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IntroduçãoPadrões de gerência de energia

Gerência de energia

Gerenciamento de Energia em SistemasOperacionais

Crístian Deives dos Santos VianaPriscila Corrêa Saboia

Instituto de Computação – Universidade Estadual de Campinas

Novembro de 2007

Crístian Viana e Priscila Saboia Gerenciamento de Energia em Sistemas Operacionais



1 IntroduçãoSistemas operacionais modernosMotivações para gerência de energia

2 Padrões de gerência de energiaPNPBIOSAPMACPI

3 Gerência de energiaDisco rígidoProcessadorHibernação




Sistemas operacionais modernosMotivações para gerência de energia

Sistemas operacionais modernos – Tarefas básicas [1]

Controle e alocação de memória (gerência de memória);Controle e priorização de chamadas de sistema (gerência deprocessamento);Controle de dispositivos de entrada e saída (gerência dedispositivos);Controle de arquivos (gerência do sistema de arquivos);Suporte a redes de computadores (gerência de redes);





Sistemas operacionais modernos – Tarefas adicionais

Controle de vários usuários (gerência de usuários);Suporte a segurança dos dados (criptografia, backup);Gerência de energia;





Motivações para gerência de energia

Economia de energia e aumento da vida útil dos periféricos;Sistemas de gestão de energia de computador são desejadospor muitas razões:

Em sistemas embarcados de dispositivos portáteis: prolongar otempo da bateria e reduzir requisitos de dissipação de calor;Em sistemas desktop: redução do requisito de refrigeração eredução de ruído;Em supercomputadores: reduzir os custos operacionais deenergia e refrigeração;





Motivações para gerência de energia

Baixo consumo de energia ⇒ baixa dissipação de calorAumenta estabilidade do sistema;Poupa dinheiro;Reduz carga sobre o ambiente;

Tanto os sistemas portáteis, sistemas embarcados, desktop eos supercomputadores utilizam sistemas operacionais;Cabe a estes sistemas operacionais garantir que as motivaçõessejam alcançadas;




PNPBIOSAPMACPI

Histórico da gerência de energia em SOs

A gerência do uso de energia e as propriedades térmicas erammuito difíceis e inflexíveis para os sistemas operacionais;O hardware era controlado por algum tipo de interface BIOSembarcada

Advanced Power Management (APM);Plug’n’Play Basic Input Output System (PNPBIOS)




PNPBIOSAPMACPI

Plug’n’Play Basic Input Output System – PNPBIOS

Não é confiável em muitas situações;Como o PNPBIOS é uma tecnologia de 16 bits, o sistemaoperacional tem que emular 16 bits para fazer a interfacefuncionar com os métodos PNPBIOS;




PNPBIOSAPMACPI

Advanced Power Management – APM

Define uma interface de software independente de hardwarepara o gerenciamento de energia;Esconde os detalhes de hardware, permitindo que programasutilizem APM sem conhecimento da interface do hardware;Desenvolvido pela Intel e Microsoft, em 1996;Presente nas versões do Windows anteriores ao Vista;




PNPBIOSAPMACPI

Driver APM

Faz a comunicação do sistema operacional com o BIOS docomputador;Um driver APM no sistema operacional media o acesso aoPrograma de interface APM no BIOS, que permite ogerenciamento de energia;A BIOS APM é oferecida pelo fornecedor do sistema e éespecífica à plataforma de hardware;




PNPBIOSAPMACPI

Modelo

Controla o uso de energia baseado na atividade do sistema;À medida que a atividade diminui, o APM reduz a energia dosdispositivos que não estão sendo utilizados;Cinco estados de energia:

1 Completamente ligado;2 APM habilitado;3 APM standby;4 APM suspenso;5 Desligado;

Diferença principal entre os estados: tempo de latência paravoltar a um estado de trabalho;Consumo de energia e performance são máximos no estado“Completamente ligado”




PNPBIOSAPMACPI

Estados de energia

Completamente ligadoSistema está funcionando;Energia do sistema não está sendo gerenciada;Todos os dispositivos estão funcionando;

APM habilitadoSistema está funcionando;Clock do processador fica menor;A energia dos dispositivos são gerenciadas quando necessário;

APM standbySistema pode não estar funcionando;Maioria dos dispositivos a um baixo nível de energia;Sistema retorna ao estado “APM habilitado” rapidamente;




