计算机研究与发展 ISSN1000-1239CN11-1777T Journal of Computer Research and Develop 45(5):817~824,2008 操作系统电源管理研究进展 赵霞2陈向群'郭耀”杨芙清ˉ 1(北京大学信息科学技术学院软件研究所高可信软件技术教育部重点实验室北京100871) 2(北京工商大学计算机学院北京100037) (zhaox@thbtbu,.edu.cn) A Survey on Operating System Power Management Zhao Xia 2, Chen Xiangqun, Guo Yao, and Yang Fuqing I (Key Laboratory of High Confidence Software Technologies (Ministry of Education ), Institute of Softuare, School of Electronics Engineering and Computer Science, Peking University, Beijing 100871) (College of Computer Science and Technology, Beijing Technology and Business University, Beijing 100037) Abstract With the rapid development of micro-electronics and mobile computin industry. As the resource manager of systems, operating system power management makes decision based on the characteristics of workload and hardware components, in order to reduce energy consumption while satisfying the performance constraints of applications simultaneously. Because of the diversity of applications and complexity of multi-task operating system concurrency, OS dynamic power management strategy is facing workload uncertainty. One of the key issues becomes the trade- ff between performance and energy consumption. In this the os dynamic power management chniques are surveyed from the directions of optimal control strategy and operating system design. From the ive of optim two types of dynamic power management strategies, namely dynamic power management and dynamic d in detail. From the perspective of operating system design, how to abstract power resources and how to design power management mechanisms and strategies in existing OS resources management framework are also important issues. Some key ideas and recent progresses on these issues are discussed. Finally, several challenges and open issues in Os power management are summarized Key words operating system power management; dynamic power management; dynamic voltage scaling: low energy consumption 系统级动态电源管理技术的关键问题是在系统性能与能耗之间进行权衡,在硬件提供支持的 基础上,操作系统电源管理的优势在于操作系统作为系统资源管理者,根据工作负载和硬件资源电源状 态的特征,在满足系统性能约柬条件下作出电源管理决策和控制,降低系统能耗.从优化控制策略和操 作系统资源管理的角度,综述操作系统电源管理研究现状及其关键技术.对两类动态电源管理策略进 行详细分析,讨论了从资源管理角度进行操作系统电源管理的研究思路和问题,对当前面临的主要问题 和发展趋势进行了总结和展望 关键词操作系统;电源管理;动态功耗管理;动态频率调节;低能耗 中图法分类号TP316 收稿日期:2007-06-08;修回日期:200802-02 基金项目:国家“八六三”高技术研究发展计划基金项目(2004AA1Z2024,2007AA010304,2007AA01Z462)
