Energiemodelle für Komponenten vernetzter eingebetteter Systeme

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1 Energiemodelle für Komponenten vernetzter eingebetteter Systeme Daniel Friesel TU Dortmund, Informatik XII Arbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware 1. März 2018

2 Motivation Wie lange hält der Akku noch?... und wieso ist er schon so leer? 1 / 11

3 Motivation Wie lange hält der Akku noch?... und wieso ist er schon so leer? Standardlösung bei Smartphones und Laptops: Ladungszähler im Akku Ladungszustand Performance Counter im System Verbrauchsaufschlüsselung 1 / 11

4 Motivation Wie lange hält der Akku noch?... und wieso ist er schon so leer? Standardlösung bei Smartphones und Laptops: Ladungszähler im Akku Ladungszustand Performance Counter im System Verbrauchsaufschlüsselung Kein einheitlicher Ansatz für IoT u.ä. Modellierung oft Handarbeit Variable Modellgüte und -komplexität Kaum Betriebssystemunterstützung 1 / 11

5 Konzept Hardware Treiber Modell 2 / 11

6 Konzept Messwerte Accounting Hardware Treiber Modell 2 / 11

7 Konzept Messwerte Accounting Hardware Treiber Modell Automatisierte Erstellung von Energiemodellen 2 / 11

8 Konzept Messwerte Accounting Benchmark Hardware Treiber Modell Automatisierte Erstellung von Energiemodellen 2 / 11

9 Konzept Messwerte Accounting Verfeinerung Benchmark Hardware Treiber Modell Automatisierte Erstellung von Energiemodellen 2 / 11

12 Inhalt 1 Einleitung 2 Modellierung 3 Automatisierung 4 Ergebnisse und Ausblick

13 Modelltypen IDLE 7 µw TX 18 mw E = q Q t q P q Hardware-Zustände 3 / 11

14 Modelltypen IDLE 7 µw TX 18 mw E = q Q t q P q Hardware-Zustände Performance Counter: Zeit pro Zustand 3 / 11

15 Modelltypen IDLE 7 µw TX 18 mw E = q Q t q P q Hardware-Zustände Performance Counter: Zeit pro Zustand P base 7 µw send(... ) 43 µj E = t P base + f F n f E f Treiber-API 3 / 11

16 Modelltypen IDLE 7 µw TX 18 mw E = q Q t q P q Hardware-Zustände Performance Counter: Zeit pro Zustand P base 7 µw send(... ) 43 µj E = t P base + f F n f E f Treiber-API Funktionsaufrufe zählen 3 / 11

17 Modelltypen Analytisch Automatenbasiert IDLE 7 µw TX 18 mw E = q Q t q P q Hardware-Zustände Performance Counter: Zeit pro Zustand P base 7 µw send(... ) 43 µj E = t P base + f F n f E f Treiber-API Funktionsaufrufe zählen 3 / 11

18 Modelltypen Analytisch Automatenbasiert IDLE 7 µw TX 18 mw E = q Q t q P q Hardware-Zustände Performance Counter: Zeit pro Zustand IDLE P = 7 µw txdone send(...) TX P = 18 mw P base 7 µw send(... ) 43 µj E = t P base + f F n f E f IDLE P = 7 µw send(...): E = 43 µj Treiber-API Funktionsaufrufe zählen 3 / 11

19 Modelltypen Analytisch Automatenbasiert IDLE 7 µw TX 18 mw E = q Q t q P q Hardware-Zustände Performance Counter: Zeit pro Zustand IDLE P = 7 µw txdone: E = 0 nj timeout: 2.37 ms send(...): E = 218 nj TX P = 18 mw P base 7 µw send(... ) 43 µj E = t P base + f F n f E f Treiber-API Funktionsaufrufe zählen 3 / 11

20 Modelltypen Analytisch Automatenbasiert IDLE 7 µw TX 18 mw E = q Q t q P q Hardware-Zustände Performance Counter: Zeit pro Zustand IDLE P = 7 µw txdone: E = 0 nj timeout: 2.37 ms send(...): E = 218 nj TX P = 18 mw P base 7 µw send(... ) 43 µj E = t P base + f F n f E f Automat im Treiber abgebildet Zustand vorhalten und ggf. aktualisieren Treiber-API Funktionsaufrufe zählen 3 / 11

21 Modelltypen Analytisch Automatenbasiert IDLE 7 µw TX 18 mw E = q Q t q P q Hardware-Zustände Performance Counter: Zeit pro Zustand IDLE P = 7 µw txdone: E = 0 nj timeout: 2.37 ms send(...): E = 218 nj TX P = 18 mw P base 7 µw send(... ) 43 µj Treiber-API Funktionsaufrufe zählen E = t P base + f F n f E f Automat im Treiber abgebildet Zustand vorhalten und ggf. aktualisieren Transition ˆ= Treiberfunktion / Interrupt Oder: Zeitabhängig ( Tail States ) 3 / 11