PNPBIOSAPMACPI

Estados de energia

APM suspensoSistema não está funcionando;Maioria dos dispositivos estão desligados;Clock do processador está parado;Processador está no estado mínimo de energia;As operações anteriores voltam a funcionar quando o sistemavolta ao estado “APM habilitado”;Sistema demora um tempo relativamente longo para voltar aoestado “APM habilitado”;

DesligadoSistema não está funcionando;A fonte está desligada;




PNPBIOSAPMACPI

Problemas

O gerenciamento de energia é feito pelo BIOS, e o sistemaoperacional não tem nenhum conhecimento dele;APM é uma tecnologia específica do fornecedor;A lógica do APM é embarcada no BIOS, e opera fora doescopo do sistema operacional;O BIOS APM não possui espaço suficiente para implementaruma política sofisticada de energia, ou uma que possa seadaptar bem ao propósito da máquina;É difícil definir quando se deve ir para o estado “APMsuspenso”;O BIOS não tem informações dos dispositivos USB, cartões edispositivos IEEE 1394 (FireWire);




PNPBIOSAPMACPI

Advanced Configuration and Power Interface – ACPI

Interface desenvolvida para configuração e gerenciamento deenergia do computador;Permite o sistema operacional controlar o gerenciamento deenergia (Operating System Power Management – OSPM);

Ao invés do BIOS, como no APM;

Padrão aberto de indústria;Desenvolvida pela HP, Intel, Microsoft, Phoenix e Toshiba;Última especificação: 10 de outubro de 2006;




PNPBIOSAPMACPI

Características

Oferece mais controle e flexibilidade para o sistemaoperacional;Na ACPI, o BIOS oferece ao sistema operacional métodospara controlar diretamente os detalhes de baixo nível dohardware;O sistema operacional tem praticamente o controle completosobre a economia de energia;A implementação da ACPI não depende apenas de software,mas também de hardware compatível;




PNPBIOSAPMACPI

Estados de energia

Estados globais

G0 Funcionando;G1 Dormindo;G2 Desligado por software;G3 Desligado por hardware;

Estados de dispositivo

D0 Completamente ligado;D1 Estado intermediário, varia com o fabricante;D2 Estado intermediário, varia com o fabricante;D3 Desligado;




PNPBIOSAPMACPI

Estados de energia

Estados de processador

C0 Estado operacional;C1 Suspenso;C2 Sem clock;C3 Dormindo;




PNPBIOSAPMACPI

Suporte dos sistemas operacionais

Primeira versão do Windows: Windows 98;Primeira versão do FreeBSD: 5.0;Linux, NetBSD e OpenBSD: todos têm pelo menos algumsuporte à ACPI;




Disco rígidoProcessadorHibernação


O sistema operacional decide o que desligar e quando desligar;Se ele desliga logo que é requisitado, haverá um atrasoimportuno até que seja reiniciado;Se espera muito tempo para desligar um dispositivo, a energiaé desperdiçada por nada;Encontrar algoritmos e heurísticas que permitam ao sistemaoperacional tomar boas decisões sobre o que desligar equando;





Gerência do disco rígido

Consome bastante energia para manter o prato rodando;Uma abordagem simples:

Parar de girar o prato após alguns minutos de inatividade;Com a chegada de uma nova requisição, o disco é postonovamente para girar;





Problemas na abordagem simples

Um disco parado leva um certo tempo para voltar a girar navelocidade apropriada e isso pode reduzir o desempenho dosistema;Reiniciar o disco consome considerável energia extra:

Cada disco tem um tempo característico Td ;Supondo que o próximo acesso venha acontecer em um tempot;t < Td – gasta menos energia para manter girando;t > Td – gasta menos energia manter parado;





Métodos para solução

O número de vezes que o disco é desligado e ligado éinversamente proporcional à vida do HD;Se fosse possível uma boa previsão de padrões de acessobaseado em dados anteriores, o sistema operacional poderiafazer um desligamento para economia de energia sem diminuirmuito a vida do HD;Algoritmos se dividem em:

Métodos preditivos;Métodos estocásticos;





Algoritmo adaptativo para gerenciamento de energia emum disco rígido

Reduz o consumo de energia com um impacto menor na vidaútil do HD;É um método preditivo:

Baseia-se na predição de períodos de ociosidade;Utiliza o conceito de sessão:

Período em que as requisições são muito próximas;

Períodos candidatos a serem desligados (entre sessões);Algoritmos baseados em sessão podem tirar maior proveito emsistemas cujos requisitos podem mudar de padrão;Método prediz o tamanho da sessão por meio de umalgoritmo adaptativo;





Definições

Limiar (τ) Usado para separar sessões. Se o tempo entre doisacessos consecutivos diferem de um valor > τ , então,fazem parte de sessões distintas;

Tamanho da sessão (L) Tempo entre o primeiro acesso e o últimodentro de uma sessão;

Intervalo (l) Intervalo entre sessões. Tempo entre o último acessode uma sessão prévia e o primeiro acesso da próximasessão;





Figura: Vários valores de limiar.