计 算 机 研 究 与 发 展 JournalofComputerResearchandDevelopment ISSN 1000—1239／CN 11-17771TP 45(5)：817～ 824，2008 操作 系统 电 源管 理研 究进 展 赵 霞 陈向群 郭 耀 杨芙清 (北京大学信息科学技术学 院软件研究所 高可信软件技术教育部重点 实验 室 北京 100871) z(北京工商大学计算机学院 北京 100037) (zhaox@ th．btbu．edu．cn) A Survey on Operating System Power M anagement Zhao Xia 一，Chen Xiangqun ，Guo Yao ，and Yang Fuqing (Ke Laboratoryof HighConfidenceSoftwareTechnologies(Ministryof Education)，Instituteof Software'Schoolof ElectronicsEngineeringand ComputerScience，PekingUniversity，Beijing 100871) (CollegeofComputerScienceand Technology，BeijingTechnologyandBusinessUniversity，Beijing100037) Abstract W ith the rapid developm ent of micro—electronics and mobile com puting technology， reducing power dissipation of computing systems has become a hot topic for both academia and industry． Asthe resourcem anagerofsystems，operating system power managem entmakes decision based on the characteristics of workload and hardware com ponents， in order to reduce energy consumption whilesatisfying the performance constraintsofapplications sim ultaneously． Becauseof thediversityofapplicationsand complexity ofm ulti—task operating system concurrency，OS dynamic powermanagem entstrategyisfacing workload uncertainty． Oneofthekey issuesbecomesthetrade— offbetween performanceand energy consumption． In thispaper，theOS dynamicpowerm anagement techniquesare surveyed from the directionsofoptimalcontrolstrategy and operating system design． From the perspective ofoptimalcontrolstrategy， an OS powerm anagem entsub—system modeland two typesofdynamicpowerm anagementstrategies，namely dynamicpowermanagem entand dynamic voltage scaling are summ arized in detail． From the perspective ofoperating system design，how to abstractpowerresourcesand how to design powermanagementmechanismsand strategiesin existing OS resourcesm anagementfram ework arealso im portantissues．