichtig und oft möglich. Schlafmodi bringen viel Wenn Peripheriegeräte selten benutzt werden, kann die Nutzung der Schlafmodi des Microcontrollers die Laufzeit noch einmal drastisch erhöhen Power Management im Betriebssystem 7

8 Status Quo: Eine typische Applikation Achtung: Pseudo-Code Quelle [1] Every 5 minutes: Turn on SPI bus Turn on flash chip Turn on voltage reference Turn on I2C bus Log prior readings Start humidity sample Wait 5ms for log Turn off flash chip Turn off SPI bus Wait 12ms for vref Turn on ADC Start total solar sample Wait 2ms for total solar Start photo active sample Wait 2ms for photo active Turn off ADC Turn off voltage reference Wait 34ms for humidity Start temperature sample Wait 220ms for temperature Turn off I2C bus Abschalten aller nicht benötigten Peripherieeinheiten Im tiefstmöglichen Schlafmodus auf Messergebnis warten Die eigentliche Funktion des Programms ohne Power Management 03.8 Power Management im Betriebssystem 8

9 Status Quo: Fazit Bei batterie- oder akkubetriebenen ubiquitären Systemen macht das Power Management einen Großteil des Anwendungscodes aus. viel Aufwand für die Anwendungsprogrammierer Ziel sollte es sein, mehr Wissen über Stromsparpotentiale in das Betriebssystem zu bringen, um die Anwendungen zu entlasten Power Management im Betriebssystem 9

10 Inhalt Stromsparmechanismen Energiemodelle Peripherie Schlafmodi Spannung und Taktfrequenz Zusammenfassung 03.8 Power Management im Betriebssystem 10

11 Energiemodelle (1) beschreiben das Energieverbrauchsverhalten Idealerweise existieren Modelle für alle HW-Komponenten Batterieentladung / Akkuzustand Verbrauch von Maschineninstruktion, Caches, Speicher,... Verbrauchsmodelle der Peripherieeinheiten Leider stellen die Hardwarehersteller selten präzise Energiemodelle zur Verfügung Betriebssystementwickler und Forscher müssen daher die Energiemodelle häufig selbst durch Messen im Labor ermitteln. Quelle [2] 03.8 Power Management im Betriebssystem 11

12 Energiemodelle (2) Beispiel: Energiemodell eines CC2420 Funkchips Quelle [3] 03.8 Power Management im Betriebssystem 12

13 Energiemodelle (3) Mit Hilfe von Energiemodellen lassen sich Vorhersagen durchführen, wieviel Energie geplante Operationen kosten werden. verbrauchte Energiemengen abschätzen, ohne im produktiven Einsatz wirkliche Stromverbrauchsmessungen durchführen zu müssen. Energiemodelle sind aber immer vereinfachte Abbilder der Realität und damit ungenau. Insbesondere bei komplexer Hardware stößt man dadurch an Grenzen Power Management im Betriebssystem 13

14 Inhalt Stromsparmechanismen Energiemodelle Peripherie Schlafmodi Spannung und Taktfrequenz Zusammenfassung 03.8 Power Management im Betriebssystem 14

15 Peripherie: E/A-Geräte Beispiel: TinyOS 2.0 [1] (Ein bekanntes Betriebssystem für Sensornetzwerke) Verlagert Power Management aus der Anwendung in Gerätetreiber - Viele andere Systeme unterstützen bisher nur CPU Schlafmodi TinyOS 2.0 kennt 3 Arten von Gerätetreibern... Dedicated Devices Shared Devices Virtualized Devices 03.8 Power Management im Betriebssystem 15

16 TinyOS Dedicated Devices explicit power management einfache Geräte, die direkt von der Applikation gesteuert werden Basis für komplexere Treiber Standardschnittstelle zum an/aus schalten interface SplitControl { command error_t start(); event void startdone(error_t error); command error_t stop(); event void stopdone(error_t error); } TinyOS-Komponenten werden in NesC implementiert. Operation sind typischerweise asynchron. Ein Callback (event) zeigt das Ende an. Probleme Manche Geräte haben mehrere Schlafmodi Mehrere Komponenten könnten sich ein Gerät teilen Abhängigkeiten zwischen Geräten 03.8 Power Management im Betriebssystem 16