Figura: Intervalos para diferentes valores de τ .





(Unidade: segundo) Média Mediana Desvio padrãoIntermissão 986 872 668Tamanho 59 48 51Tempo entre o acessoem uma sessão

1,2 ≪ 1 6,0

Tabela: Dados estatísticos para τ = 60.





Figura: Diagrama de transições de estados.





Resultados

Através do ajuste dinâmico da predição do tamanho da sessão, oalgoritmo consegue “desligar” o HD mais cedo para uma sessãomais curta, bem como também consegue mantê-lo acordado paraatender a uma sessão mais longa.

Comparação com outros 5 algoritmos

2 outros algoritmos adaptativos;Algoritmo de tempo fixo: 2 s e 5 min (comumente visto emdesktop);Um algoritmo guloso: desliga o HD depois de 10 ms de cadarequisição atendida;





Adapt. 1 Adapt. 2 Adapt. 3 Fixo (2 s) Fixo (5 min) Guloso

E (energia, J) 2.603.507 1.870.586 1.859.128 1.846.958 4.778.338 1.791.558S (ciclo de troca) 6.493 21.485 22.352 23.330 3.306 33.609T. de vida (sem.) 317 93,6 90,0 86,0 626 58,7Rotação (s) 789.852 135.357 123.280 129.590 2.613.312 N/AT. médio de rot. 121,6 6,3 5,5 4,7 790 N/AT. médio dorm. 716,7 247,0 238,0 228,6 855 160,9E × S 1.07 2.54 2.63 2.73 1.00 3.81E/S (eficiência) 7,52 1,63 1,56 1,49 27,11 1,00

Tabela: Comparação entre os algoritmos de gerenciamento de energia(N/A: não-aplicável).





Resultados

Comparação com outros 5 algoritmos

Gasta 45% de energia a mais que os outros adaptativos, masprovê um tempo de vida útil de 6 anos;





Outras soluções

Ajuda de programasO sistema operacional mantém os programas informados sobreo estado do disco, enviando sinais ou mensagens;Programas com escrita programada podem atrasá-las;

Ajuda da memória RAMTer um cache substancial de disco em RAM;Caso um bloco solicitado esteja na cache, um disco ocioso nãoprecisa ser iniciado;O disco pode ser mantido desligado até que a cache estejacheia ou ocorra uma lacuna na leitura;





Solução para conservação de energia com a utilização deflash drives

Como mencionado antes, apesar da memória RAM poder serusada como um buffer, é indesejável usá-la para economiapois ela também consome bastante energia.






O uso de memória flash se tornou popular;Além disso, dispositivos de armazenamento não-voláteis nãoprecisam de energia para manter seus dados como a memóriaRAM;Diferente dos discos rígidos, a memória flash é feita de chipsde estado sólido sem componentes mecânicos como pratos doHD, que consomem uma quantidade considerável de energia;Comparado com o de um HD, o consumo de energia de umdrive flash é quase negligível: por exemplo, o consumo deenergia no modo standby do drive flash é 1% em relação aoHD;






A solução proposta [2] utiliza-se de um dispositivo de baixocusto – flash drive – para alcançar o objetivo de economizarenergia consumida pelo disco;Esta idéia possui dois obstáculos devido a característicasparticulares do flash drive:

A taxa de tranferência do flash drive é geralmente muitomenor que a de um HD;O flash drive possui um número limitado de ciclos de reescrita.Tipicamente uma célula de memória flash pode “gastar” comcerca de 100.000 escritas.






O SmartSaver usa o flash drive como buffer para caching eprefetching de dados evitando acesso ao disco;Comparado com esquemas existentes para economizar aenergia gasta pelo HD, as seguintes vantagens são oferecidas:

Efetivamente aproveita a característica de baixo consumo deenergia do flash drive para economizar energiaLeva as características específicas do flash drive emconsideraçãoÉ projetado para ser utilizado em diversos SOs com poucasmudanças no kernel dos mesmosOs testes executados demonstraram que energia considerávelfoi economizada, prolongando o tempo idle do HD






Uma abordagem simples seria usar o flash drive como umanova camada entre a RAM e o HD. Esta política de“cache-all” simplesmente faz cache de todos os bytes lidos dodisco ou removidos da memória.Esta abordagem possui as seguintes deficiências, que foramevitadas na solução proposta:

A taxa de transferência do flash drive é geralmente menor quea do HD, fazendo que ele se torne o gargalo do sistemaEsta abordagem guarda dados que serão pouco acessadosDois tipos de dados que prioriza-se guardar não recebemtratamento especial: dados que são reusados freqüentemente edados que movem-se lentamente do/para o HDProcura-se não substituir estes tipos de dados quando o flashdrive está cheio, o que esta abordagem também não trata.