Som ekeyideasand recentprogresses on theseissuesarediscussed．Finally，severalchallengesandopenissuesinOS powerm anagementare SUm marized． Key words operating system ； power management； dynam ic power management； dynamic voltage scaling；low energy consumption 摘 要 系统级 动 态 电源 管理技 术 的关键 问题 是 在 系统性 能与 能耗 之 间进 行 权衡 ．在 硬 件提 供 支持 的 基础上 ，操 作 系统 电源 管理 的优 势在 于操作 系统作 为 系统 资源 管理 者 ，根 据 工作 负载 和硬件 资 源 电源状 态的特 征 ，在 满足 系统性 能 约束条 件 下作 出电源 管理 决策 和控制 ，降低 系统 能耗．从 优 化控 制 策略 和 操 作 系统 资源管理 的 角度 ，综述 操作 系统 电源 管理 研 究现 状 及 其 关键 技 术．对 两类 动 态 电源 管理 策 略 进 行详 细分 析 ，讨 论 了从 资源 管理 角度 进行操 作 系统 电源 管理 的研 究思路 和 问题 ，对 当前 面 临的 主要 问题 和发展 趋 势进行 了总结 和展 望． 关键词 操作 系统 ；电 源管理 ；动 态功耗 管理 ；动 态频 率调 节 ；低 能耗 中 图 法 分 类 号 TP316 收 稿 日期 ；2007—06—08；修 回 日期 ：2008—02—02 基 金 项 目 ：国 家 “八 六 三 ”高 技 术研 究 发展 计 划基 金项 目(2004AA1Z2024，2007AA010304，2007AA01Z462) 维普资讯 http://www.cqvip.com
818 计算机研究与发展2008,45(5) 随着微电子技术和移动计算技术的快速发展,都依据CMOS电路的功耗原理.CMOS电路功耗 能耗和散热问题日益突出,特别在采用电池供电的分为3类:动态功耗、静态功耗和泄漏功耗.泄漏功 系统中降低能耗已经成为和提高性能、降低成本同耗相对较小,可以忽略.静态功耗由于供电电源和 等重要的设计目标,推动人们从能耗角度重新考虑地之间漏电流造成,相对较小,但由于芯片特征尺寸 系统设计和实现 缩小而明显提高,在低功耗设计中逐渐受到重视 低功耗技术研究出现于硬件电路设计领域,动态功耗是门电路跳变的功耗在CMOS电路功耗 随着研究的发展,在体系结构、编译器、操作系中占主要部分,是低功耗技术中的主要研究对象 统及网络等各层次展开,涉及领域包括嵌入式系统 根据动态功耗和能耗表达式[67,CMOS器件 桌面系统和服务器系统等.管理的硬件从磁盘、人的动态功耗是供电电压的单调递增函数即如果电 机交互设备、网卡等各类外设到处理器、内存和总线 压降低为原来的1k,则动态功耗P近似为原来的 等核心部件 1/3;能耗近似为原来的1/k2.降低电压会造成 在电能有限的条件下,电源管理的目标是提高 计算机系统的能耗效率,关键在于系统性能与能耗CMOS电路的延迟,从而同步降低时钟频率 之间的权衡.在多任务并发的操作系统中,系统的 在此基础上,器件级低功耗设计技术通常采取 能耗是工作负载驱动硬件操作的结果.由于应用场降低供电电压、降低时钟频率或者减少硬件电路的 景和任务特征的多样性和存在性能约束,以及操作分布电容等方法来降低器件的功耗充分发挥可调 系统对任务的管理调度作用,给电源管理决策带来节功耗的系统部件的低功耗特性成为软件电源管理 复杂性和不确定性因素;硬件电源状态转换固有的技术的降低系统能耗的重要途径.以笔记本电脑为 能耗与时间开销,也是电源管理决策不可忽视的影例,显示屏背光处理器以及硬盘这3个部件能耗占 响因素 系统总能耗的57%~68%6,通过软件技术控制硬 传统的硬件低功耗技术从电路设计角度降低局盘空闲时停转,调低显示屏背光亮度等就可以显著 部器件功耗,难以顾及任务运行特征,降低能耗的程降低系统能耗 度和范围有限.而操作系统能够在系统运行期间根 在空闲外设被关闭情况下,处于运行态的系统 据系统运行状态,动态调节系统部件功耗状态,在系主要能耗来自于处理器.因此,处理器的动态功耗 统范围内更有效地发挥低功耗硬件的特性,降低系管理和电压调节技术是软硬件低能耗研究者们的关 统能耗因此,如何根据工作负载的复杂性和不确注热点 定性进行电源管理决策和控制,在不降低用户可察 根据所管理的硬件特性抽象电源管理子系统模 觉的系统性能情况下降低系统能耗,成为移动计算型是操作系统电源管理研究的出发点根据硬件特 和操作系统研究领域的热点问题 性的区别,把操作系统电源管理策略研究内容划分 20世纪90年代以来,操作系统电源管理技术为两类:动态功耗管理( dynamic power management) 受到广泛重视,研究的关注点可以分为策略与算法 策略和动态电压调节( dynamic voltage scaling) 资源管理机制、规范与接口等多个方面 从优化控制角度来看,操作系统电源管理的主策略 要问题是在硬件特性基础上研究电源管理系统模型1.1电源管理子系统模型 以及电源管理策略.