22 Modelltypen Analytisch Automatenbasiert IDLE 7 µw TX 18 mw E = q Q t q P q Hardware-Zustände Performance Counter: Zeit pro Zustand IDLE P = 7 µw txdone: E = 0 nj timeout: 2.37 ms send(...): E = 218 nj TX P = 18 mw P base 7 µw send(... ) 43 µj Treiber-API Funktionsaufrufe zählen E = t P base + f F n f E f Automat im Treiber abgebildet Zustand vorhalten und ggf. aktualisieren Transition ˆ= Treiberfunktion / Interrupt Oder: Zeitabhängig ( Tail States ) Ausdrucksstärker als übliche analytische Modelle [McC+11] 3 / 11

23 Parametergewahre Modelle Systemverhalten ist nicht statisch Leistung TX Zeit 4 / 11

24 Parametergewahre Modelle Systemverhalten ist nicht statisch Funkmodule: Konfigurierbare Sendeleistung Leistung TX Zeit 4 / 11

25 Parametergewahre Modelle Systemverhalten ist nicht statisch Funkmodule: Konfigurierbare Sendeleistung, Bitrate, Paketlänge Leistung TX Zeit 4 / 11

26 Parametergewahre Modelle Systemverhalten ist nicht statisch Funkmodule: Konfigurierbare Sendeleistung, Bitrate, Paketlänge Aber auch: Anzahl Null-Bits auf I 2 C-Bus,... Leistung TX Zeit 4 / 11

27 Parametergewahre Modelle Systemverhalten ist nicht statisch Funkmodule: Konfigurierbare Sendeleistung, Bitrate, Paketlänge Aber auch: Anzahl Null-Bits auf I 2 C-Bus,... Leistung TX Funktionen statt statischer Energiewerte Zeit 4 / 11

28 Parametergewahre Priced Timed Automata (PTA) Funkmodul CC1200: sleep init txdone SLEEP IDLE TX init send(data, pl) listen idle RX 5 / 11

29 Parametergewahre Priced Timed Automata (PTA) Funkmodul CC1200: sleep init txdone 20 µs 0 s SLEEP IDLE TX init send(data, pl) 5 ms listen idle 400 µs 20 µs 20 µs RX 5 / 11

30 Parametergewahre Priced Timed Automata (PTA) Funkmodul CC1200: sleep 20 µs init txdone t = f t (pl, dr) 0 s SLEEP IDLE TX init 5 ms listen idle send(data, pl) t := µs 20 µs 20 µs RX 5 / 11

31 Parametergewahre Priced Timed Automata (PTA) Funkmodul CC1200: sleep 104 nj 20 µs init txdone t = f t (pl, dr) 0 J, 0 s SLEEP 143 µw IDLE 9.5 mw TX f TX (...) init 23 µj 5 ms listen 380 nj 20 µs idle 718 nj 20 µs send(data, pl) t := µj, 400 µs RX f RX (dr) 5 / 11

32 Parametergewahre Priced Timed Automata (PTA) Funkmodul CC1200: sleep 104 nj 20 µs init txdone t = f t (pl, dr) 0 J, 0 s SLEEP 143 µw IDLE 9.5 mw TX f TX (...) init 23 µj 5 ms listen 380 nj 20 µs idle 718 nj 20 µs send(data, pl) t := µj, 400 µs f TX (dr, pl, tp) = ( ln(pl) 1242 dr +18tp ln(pl) dr dr tp 2 ) µw RX f RX (dr) f RX (dr) = ( ln(dr + 1)) µw f t (dr, pl) = ( dr pl dr ) µs Parameter: Paketlänge pl, Bitrate dr, Sendeleistung tp 5 / 11

33 Parametergewahre Priced Timed Automata (PTA) Funkmodul CC1200: sleep 104 nj 20 µs init txdone t = f t (pl, dr) 0 J, 0 s SLEEP 143 µw IDLE 9.5 mw TX f TX (...) init 23 µj 5 ms listen 380 nj 20 µs idle 718 nj 20 µs send(data, pl) t := µj, 400 µs f TX (dr, pl, tp) = ( ln(pl) 1242 dr +18tp ln(pl) dr dr tp 2 ) µw RX f RX (dr) f RX (dr) = ( ln(dr + 1)) µw f t (dr, pl) = ( dr pl dr ) µs Parameter: Paketlänge pl, Bitrate dr, Sendeleistung tp 5 / 11