17 TinyOS Shared Devices implicit power management der Treiber aktiviert/deaktiviert selbstständig das Gerät Komplexe Treiber, die den Zugriff auf ein Gerät durch mehrere Komponenten koordinieren z.b. Treiber für den Buszugriff auf SPI, I 2 C, data interface data interface shared device power manager Resource Resource Über die Resource-Schnittstelle können Klienten das Gerät asynchron anfordern und freigeben (request/release). Res.DefaultOwner SplitControl Der Arbiter verwaltet den akt. dedicated device arbiter Eigentümer und Anforderungen. Wenn kein Klient das Gerät be- Der PowerManager kann das Gerät abschalten legt wird es dem DefaultOwner solange er der Eigentümer ist. Wenn das Schalten zugeschlagen. viel Zeit oder Energie kostet, können auch andere Strategien realisiert werden 03.8 (z.b. Power Trägheit). Management im Betriebssystem 17

18 TinyOS Virtualized Devices implicit power management der Treiber aktiviert/deaktiviert selbstständig das Gerät Jeder Klient hat den Eindruck eines eigenen Geräts kein explizites Anfordern nötig Beispiel: Schnittstelle zum Funken von Datenpaketen Der Treiber verwaltet Zustandsinformationen pro Klient Operationen werden u.u. verzögert, wenn mehrere Klienten gleichzeitig auf das Gerät zugreifen möchten Durch das Wissen über aktuelle E/A-Aufträge und die Warteliste kann das Betriebssystem den Gerätezustand effizient steuern Power Management im Betriebssystem 18

19 Fazit: TinyOS 2.0 Treibermodell TinyOS nutzt Wissen über zukünftig anstehende E/A- Vorgänge für das Power Management Ähnlichkeiten zum klassischen E/A-Scheduling - Beispiel Fahrstuhlalgorithmus bei der Plattensteuerung Durch die asynchrone E/A-Schnittstelle können die Anwendungskomponenten oder andere Treiberkomponenten viele E/A-Vorgänge parallel durchführen - Voraussetzung für den Blick in die Zukunft 03.8 Power Management im Betriebssystem 19

20 Peripherie: Kommunikation Problem Funk ist wegen des hohen Energieverbrauchs sehr kritisch Ständige Empfangsbereitschaft erforderlich würde die Laufzeit unseres Beispielsystems auf wenige Tage reduzieren Lösung Low-Power Listening Verfahren 03.8 Power Management im Betriebssystem 20

21 Low Power Listening (LPL) Idee Radio-Chip ist die meiste Zeit aus und prüft nur periodisch ob gesendet wird Fragen Kann man garantieren, dass keine Nachrichten verpasst werden? Sollten Sender und Empfänger besser synchron arbeiten? Wie prüft man stromsparend und schnell, ob es Sendeaktivitäten gibt? 03.8 Power Management im Betriebssystem 21

22 Low-Power Listening: Umsetzung Präambel ist so lang wie die Testperiode. Test auf Sendeenergie in der Umgebung. Kein vollständiges Empfangen. Wenn der Test positiv war, können Daten empfangen werden Power Management im Betriebssystem 22

23 Low-Power Listening: Fazit Empfänger Bei langen Schlafphasen im Vergleich zum Test ( duty cycle ) kann sehr viel Strom gespart werden Sender Durch die besonders lange Präambel benötigt der Sender etwas mehr Energie. Das passiert aber normalerweise relativ selten. Höhere MAC-Protokolle gehen noch weiter Sender und Empfänger werden synchronisiert Die Zeit wird in Frames aufgeteilt, von denen nur eine Teilmenge für Kommunikation genutzt wird. Die restliche Zeit wird geschlafen. Um die maximale Bandbreite nicht zu sehr zu reduzieren, können die besseren MAC Protokolle sich an die Lastsituation anpassen Power Management im Betriebssystem 23