从操作系统设计角度来看,操 Stanford大学的 Benin等人给出动态功耗 作系统管理电源资源面临的主要问题是如何扩充现管理的概念:根据工作负载的变化,选择性地设置系 有操作系统资源管理框架来支持电源管理,以及如统部件到低功耗状态或者关闭空闲系统部件,以最 何把电源当做一种资源进行操作系统资源抽象建小的活动部件数目或最小的部件功耗来提供系统所 立高效资源管理机制 需的服务和性能级别 电源管理软件和被管理的系统部件被抽象为如 1操作系统电源管理模型与策略 图1所示的子系统,由电源管理器( power manager 和系统部件构成.电源管理器监视系统运行,决策 操作系统电源管理技术的硬件基础是系统部件选择何种功耗状态及状态转换时间,并实施控制过 的低功耗特性.虽然硬件的种类繁多,但降低能耗程.可管理部件是系统部件或整个系统的抽象,用
818 计 算 机 研 究 与 发 展 2008，45(5) 随着 微 电子 技术 和 移 动 计算 技 术 的快 速 发展 ， 能耗 和 散热 问题 日益 突 出 ，特 别 在 采用 电池 供 电 的 系统 中降低 能耗 已经 成 为 和 提 高性 能 、降 低 成 本 同 等 重要 的设计 目标 ，推 动人 们 从 能耗 角度 重 新 考 虑 系统设 计和实 现． 低 功耗技 术研 究 出现 于 硬 件 电路 设 计 领 域 [1]， 随着 研究 的发 展 ，在 体 系结构 ]、编 译器 [3]、操 作 系 统 及 网络等各 层次 展开 ，涉及 领域 包括嵌 入 式系统 、 桌 面 系统和 服务 器 系统 等 ．管 理 的硬 件从 磁 盘 、人 机 交互设 备 、网卡 等各类 外设 到处 理器 、内存 和 总线 等 核心 部件． 在 电 能有 限 的条 件 下 ，电源 管理 的 目标 是 提 高 计 算机 系统 的能耗 效 率 ，关 键 在 于 系统 性 能 与 能耗 之 间 的权衡．在 多 任 务 并 发 的操 作 系统 中 ，系 统 的 能耗是 工作 负载驱 动硬 件操 作 的结 果．由于应 用 场 景 和任 务特 征的 多样 性 和 存 在 性 能约 束 ，以及 操 作 系统对 任务 的管 理调 度 作 用 ，给 电源管 理 决 策 带来 复杂性 和不确 定性 因素 ；硬 件 电源 状态 转 换 固有 的 能耗与 时 间开销 ，也 是 电源 管 理 决 策 不可 忽 视 的影 响因素 ． 传 统 的硬 件低 功耗 技术 从 电路 设计 角度 降低 局 部 器件 功耗 ，难 以顾及 任务 运行特 征 ，降低能 耗 的程 度 和范 围有 限．而操作 系统 能够 在 系统 运 行期 间根 据 系统 运行状 态 ，动态 调节 系统部 件功耗 状态 ，在 系 统 范 围内更有 效 地 发挥 低 功 耗 硬件 的特 性 ，降 低 系 统 能耗 因此 ，如何 根 据 工 作 负 载 的复 杂 性 和 不确 定 性进 行 电源管 理决 策 和 控 制 ，在 不 降低 用 户 可察 觉 的系统性 能情况 下降 低 系 统 能 耗 ，成 为 移 动 计算 和操作 系统研 究领 域 的热点 问题． 2O世 纪 9O年 代 以来 ，操 作 系统 电 源管 理 技 术 受 到广 泛重视 ，研究 的关 注 点可 以分为 策略 与算法 、 资源管 理机制 、规 范与接 口等多个 方面 ． 从 优 化控 制 角 度来 看 ，操 作 系统 电源管 理 的 主 要 问题 是在硬 件特 性基 础上研 究 电源管 理系 统模 型 以及 电源管理 策 略 ．从 操 作 系 统 设 计 角 度来 看 ，操 作 系统 管理 电源 资源 面临 的主要 问题 是如何 扩充 现 有 操作 系统 资源 管理 框 架来 支持 电源 管 理 ，以及 如 何 把 电源 当做 一种 资 源 进 行操 作 系统 资 源抽 象 ，建 立 高效 资源管 理机 制． 1 操作 系统 电源管理模型与策 略 操作 系统 电源 管理技 术 的硬件 基础是 系 统部件 的低 功耗 特性．虽 然 硬 件 的种 类 繁多 ，但 降 低 能耗 都 依据 CMOS电 路 的 功耗 原 理 ．CMOS电路 功耗 分 为 3类 ：动态 功耗 、静态 功耗 和 泄漏 功耗 ．泄 漏功 耗 相对 较小 ，可 以忽 略．静 态 功耗 由 于 供 电 电源 和 地 之 间漏 电流造 成 ，相 对较 小 ，但 由于芯 片特 征尺寸 缩 小而 明显 提 高 ，在 低 功 耗 设 计 中逐 渐 受 到 重 视． 动态 功 耗是 门 电路 跳 变 的 功耗 在 CMOS电路 功 耗 中 占主要部 分 ，是低功 耗技 术 中的 主要研究 对 象． 