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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
IntroduçãoPadrões de gerência de energia
Gerência de energia
1 IntroduçãoSistemas operacionais modernosMotivações para gerência de energia
2 Padrões de gerência de energiaPNPBIOSAPMACPI
3 Gerência de energiaDisco rígidoProcessadorHibernação
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IntroduçãoPadrões de gerência de energia
Gerência de energia
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);
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Gerência de energia
Sistemas operacionais modernosMotivações para gerência de energia
Sistemas operacionais modernos – Tarefas adicionais
Controle de vários usuários (gerência de usuários);Suporte a segurança dos dados (criptografia, backup);Gerência de energia;
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Sistemas operacionais modernosMotivações para 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;
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Sistemas operacionais modernosMotivações para gerência de energia
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;
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Gerência de energia
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)
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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;
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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;
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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;
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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”
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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;
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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;
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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);
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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;
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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;
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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;
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PNPBIOSAPMACPI
Estados de energia
Estados de processador
C0 Estado operacional;C1 Suspenso;C2 Sem clock;C3 Dormindo;
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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;
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Disco rígidoProcessadorHibernação
Gerência de energia
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;
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Disco rígidoProcessadorHibernação
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;
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Disco rígidoProcessadorHibernação
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;
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Disco rígidoProcessadorHibernação
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;
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Disco rígidoProcessadorHibernação
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;
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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;
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Figura: Vários valores de limiar.
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Figura: Intervalos para diferentes valores de τ .
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(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.
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Figura: Diagrama de transições de estados.
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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;
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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).
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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;
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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;
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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.
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Solução para conservação de energia com a utilização deflash drives
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;
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Solução para conservação de energia com a utilização deflash drives
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.
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Solução para conservação de energia com a utilização deflash drives
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
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Solução para conservação de energia com a utilização deflash drives
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.
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Solução para conservação de energia com a utilização deflash drives
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
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Solução para conservação de energia com a utilização deflash drives
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
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Solução para conservação de energia com a utilização deflash drives
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
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Solução para conservação de energia com a utilização deflash drives
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
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Solução para conservação de energia com a utilização deflash drives
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Solução para conservação de energia com a utilização deflash drives
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;
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Solução para conservação de energia com a utilização deflash drives
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;
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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;
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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;
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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;
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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;
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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;
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Gerência de energia
Disco rígidoProcessadorHibernação
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;
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Gerência de energia
Disco rígidoProcessadorHibernação
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.
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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;
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Disco rígidoProcessadorHibernação
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;
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Figura: Potência dissipada dos 8 processadores com balanceamento deenergia desabilitado (máximo: 60W).
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Disco rígidoProcessadorHibernação
Figura: Potência dissipada dos 8 processadores com balanceamento deenergia habilitado (máximo: 60W).
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Disco rígidoProcessadorHibernação
Figura: Migração de hot task de uma única tarefa.
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Disco rígidoProcessadorHibernação
Tecnologias de economia de energia de processador
SpeedStepPowerNow!Cool’n’Quiet
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Gerência de energia
Disco rígidoProcessadorHibernação
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;
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Gerência de energia
Disco rígidoProcessadorHibernação
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;
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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;
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Gerência de energia
Disco rígidoProcessadorHibernação
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;
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Disco rígidoProcessadorHibernação
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”;
Crístian Viana e Priscila Saboia Gerenciamento de Energia em Sistemas Operacionais
IntroduçãoPadrões de gerência de energia
Gerência de energia
Disco rígidoProcessadorHibernação
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”;
Crístian Viana e Priscila Saboia Gerenciamento de Energia em Sistemas Operacionais
IntroduçãoPadrões de gerência de energia
Gerência de energia
Disco rígidoProcessadorHibernação
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.
Crístian Viana e Priscila Saboia Gerenciamento de Energia em Sistemas Operacionais
IntroduçãoPadrões de gerência de energia
Gerência de energia
Disco rígidoProcessadorHibernação
Fim
Obrigado pela atenção!
Crístian Viana e Priscila Saboia Gerenciamento de Energia em Sistemas Operacionais