35 Benchmark-Generierung Hardwarekomponenten verhalten sich wie ein DFA Zustände und Transitionen meist vom Hersteller dokumentiert setbitrate IDLE settxpower txdone send TX 6 / 11

36 Benchmark-Generierung Hardwarekomponenten verhalten sich wie ein DFA Zustände und Transitionen meist vom Hersteller dokumentiert Konfigurierbare Parameter und Funktionsargumente bekannt setbitrate(x) bitrate := x IDLE txdone TX settxpower(x) txpower := x send(x, y) packetlength := y 6 / 11

37 Benchmark-Generierung Hardwarekomponenten verhalten sich wie ein DFA Zustände und Transitionen meist vom Hersteller dokumentiert Konfigurierbare Parameter und Funktionsargumente bekannt Erlaubte Werte ebenfalls setbitrate(x) bitrate := x x {1, 2, 4} IDLE settxpower(x) txpower := x x {2, 4, 7} txdone send(x, y) packetlength := y x {0x0... 0, 0xf... f} y {16, 32} TX 6 / 11

38 Benchmark-Generierung Hardwarekomponenten verhalten sich wie ein DFA Zustände und Transitionen meist vom Hersteller dokumentiert Konfigurierbare Parameter und Funktionsargumente bekannt Erlaubte Werte ebenfalls setbitrate(1) setbitrate(2) setbitrate(4) IDLE settxpower(2) settxpower(4) settxpower(7) txdone send(0x0... 0, 16) send(0x0... 0, 32) send(0xf... f, 16) send(0xf... f, 32) TX 6 / 11

39 Benchmark-Generierung Hardwarekomponenten verhalten sich wie ein DFA Zustände und Transitionen meist vom Hersteller dokumentiert Konfigurierbare Parameter und Funktionsargumente bekannt Erlaubte Werte ebenfalls setbitrate(1) setbitrate(2) setbitrate(4) IDLE settxpower(2) settxpower(4) settxpower(7) txdone send(0x0... 0, 16) send(0x0... 0, 32) send(0xf... f, 16) send(0xf... f, 32) TX Testprogramm: DFA-Transitionen und Zustände ablaufen UART und GPIO zur Synchronisierung mit Energiemessung Können z.b. per AspectC++ an Treiberfunktionen gewoben werden 6 / 11

40 Heuristik für Parameter-Abhängigkeiten txdone (250kbit/s, 32B) txdone Timeout [µs] / 11

41 Heuristik für Parameter-Abhängigkeiten txdone (2Mbit/s, 16B) txdone (1Mbit/s, 16B) txdone (250kbit/s, 32B) txdone (250kbit/s, 16B) txdone Timeout [µs] / 11

42 Heuristik für Parameter-Abhängigkeiten txdone (2Mbit/s, 16B) txdone (1Mbit/s, 16B) txdone (250kbit/s, 32B) txdone (250kbit/s, 16B) txdone Timeout [µs] / 11

43 Heuristik für Parameter-Abhängigkeiten txdone (2Mbit/s, 16B) txdone (1Mbit/s, 16B) txdone (250kbit/s, 32B) txdone (250kbit/s, 16B) txdone σ = 0 σ = 4,91 σ = 3,12 σ = 1,24 σ = Timeout [µs] Vergleich der Streuungsmaße Alle Parameter variabel: txdone σ X Alle Parameter fest: z.b. txdone (1Mbit/s, 16B) σ X, p / 11

44 Heuristik für Parameter-Abhängigkeiten txdone (2Mbit/s, 16B) txdone (1Mbit/s, 16B) txdone (250kbit/s, 32B) txdone (250kbit/s, 16B) txdone σ = 0 σ = 4,91 σ = 3,12 σ = 1,24 σ = Timeout [µs] Vergleich der Streuungsmaße Alle Parameter variabel: txdone σ X Alle Parameter fest: z.b. txdone (1Mbit/s, 16B) σ X, p 10 4 σ X, p σ X parameterabhängig 7 / 11

45 Heuristik für Parameter-Abhängigkeiten txdone (2Mbit/s, ) txdone (1Mbit/s, ) txdone (250kbit/s, ) txdone (, 32B) txdone (, 16B) σ = 0,72 σ = 4,91 σ = 2,11 σ = 8215 σ = Timeout [µs] Vergleich der Streuungsmaße Alle Parameter variabel: txdone σ X Alle Parameter fest: z.b. txdone (1Mbit/s, 16B) σ X, p Ein Parameter variabel: z.b. txdone (1Mbit/s, ) σ X, p\i σ X, p σ X parameterabhängig / 11