根 据 动 态 功 耗 和 能 耗 表 达 式[6。]，CMOS器 件 的动态 功耗 是供 电电压 的单 调 递 增 函数 ，即如果 电 压 降低 为原 来 的 ilk，则 动 态 功 耗 P 近 似 为原 来 的 ilk。；能 耗 近 似 为 原 来 的 ilk。． 降 低 电 压 会 造 成 CMOS电路 的延 迟 ，从 而 同步 降低 时钟频 率 ]． 在 此 基础 上 ，器 件 级低 功 耗 设 计 技术 通 常 采取 降 低供 电电压 、降低 时 钟 频 率 或者 减 少 硬 件 电路 的 分 布 电容等方 法来 降低 器 件 的功耗 ．充 分 发挥 可调 节 功耗 的 系统部 件 的低 功 耗特性 成 为软 件 电源管理 技术 的降低 系统 能耗 的重要 途 径．以笔 记 本 电脑 为 例 ，显 示屏背 光 、处理 器 以及硬盘 这 3个 部件 能耗 占 系统 总能耗 的 57 ～ 68 [8]，通 过 软 件技 术 控 制硬 盘 空 闲时停 转 ，调低 显 示 屏 背 光亮 度 等 就 可 以显著 降 低 系统能 耗． 在 空 闲外 设 被 关 闭情 况 下 ，处 于 运行 态 的系统 主要能 耗来 自于 处 理 器．因此 ，处 理 器 的 动态 功耗 管 理和 电压 调节 技术 是软 硬件低 能 耗研究 者 们 的关 注 热点 ． 根 据所 管理 的硬 件特 性抽 象 电源管 理子 系统模 型 是操 作 系统 电源 管理 研 究 的 出发 点．根 据 硬 件特 性 的 区别 ，把 操 作 系统 电 源 管理 策 略 研 究 内容 划分 为两 类 ：动态 功 耗管 理 (dynamicpowermanagement) 策 略 和 动 态 电 压 调 节 (dynamicvoltagescaling) 策 略． 1．1 电源 管理 子 系统 模 型 Stanford大 学 的 Benini等 人 [g给 出 动 态 功 耗 管 理 的概念 ：根据 工作 负 载 的变化 ，选择性 地设 置 系 统 部件 到低 功耗 状 态或 者 关 闭空 闲系 统 部 件 ，以最 小 的活 动部 件数 目或最 小 的部 件功 耗来 提供 系统所 需 的服 务 和性 能 级别 ． 电源管 理软 件和被 管 理 的系统 部件被 抽 象为如 图 1所示 的子 系统 ，由电源 管理器 (powermanager) 和 系统 部件 构成 ．电源 管 理 器监 视 系统 运 行 ，决 策 选 择何 种功 耗状 态 及状 态 转 换 时 间 ，并 实 施 控制 过 程 ．可管理 部 件 是 系统 部 件或 整 个 系统 的抽 象 ，用 维普资讯 http://www.cqvip.com
赵霞等:操作系统电源管理研究进展 819 电源状态机来建模,如图2所示,每个状态代表特和需求,比较通用.超时策略的主要缺陷是等待超 定能耗及性能级别,状态间弧线标注是状态间转换时过程中增加能耗,唤醒部件时会造成系统部件响 时间 应延迟.如果超时阈值选择不当会带来性能损失或 者降低节能效率,针对非平稳工作负载,可以通过 Power Manag Workload 保存阈值、加权平均以及动态自适应等方法12优 Observer 化超时阈值.研究表明,对无线网络传输设备等具 Observation 有非平稳自相似业务请求的设备,最优的动态功耗 管理策略是超时策略(确定性 Markov策略)13. System Components 1.2.2基于预测的DPM策略 Fig. 1 Abstract model of the power management 动态预测策略分为预测关闭14和预测唤醒15 策略.预测关闭根据预测结果关闭系统部件;预测 图1电源管理子系统抽象模型 唤醒则根据预测的空闲时间提前唤醒部件. P=400 mw 预测方法属于启发式方法,假设系统部件访问 在时间上存在关联性,未来的空闲时间可以通过历 史信息进行估算,如何提高部件空闲时间预测的准 P=0.16mW 确度是这类研究面临的主要问题.一种采用离线的 非线性回归方法14可以较好地拟合系统部件空闲 时间特征,但对应用依赖较严重,并需要离线计算, Fig. 2 Power state machine processor 适用于事先确定的工作负载.指数滑动平均方 图2处理器的功耗状态图 法13易于实现并具有较高的准确性,应用范围较 在该模型基础上评价电源管理策略的基本指标广.基于BP神经网络自适应学习来预测系统空闲 是策略可利用性,该指标依赖于部件的电源状态特时间6的方法无需预先获得工作负载特性,具有传 征、工作负载特征以及性能约束定义.其中,部件的统回归算法不可比拟的优点 电源状态特征通过部件低功耗状态的能耗平衡时间1.2.3基于随机过程的优化策略 来表达,表示部件能够节能所需要的最短空闲时间. 