24 Inhalt Stromsparmechanismen Energiemodelle Peripherie Schlafmodi Spannung und Taktfrequenz Zusammenfassung 03.8 Power Management im Betriebssystem 24

25 Schlafmodi Ziel Automatische Aktivierung des tiefstmöglichen Schlafmodus durch das Betriebssystem Problem Welcher Schlafmodus ist geeignet? - Das Betriebssystem kennt zwar typischer den Zeitpunkt, an dem die CPU schlafen gelegt werden kann: Der Scheduler findet keinen rechenbereiten Prozess. - Der richtige Modus hängt jedoch davon ab, welche E/A-Aktivitäten laufen. - Nicht tief genug: Energieverschwendung - Zu tief: Verlust von Ereignissen, da Peripherie abgeschaltet Ein querschneidender Belang! 03.8 Power Management im Betriebssystem 25

26 Schlafmodussteuerung in Reflex [5] Ein globale Tabelle enthält einen Zähler pro Schlafmodus Alle Treiber kennen den tiefstmöglichen Schlafmodus, in dem sie noch funktionieren Wenn ein Gerät aktiv ist, wird der entsprechende Zähler inkrementiert. Wenn das Gerät abgeschaltet wird, wird der Zähler dekrementiert Wenn das System in den Schlafmodus wechselt, wird die Tabelle mit dem am wenigsten tiefen Schlafmodus beginnend nach einem Zähler > 0 durchsucht Power Management im Betriebssystem 26

27 Reflex-Schlafmodi: Ergebnis 03.8 Power Management im Betriebssystem 27

28 Inhalt Stromsparmechanismen Energiemodelle Peripherie Schlafmodi Spannung und Taktfrequenz Zusammenfassung 03.8 Power Management im Betriebssystem 28

29 Spannung und Taktfrequenz Ziel Strom sparen durch geschickte dynamische Anpassung von Spannung und Taktfrequenz ( Dynamic Voltage Scaling ) Fiktives Beispiel: - 0,5s mit 40Mhz/3V und 16mA + 0,5s Idle mit fast 0mA: 8mAs - 1s mit 20MHz/1,5V und 4mA + 0s Idle-Zeit: 4mAs Problem Die Vorhersage, wann eine Taktreduktion sinnvoll ist, erfordert Wissen über das zukünftige Verhalten der Anwendungsprozesse - i.d.r. nur in harten Echtzeitsystemen vorhanden - Systeme mit probabilistischem Scheduling müssen auf Heuristiken zurückgreifen Individuelle Prozesse benötigen mehr Zeit 03.8 Power Management im Betriebssystem 29

30 Der PAST-Algorithmus [6] Idee: Die CPU-Last für die Steuerung von Takt/Spannung direkt nutzen Die Zeit wird in Abschnitte (z.b. 50ms) eingeteilt. Wenn in letzten Abschnitt Idle-Zeiten auftraten, wird die Taktfrequenz und Spannung abgesenkt Wenn keine Idle-Zeiten auftraten und Arbeiten nicht geschafft wurden, wird die Taktfrequenz wieder erhöht. Ersparnis laut Simulation mit Trace-Daten 50-70% idle_cycles = hard_idle + soft_idle; run_cycles += excess_cycles; run_percent = run_cycles / (idle_cycles + run_cycles); next_excess = run_cycles - speed * (run_cycles + soft_idle) IF excess_cycles < 0. THEN excess_cycles = 0. energy = (run_cycles - excess_cycles) * speed * speed; IF excess_cycles > idle_cycles THEN newspeed = 1.0; ELSEIF run_percent > 0.7 THEN newspeed = speed + 0.2; ELSEIF run_percent < 0.5 THEN newspeed = speed - (0.6 - run_percent); IF newspeed > 1.0 THEN newspeed = 1.0; IF newspeed < min_speed THEN newspeed = min_speed; speed = newspeed; 03.8 Power Management excess_cycles im Betriebssystem = next_excess; 30

