基于性能和能耗权衡模型的分时系统动态调频技术研究

摘要

随着计算机技术的飞速发展和普及，计算机性能按照摩尔定律指定的速率发生着日新月异的变化。然而一味的提升性能逐渐凸显了计算机系统其他方面的问题，其中功耗能耗问题就是性能发展过程中难以逾越的一道障碍。
　　 电子计算机计算能力的不断提升造成元器件规模越来越大，电能的损耗剧烈提升。电能损耗伴随着大量热能的产生，会使元器件工作不稳定，寿命下降，因此必须配备冷却系统。元器件和冷却设备的总能耗日益增加，已经逐渐受到越来越多人的关注。
　　 计算机系统并不总是处于高负载状态，这就为功耗能耗控制留下空间。随着低功耗低能耗技术的发展，各种新技术的诞生也为功耗能耗控制提供了更为丰富的手段。本论文针对应用广泛的分时系统，针对占主导地位的处理器的功耗能耗，利用动态调频技术，在操作系统层面为降低计算机系统的功耗能耗提供了一套完整的解决方案。该方案综合考虑用户对系统性能的需求以及当前系统运行任务的动态指令特征，通过控制处理器执行频率，实现了计算机系统的性能和能耗均衡状态。
　　 本论文开展的主要研究工作包括:
　　 1.通过对计算机系统发展现状的总结，分析计算机功耗能耗问题的严峻现状，说明降低功耗和能耗的重要意义。通过介绍当前相关领域的研究成果，论证了针对分时系统低功耗能耗技术的必要性。进而分析了各个研究层次的优劣，确定在操作系统层面上对分时系统进行功耗和能耗控制的总体方案;
　　 2.立足性能和能耗的均衡，从分析指令产生功耗能耗和时间开销的原理入手，通过严格的理论分析，建立性能和能耗与处理器频率之间的关系，提出最佳节能条件，进而建立了性能能耗权衡模型。通过进一步理论分析，最终获得最佳节能频率的计算公式;
　　 3.结合实际计算机系统，提出基于性能能耗权衡模型的动态调频策略。借助新出现的计算机技术，设计了采用动态信息收集和细粒度调频的实施方案。针对理论与实际之间的差异，为实现离散频率下最佳节能频率的近似，理论分析出最优频率分布所需要满足的条件;
　　 4.在实际的Linux操作系统中实现了一个频率管理模块，示例性的给出动态调频策略的实现方法。该频率管理模块遵循当前Linux调频框架，并结合当前Linux操作系统的进程模型，在合适的地方加入收集信息和计算和调节频率的代码。最终在Linux中实现了一套低开销且能直观控制性能并有效节省能耗的频率管理方法;
　　 5.通过分析当前计算机系统功耗能耗研究领域验证实验中普遍存在的门槛高的问题，设计了一套简单易用的基于电池的实验平台。通过一系列实验的设计与实现，不仅验证了本论文的研究结论，也演示了如何使用该实验平台为功耗能耗研究服务。
　　 本论文研究的新贡献如下:
　　 1.针对广泛应用的分时系统，提供了一套完备的功耗能耗解决方案。其创新点在于:设计使用了系统性能损失这一直观的性能描述方法;定义了符合用户需求的最佳节能条件用于描述系统性能能耗均衡状态;首次从理论分析角度得到离散频率环境下的最优频率分布，得到频率分析结果的理论最佳逼近;
　　 2.在实际的操作系统中实现了提出的动态调频策略。加入该动态调频策略的Linux操作系统具有如下新的特性:增加了友好的控制性能的用户接口;提供了通过提供性能需求优化系统功耗能耗的能力;可以保证在满足用户需求的前提下，最大限度的降低系统能耗;增加的模块开销低，效果明显。目前尚未发现有类似的工作;
　　 3.提出了一种全新的计算机功耗能耗的研究实验平台。该平台具有如下特点:实验软硬件要求低，极大的降低了功耗能耗研究的实验难度;测量结果真实可靠，可参考性强;非常适合验证实际系统真实效果。
　　 论文从理论分析入手，提出了降低分时系统功耗能耗的解决方案，并在实际操作系统中实现，验证了理论分析与解决方案的正确有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 计算机系统的功耗和能耗问题

1．1．2 操作系统在系统节能中的作用

1．2 相关技术发展现状

1．2．1 ACPI技术

1．2．2 DVFS技术

1．2．3 处理器性能监控技术

1．3 论文的工作

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

1．4 论文的组织结构

第二章 相关研究工作

2．1 DVFS技术下的低功耗／能耗研究

2．1．1 实时系统低功耗／能耗研究

2．1．2 分时系统低功耗／能耗研究

2．2 不同层次的低功耗／能耗研究

2．2．1 硬件层次低功耗／能耗研究

2．2．2 软件层次低功耗／能耗研究

2．3 其他低功耗／能耗研究

2．4 本章小结

第三章 基于电池的实验平台

3．1 功耗／能耗测量方法现状

3．2 一种新型基于电池的实验平台

3．2．1 实验平台工作原理

3．2．2 实验平台具体参数

3．2．3 实验平台优缺点

3．3 平台参数测量

3．3．1 时间测量方法开销

3．3．2 调频开销

3．3．3 性能监控计数器特征

3．3．4 缓存参数测量

3．3．5 系统功率测量

3．3．6 测试程序介绍

3．4 本章小结

第四章 性能能耗权衡模型与最佳节能频率

4．1 性能和功耗／能耗的理论分析

4．1．1 程序执行时间模型

4．1．2 性能描述

4．1．3 功耗和能耗描述

4．2 性能能耗权衡模型

4．2．1 最佳节能条件

4．2．2 性能能耗权衡模型形式化定义

4．3 最佳节能频率

4．3．1 理论推导

4．3．2 结论后续分析

4．4 实验及结果分析

4．4．1 程序时间模型参数测量

4．4．2 实测不同任务性能损失

4．4．3 实测功耗能耗随频率变化特征

4．4．4 最佳节能频率验证

4．5 本章小结

第五章 基于性能能耗权衡模型的动态调频策略

5．1 实际分时系统中的最佳节能频率

5．2 动态信息收集

5．3 细粒度调频

5．4 离散频率下的频率分配

5．4．1 问题分析

5．4．2 最优频率分布

5．4．3 静态能耗扩展

5．5 动态调频策略框架

5．6 静态能耗扩展效果验证实验

5．7 本章小结

第六章 动态调频策略在Linux中的实现

6．1 Linux原有频率管理策略

6．2 动态调频策略设计与实现要点

6．2．1 确立任务集

6．2．2 获取任务指令特征

6．2．3 确定性能损失

6．2．4 频率分配

6．3 动态调频策略相关的关键数据结构

6．4 动态调频策略相关的关键例程

6．4．1 任务状态切换相关的操作

6．4．2 任务换入换出相关的操作

6．4．3 频率分布代码

6．4．4 其他实现

6．5 实验结果分析

6．5．1 开销分析

6．5．2 FMM的实现效果

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 论文的主要工作

7．2 论文的贡献

7．3 进一步工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果