基于随机过程的优化策略是通过较高层次数学 该电源管理孑系统模型从过程控制的角度,强抽象建立系统的概率模型,解决启发式方法遇到的 调电源管理器对系统部件的监视和控制作用以及系最优化问题 统部件的电源状态特征,对电源管理策略研究和评 基于随机过程的方法用 Markov链对部件能 估具有重要的参考价值. 耗、状态转换时间和工作负载的不确定性建模,定义 1.2动态功耗管理策略 给定性能约束下的全局能耗优化问题,用线性规划 在系统部件确定的情况下,操作系统电源管理方法求解.需要得到系统工作负载的先验信息,但 器决策面临的主要问题是对工作负载特征进行建系统工作负载很难提前建模.一种改进静态随机过 模,在性能约束条件下,对系统部件功耗状态转换程的方法1在不同的工作负载下在线地学习,动态 时机和选择何种状态作出决策.根据对工作负载特调节工作负载的 Markov模型参数 征抽象方法不同,把动态功耗管理策略分为3类:超 用这种方法得到的性能和能耗是期望值,不能 策略、基于预测的启发式策略和基于随机过程的保证对特定工作负载得到最优解.构造的 Markov 优化策略. 模型只是复杂随机过程的近似,如果模型不准确,优 1.2.1超时策略 化策略也只是近似解.与启发式方法相比,该方法 超时策略是最简单通用的DPM策略.如果求解复杂度和计算开销较大,实际中难以直接实现 部件空闲时间超过预定的时间,则该策略认为未来但可以用于离线系统分析和DPM策略评估. 的空闲时间将大于部件的能耗平衡时间,从而设置 从前面的分析可以看到,动态功耗管理策略的 系统为低功耗状态,该策略不关注应用的特征差异安全性和效率很大程度上取决于所管理部件电源状
赵 霞等 ：操作 系统 电源管理 研究 进展 819 电源状态 机来 建 模 ，如 图 2所 示 ．每个 状 态 代表 特 定 能耗及 性能 级别 ，状 态 间弧 线 标 注 是状 态 间 转换 时间． PowerM anager W orkload 乓 Fig． 1 Abstract model subsystem． 图 1 电 源 管理 子 系 统 抽 象 模 型 Fig．2 Powerstatemachineofaprocessor 图 2 处 理 器 的功 耗 状 态 图 在 该模 型基 础上评 价 电源 管理 策 略的基 本指 标 是 策略 可利用 性．该 指标 依 赖 于部 件 的 电源 状 态特 征 、工作 负载 特征 以及性 能 约束 定 义．其 中 ，部 件 的 电源状态 特征 通过 部件 低功 耗状 态 的能耗 平衡 时 间 来表 达 ，表 示部 件 能够节 能所 需要 的最短 空 闲时 间． 该 电源 管 理子 系统 模 型从 过 程 控 制 的 角度 ，强 调 电源管 理器 对 系统部 件 的监视 和控 制作 用 以及 系 统部 件 的电源状 态 特 征 ，对 电源 管 理 策 略研 究 和评 估具 有重要 的参 考价 值． 1．2 动态 功耗 管理 策 略 在 系统 部件 确 定 的情况 下 ，操 作 系 统 电 源管 理 器决策 面 临 的主 要 问题 是 对 工 作 负 载 特 征 进 行 建 模 ．在性 能约 束 条 件 下 ，对 系统 部 件 功 耗 状 态 转 换 时机和选 择何 种状 态作 出决策 ．根 据对 工 作 负载 特 征 抽象 方法不 同 ，把动 态功 耗管 理 策略分 为 3类 ：超 时策略 、基 于预测 的启发 式 策 略 和基 于 随 机 过 程 的 优 化策 略． 1．2．1 超 时策 略 超 时策 略_1阳是 最简 单通 用 的 DPM 策 略．如 果 部件 空 闲时 间超过 预 定 的时 间 ，则 该 策 略 认 为 未来 的空 闲 时间将 大 于部 件 的能 耗 平衡 时 间 ，从 而设 置 系统 为低 功耗 状态 ．该 策 略不 关 注应 用 的 特征 差异 和需 求 ，比较 通 用．超 时 策 略 的 主 要 缺 陷是 等待 超 时 过程 中增 加能耗 ，唤 醒 部件 时会 造 成 系统 部件 响 应延 迟．如 果超 时 阈值选 择不 当会 带来 性能 损 失或 者 降低节 能效 率 ．针 对 非 平 稳 工 作 负 载 ，可 以通 过 保存 阈值 、加权 平 均 以及 动 态 自适应 等 方 法口 优 化超 时 阈值．研 究 表 明 ，对 无 线 网 络传 输 设 备 等 具 有非 平稳 自相 似业 务 请 求 的设 备 ，最 优 的动 态 功 耗 管理 策 略是超 时策 略 (确定 性 Markov策 略)_l． 1．2．2 基于 预测 的 DPM 策略 动态 预测 策 略分 为预 测 关 闭n 和 预 测 唤 醒口5J 策略 ．预 测关 闭 根 据 预 测 结 果 关 闭 系统 部 件 ；预 测 唤醒则 根 据预测 的空 闲时 间提前 唤醒部 件． 预测 方 法 属 于启 发 式 方法 ，假设 系 统部 件 访 问 在时 间上存 在关 联 性 ，未 来 的空 闲时 间可 以通 过 历 史 信 息进 行估算 ，如何 提 高 部 件 空 闲时 间预 测 的准 确度 是 这类研 究 面 临的主 要 问题 ．