46 Heuristik für Parameter-Abhängigkeiten txdone (2Mbit/s, ) txdone (1Mbit/s, ) txdone (250kbit/s, ) txdone (, 32B) txdone (, 16B) σ = 0,72 σ = 4,91 σ = 2,11 σ = 8215 σ = Timeout [µs] Vergleich der Streuungsmaße Alle Parameter variabel: txdone σ X Alle Parameter fest: z.b. txdone (1Mbit/s, 16B) σ X, p Ein Parameter variabel: z.b. txdone (1Mbit/s, ) σ X, p\i σ X, p σ X parameterabhängig σ X, p σ X, p\i abhängig von Parameter i / 11

47 Heuristik für Parameter-Abhängigkeiten txdone (2Mbit/s, ) txdone (1Mbit/s, ) txdone (250kbit/s, ) txdone (, 32B) txdone (, 16B) σ = 0,72 σ = 4,91 σ = 2,11 σ = 8215 σ = 8214 Vergleich der Streuungsmaße Alle Parameter variabel: txdone σ X Timeout [µs] Alle Parameter fest: z.b. txdone (1Mbit/s, 16B) σ X, p σ X Ein Parameter variabel: z.b. txdone (1Mbit/s, ) σ X, p\i σ X,i σ X, p σ X bzw. σ X σ < 1 X 2 parameterabhängig σ σ X, p σ X, p\i bzw. X σ < 1 X,i 2 abhängig von Parameter i 7 /

48 Modellierung Parameter-unabhängige Eigenschaften: Median Sonst: Funktionsbestimmung per Regressionsanalyse 8 / 11

49 Modellierung Parameter-unabhängige Eigenschaften: Median Sonst: Funktionsbestimmung per Regressionsanalyse Fitting domänenspezifischer Funktionen (x, x 2, e x, log x,... ) für jeden Parameter Auswahl der Funktion mit niedrigster mittlerer MSD 8 / 11

53 Ergebnisse: Übertragungsdauer estimated txdone timeout [µs] estimated txdone timeout [µs] symbolrate txbytes f t (dr, pl) = ( dr pl dr ) 9 / 11

54 Ergebnisse: Modellgüte Eigenschaft Bitrate Länge Sendeleistung Abweichung Median Minimum CC1200 TX power 0.8 % 12 % 0.2 % CC1200 TX time 0.1 % 87 % 0.1 % CC1200 RX power <0.1 % 0.3 % <0.1 % nrf24 TX power 1.2 % 34 % <0.1 % nrf24 TX time <0.1 % 16 % <0.1 % nrf24 RX power <0.1 % 2.2 % <0.1 % Nach Monte Carlo-Kreuzvalidierung ( 2 3 Training, 1 3 Validierung) 10 / 11

55 Ergebnisse: Modellgüte Eigenschaft Bitrate Länge Sendeleistung Abweichung Median Minimum CC1200 TX power 0.8 % 12 % 0.2 % CC1200 TX time 0.1 % 87 % 0.1 % CC1200 RX power <0.1 % 0.3 % <0.1 % nrf24 TX power 1.2 % 34 % <0.1 % nrf24 TX time <0.1 % 16 % <0.1 % nrf24 RX power <0.1 % 2.2 % <0.1 % Nach Monte Carlo-Kreuzvalidierung ( 2 3 Training, 1 3 Validierung) Test mit synthetischem Verbraucher: Disjunkte Parameter in Trainings- und Validierungsmenge 100 % Erkennung der Sollfunktion (Abweichung 0.7 %) bei 7 Parameterwerten 90 % (Abweichung 1.4 %) sonst 10 / 11

56 Zusammenfassung Automatisiertes Verfahren: Treiber + Automat Energiemodell Benchmark-Erstellung Accounting-Code im Treiber Auswertung der Messdaten 11 / 11

57 Zusammenfassung Automatisiertes Verfahren: Treiber + Automat Energiemodell Benchmark-Erstellung Accounting-Code im Treiber Auswertung der Messdaten Hohe Modellgüte, kaum manuelle Intervention notwendig 11 / 11

58 Zusammenfassung Automatisiertes Verfahren: Treiber + Automat Energiemodell Benchmark-Erstellung Accounting-Code im Treiber Auswertung der Messdaten Hohe Modellgüte, kaum manuelle Intervention notwendig Ausblick: Berücksichtigung des Energiebedarfs der Treiber-Implementierung Prüfsummenberechnung, Font-Rendering,... Berücksichtigung des Modell-Overheads Z.B. abhängig von Fließkomma-Unterstützung der Hardware 11 / 11

59 Literatur I [McC+11] John C McCullough u. a. Evaluating the effectiveness of model-based power characterization. In: USENIX Annual Technical Conf. Bd