Dois princípios são considerados nesta proposta:Um flash drive não é simplesmente um “HD menor” ou uma“memória maior”. A taxa de transferência menor e o limite donúmero de reescritas devem ser levados em contaPrecisa-se balancear o benefício de quanta energia éeconomizada com o custo da memória obtida






A solução proposta divide o espaço do flash drive em trêsáreas:

Cache, para armazenar dados que possivelmente serãoreusados

Prefetch, para armazenar dados pré-carregados do HD

Write-back, para armazenar temporariamente “dirty blocks”removidos da memória






Para medir quantitativamente o potencial de conservação deenergia quando evitando um período busy, apresenta-se amétrica Energy Saving Rate (ESR)

ESR é a energia que poderia ser economizada se um períodobusy fosse evitado sobre a quantidade de dados acessadosdurante este período.

ESR = Energia gasta em um período busy - Energia gasta emum período quiet de mesma duração






É importante gerenciar todos os blocos por completo duranteum período busy ;Para isto, o SmartSaver usa uma estrutura de dados, chamadaenvelope, para guardar metadados sobre todos os acessos ablocos de dados durante tal período;Cada envelope é associado um período busy ;Quando um bloco é requerido do disco durante um períodobusy, seus metadados são gravados no envelopecorrespondente.Os blocos em um envelope são organizados na ordem LRU






Quando um período busy é completado, seu ESR é calculado;Se a decisão é de fazer CASH do envelope, todos os blocos dedados são mantidos no flash drive para manter a integridadedo período ocupado;Os envelopes são colocados em uma fila chamada pilha deenvelope;






Quando não há mais espaço na pilha, é necessário identificaros blocos de menor valor em relação à energia poupada;Somente a ESR não é suficiente, pois o bloco de menor valorpode ser o mais acessado;Avalia e compara valores de blocos segundo essas duasmétricas;A política de atualização quando o envelope é inserido;





Gerência do processador

Executar um processador à sua máxima freqüência permiteobter máximo desempenho;Se ele for executado a uma freqüência inferior, gera menoscalor e consome menos energia;É possível também reduzir a voltagem, dependendo dasnecessidades do usuário;

Diminuindo mais ainda a geração de calor e o consumo deenergia;





Gerência do processador

Dynamic Voltage and Frequency Scaling – DVFS;Conserva a energia da bateria de um laptop;Aumenta a vida útil do processador;Reduz ruídos;





Balanceamento do consumo de energia do processador

Quando está executando uma tarefa, o processador emitecalor e aumenta sua temperatura;O aumento de temperatura diminui a vida útil do processador;Solução: diminuir a freqüência e a voltagem;

Mas isso também diminui a performance;

Em máquinas com vários processadores, o sistema operacionalpoderia escalonar os processos entre eles [3];Dessa forma, os processadores mantêm uma mesmatemperatura média;





Conceitos

Hot task: tarefa que exige grande consumo de energia doprocessador;Cool task: tarefa que exige pouco consumo de energia doprocessador;Hot processor: processador sobrecarregado, geralmenteexecutando mais tarefas do que os outros processadores;Cool processor: processador sub-utilizado, geralmenteexecutando menos tarefas do que os outros processadores;Perfil de energia: conjunto de características da “energia” deuma tarefa, que indica se ela é hot ou cool em um dadointervalo de tempo;





Perfil de energia

A quantidade de energia exigida por uma tarefa é variável;Depende do intervalo de tempo;Depende das instruções executadas;Depende da entrada do usuário;

Existe um método que calcula a energia utilizada por umatarefa em um dado momento;

Esse método erra em menos de 10% das aplicações testadas;

Seria bom se a quantidade de energia de uma tarefa em ummomento futuro pudesse ser calculada;





Escalonamento de tarefas

O escalonador de tarefas comum pode colocar váriosprocessos hot em um mesmo processador ou vários processoscool em um mesmo processador;

Fazendo com que um processador fique hot ou cool;

O escalonador pode levar em consideração o perfil de energiadas tarefas para tomar suas decisões;Para calcular a energia de uma atividade em um momentofuturo, a solução considera que ela é parecida com a energiados instantes de tempo anteriores;





Programa Máximo Variação médiabash 19,0% 2,05%bzip2 88,8% 5,45%grep 84,3% 1,06%sshd 18,3% 1,38%openssl 63,2% 2,48%

Tabela: Mudança no consumo de energia durante fatias de temposucessivas.