一种 采用 离线 的 非线性 回归 方 法 可 以较 好 地 拟合 系统 部 件 空 闲 时间特 征 ，但 对应 用依 赖 较 严 重 ，并 需 要 离 线计 算 ， 适 用 于 事 先 确 定 的 工 作 负 载 ．指 数 滑 动 平 均 方 法 _l易 于实 现 并 具 有 较 高 的 准 确 性 ，应 用 范 围较 广 ．基于 BP神经 网 络 自适应 学 习来 预 测 系 统 空 闲 时 间rl 的方法 无需 预先 获得 工 作 负载 特 性 ，具 有传 统 回归 算法不 可 比拟 的优 点． 1．2．3 基于 随机 过程 的优 化策 略 基 于随机 过 程 的优 化 策略是 通过 较 高层次 数学 抽象 建 立系统 的概 率模 型 ，解 决启 发 式 方 法 遇到 的 最优 化 问题 ． 基 于随 机 过 程 的 方 法 用 Markov链 对 部 件 能 耗 、状 态 转换 时 间和工作 负 载 的不 确 定性建 模 ，定 义 给定 性 能约束 下 的全 局 能 耗 优 化 问题 ，用 线性 规 划 方法 求解 ．需 要 得 到 系 统 工 作 负 载 的先 验 信 息 ，但 系统工 作 负载很 难 提前 建模 ．一 种 改 进静 态 随机 过 程 的方法 _l在不 同的工作 负 载 下 在线 地学 习 ，动 态 调 节工 作 负载 的 Markov模 型参 数． 用 这 种 方法 得 到 的性 能和 能 耗 是期 望 值 ，不 能 保 证对 特定 工 作 负 载 得 到 最 优 解 ．构 造 的 Markov 模 型 只是复 杂 随机过 程 的近似 ，如 果模 型不 准确 ，优 化 策 略也 只是 近 似 解．与 启 发 式 方 法相 比 ，该 方法 求 解复 杂度 和计 算 开销较 大 ，实 际中难 以直 接实 现 ， 但 可 以用于 离线 系统 分析 和 DPM 策略 评估 ． 从 前 面 的分 析 可 以看 到 ，动态 功 耗管 理 策 略 的 安全 性 和效率 很 大程度 上 取决 于所 管理 部件 电源状 维普资讯 http://www.cqvip.com
计算机研究与发展2008,45(5) 态特性,以及系统中所运行的工作负载的特性.对各种策略的总结与比较见表1所示: Table 1 Comparison of Three Power Management Strategies 表1三类动态功耗管理策略的比较 Features &.Efficiency Applicability Workload Features Timeout When the idle period exceeds a fixed Safety can be improved by increasing Various kinds Does not consider of components workload features to low power state. threshold may cause energy and performance penalty. Predictive Predicts the current idle period based Depends on workload features: more Efficient when Strategy on the recent idle and active periods, If efficient than the timeout approach he preset condition is satisfied, the but less safe. board, touch predictive timing component is switched to low power Normally based on heuristics. creen, and patterns state as soon as it becomes idle Stochastic Assumes stochastic models for Depends on the stochastic model of Hard disk Markov model for Optimal component state transition, workload, the components and workloads. components and Strategy and cost matrix searches for the The optimal policies are workload is ptimal states through learning. approximate soluti required for policy optimization 1.3动态电压调节策略 满足性能需求,需要在DVS策略中引入表达性能约 DVS技术主要针对处理器等电压/频率可调节束的抽象,把处理器频率调节与任务调度结合起来 的系统部件.