31 Weitere Arbeiten zu DVS Vertigo [2] Das Papier zeigt anhand von Messungen mit realer Hardware, dass man in der Realität nicht so viel sparen kann wie Weiser noch angenommen hat. Grace OS [7] DVS Soft-Realtime Scheduling-Algorithmen in Grace OS zeigen, dass man schon etwas sparen kann (7%-72%), aber trivial ist es nicht. Fazit zu DVS Vorhersagen basiert auf Historie. Lösungen sind mehr oder weniger komplex. Immer wieder benötigt man Hinweise ( hints ) durch die Applikation Power Management im Betriebssystem 31

32 Inhalt Stromsparmechanismen Energiemodelle Peripherie Schlafmodi Spannung und Taktfrequenz Zusammenfassung 03.8 Power Management im Betriebssystem 32

33 Zusammenfassung Energieverbrauch ist gerade für mobile Systeme kritisch Einsparpotential enorm hoch Es gibt verschiedene Abstufungen der Unterstützung für Power Management durch das Betriebssystem nur Hardwarezugriffsfunktionen halbautomatisch mit Systemschnittstelle für Hints vollautomatische Verwaltung Die vollautomatische Verwaltung nimmt dem Anwendungsentwickler sehr viel Arbeit ab Dafür fehlt unter Umständen Wissen über das zukünftige Verhalten der Anwendung(en), so dass kein optimaler Energieverbrauch erreicht wird. Bei einer Studie mit TinyOS 2.0 wurde allerdings 98% des Optimums erreicht Power Management im Betriebssystem 33

34 Literatur (1) [1] K. Klues, V. Handziski, C. Lu, A. Wolisz, D. Culler, D. Gay, and P. Levis. Integrating concurrency control and energy management in device drivers. In Proceedings of Twenty-First ACM SIGOPS Symposium on Operating Systems Principles (SOSP '07). ACM, New York, pages , [2] D. Grunwald, C.B. Morrey, P. Levis, M. Neufeld, and K.I. Farkas, Policies for dynamic clock scheduling. In Proceedings of the 4th Conference on Symposium on Operating System Design & Implementation - Volume 4 (San Diego, California, October 22-25, 2000). USENIX Association, [3] S. Kellner and F. Bellosa, Energy Accounting Support in TinyOS, GI/ITG KuVS Fachgespräch Systemsoftware und Energiebewusste Systeme, Karlsruhe, Germany, October 11, pages (Interner Bericht , Fakultät für Informatik, Universität Karlsruhe (TH)), Power Management im Betriebssystem 34

35 Literatur (2) [4] J. Polastre, J. Hill, and D. Culler, Versatile low power media access for wireless sensor networks. In Proceedings of the 2nd international Conference on Embedded Networked Sensor Systems (Baltimore, MD, USA, November 03-05, 2004). [5] A. Sieber, K. Walther, S. Nürnberger, J. Nolte, Implicit Sleep Mode Determination in Power Management of Event-driven Deeply Embedded Systems, 7th International Conference on Wired / Wireless Internet Communications, University of Twente, The Netherlands, [6] M. Weiser, B. Welch, A. Demers, and S. Shenker. Scheduling for reduced CPU energy. In Proceedings of the 1st USENIX Conference on Operating Systems Design and Implementation (Monterey, California). Vol. 1. USENIX Association, [7] W. Yuan and K. Nahrstedt. Energy-efficient soft real-time CPU scheduling for mobile multimedia systems. In Proceedings of the Nineteenth ACM Symposium on Operating Systems Principles (SOSP'03), pages ACM, New York, NY, Power Management im Betriebssystem 35

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