Algoritmos de escalonamento

Balanceamento de energia

Aplicado quando há múltiplas tarefas;Equilibra a energia das tarefas no processador;Executado por cada processador;

Migração de hot task

Aplicado quando há uma única tarefa;Move a tarefa para um processador mais cool;

Ambas as abordagens são limitadas por uma temperatura;





Avaliação

Os dois algoritmos foram integrados no Linux kernel 2.6.10;A estrutura task_struct foi modificada para armazenar operfil de energia da tarefa;A estrutura runqueue foi modificada para armazenar a energiamáxima suportada por cada processador;Aproximadamente 2.000 linhas de código modificadas;

Computador: IBM xSeries 445, com 8 processadores Pentium4 Xeon 2.2 GHz;





Figura: Potência dissipada dos 8 processadores com balanceamento deenergia desabilitado (máximo: 60W).





Figura: Potência dissipada dos 8 processadores com balanceamento deenergia habilitado (máximo: 60W).





Figura: Migração de hot task de uma única tarefa.





Tecnologias de economia de energia de processador

SpeedStepPowerNow!Cool’n’Quiet





SpeedStep

Tecnologia desenvolvida pela Intel;Apenas para processadores de computadores móveis;Se estiver conectado a uma saída de energia, o processador éexecutado na freqüência máxima;Se estiver funcionando pela bateria, o sistema diminui afreqüência e a voltagem do processador;No Windows XP, está relacionado com os esquemas deenergia:

“Portável/Laptop”: habilita o SpeedStep;“Casa/Escritório”: desabilita o SpeedStep;

Integrado no kernel do Linux e do MacOS;





PowerNow! e Cool’n’Quiet

PowerNow!

Tecnologia de diminuição de energia de processador paraprocessadores móveis da AMD;Quando o computador está ocioso, diminui a freqüência e avoltagem;Similar à tecnologia SpeedStep da Intel;

Cool’n’Quiet

Tecnologia também desenvolvida pela AMD;Voltada para processadores de desktops e servidores;





Hibernação

Recurso do sistema operacional de armazenar o conteúdo damemória RAM em um dispositivo não-volátil (disco rígido)antes de desligar o computador;Voltar de uma hibernação é bem mais rápido que ligar ocomputador;O sistema volta exatamente ao estado no qual ele estavaantes de hibernar;

O conteúdo que foi armazenado no disco rígido é carregado devolta para a memória RAM;

Espaço necessário

É necessário pelo menos um espaço no disco rígido igual àquantidade de memória RAM no sistema;





Vantagens

Quando o computador está hibernando, ele na verdade estádesligado;Não consome nenhuma energia;Ideal para laptops;

Pode ser ativada automaticamente quando a bateria docomputador acaba ou está perto de acabar;





Suporte no Windows

A partir do Windows 2000;hiberfil.sys;Geralmente, só é suportada se todos os dispositivos foremPnP e todos os drivers forem compatíveis com PnP;

Example

No Windows Vista, existe também um recurso chamado “Dormirhíbrido”:

O computador entra no estado “Dormir” (os dispositivosficam em modo de consumo de energia baixo);O conteúdo da memória RAM é salvo no disco rígido, pararecuperar os dados caso ocorra uma queda de energia;Mistura de “Dormir” com “Hibernar”;





Suporte no Linux e no MacOS

Linux

Incluído no kernel, a partir do 2.6;Módulo swsusp;

Na versão 2.4, é possível utilizar o TuxOnIce;

MacOS

Recurso chamado “Safe Sleep”;Semelhante ao “Dormir híbrido” no Windows Vista;

Funciona implicitamente quando o sistema está no estado“Sleep”;





Referências bibliográficas

Andrew S. Tanenbaum.Sistemas Operacionais Modernos.2003.

Feng Chen, Song Jiang, and Xiaodong Zhang.Smartsaver: Turning flash driver into a disk energy saver formobile computers.2006.

Andreas Merkel and Frank Bellosa.Balancing power consumption in multiprocessor systems.pages 403–414, 2006.





Fim

Obrigado pela atenção!


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