根据功耗和频率的递增凸函数关系,研究带有DVS目标的任务调度问题 在完成同样的工作量情况下,当处理器稳定在尽可 在硬实时嵌入式系统中,每个任务有明确的到 能低的频率上时能耗最低1.另一方面,应用程序达时间和截止时间.通过用形式化方法描述实时任 并非总是需要以最快的速度执行,如果能以较低处务调度条件下的处理器调频问题,可以给出离线的 理器频率满足任务的性能要求则可以降低系统能任务集调度算法2,这类问题进一步被扩展为离 耗或者达到期望电池寿命,问题关键在于正确预测散电压和基于固定优先级调度算法的Dvs向 题2、DVS下的任务同步问题2和在线调度DvS 额,根据对工作负载特性抽象方法不同,有以下调度问题 两种DVS策略 与硬实时系统应用不同,交互式应用和软实时 1.3.1基于间隔处理器利用率的DVS策略 流媒体应用的性能约東不严格,允许存在一定程度 的延迟,性能评估单位可以是任务或交互事务.同 在这类DVS策略中,处理器利用率被用来衡量 工作负载对处理器的需求,从而根据过去一段时间时,这类应用通常没有预知的处理器需求信息任务 截止时间和执行时间等参数通常不能预先确定.因 的处理器利用率调节处理器频率,后来有许多此,针对这类应用的频率设置与预测算法确定应用 这种策略的变种,其目的是提高预测末来的处理器的性能约束,以及对工作负载处理器需求的自动监 用率准确度,包括 Aged-a, Flat-u如、指数滑动测机制等都是需要解决的问题 平均2)、概率分布模型2等方法 种DVS调节方法是从全局任务管理和局部 这种抽象方法简单有效,但处理器利用率只是的任务调度两个层次预测任务的处理器需求291 对处理器需求的粗略抽象,不包含应用对系统性能监测工作负载的处理器需求有多种方法,一种是利 需求的信息,不能很好保证系统的性能需求,适用线程并行性分析方法来监测交互响应过程的 合应用特征确定或者不强调应用性能的系统 执行时间,由操作系统内核自动监测任务执行31 1.3.2基于任务处理器需求的DVS策略 另一种是用监视GUI事件的方法321获得交互事件 时系统和交互式系统对系统性能和能耗都有的发生时机和特征.这类处理器需求监视及预测等 较高要求,要保证实时任务可调度性或满足延迟时功能增大了操作系统的开销,但同时也为操作系统 间约束,不应当造成用户的可感知性能下降.为了自适应管理系统能耗提供了支持
820 计算机研究 与发展 2008，45(5) 态特 性 ，以及 系统 中所 运 行 的工 作 负 载 的特 性 ．对 各 种 策略 的总结 与 比较见 表 1所示 ： Table1 ComparisonofThreePowerM anagementStrategies 表 1 三 类 动 态 功 耗 管 理 策 略 的 比较 1．3 动态 电压调 节 策略 DVS技术 主要 针对 处 理 器 等 电压／频 率 可 调 节 的系统 部件 ．根 据 功 耗 和频 率 的 递 增 凸 函数 关 系 ， 在 完成 同样 的工 作量 情 况 下 ，当处 理器 稳 定 在 尽 可 能低 的频率 上时 能耗 最 低口 ．另 一 方 面 ，应 用 程序 并 非 总是需 要 以最 快 的速 度 执行 ，如果 能 以较低 处 理 器频 率满 足任务 的性 能 要求 ，则 可 以降 低 系 统 能 耗 或者 达到 期望 电池 寿命．问题 关键 在 于正 确 预测 工 作 负 载 对 处 理 器 的 需 求 ，合 理 分 配 处 理 器 配 额 [1．根 据对 工作 负载 特 性抽 象 方 法 不 同 ，有 以下 两 种 DVS策 略． 1．3．1 基于 间隔处 理器 利用 率 的 DVS策略 在这类 DVS策 略 中 ，处理 器利 用率被 用来 衡量 工 作负 载对处 理器 的需 求 ，从 而根 据 过 去 一段 时 间 的处理器 利 用 率 调 节 处 理 器 频 率[2．后 来 有 许 多 这 种策 略的变 种 ，其 目的是 提 高预 测 未来 的处 理 器 利 用率 准确 度 ，包 括 Aged—a，Flat—u[2 、指 数 滑 动 平 均[]、概 率分 布模 型[船等方 法． 这种 抽 象 方法 简单 有效 ，但 处 理器 利 用率 只是 对处 理器需 求 的粗 略 抽象 ，不 包 含 应 用对 系统 性 能 需求 的信息 ，不 能很 好 保证 系 统 的 性 能需 求 [2 ．适 合应 用特征 确定 或者 不强调 应用 性能 的系统 ． 1．3．2 基 于任务 处理 器需求 的 DVS策 略 实时系 统和交 互式 系统 对 系统性 能和能 耗都 有 较 高要 求 ，要 保证 实 时 任务 可 调 度 性 或满 足 延 迟 时 间约束 ，不应 当造 成 用 户 的 可感 知 性 能 下 降．为 了 满 足性 能需求 ，需要 在 DVS策 略 中引 入表 达性 能约 束 的抽象 ，把 处理器 频率 调节 与任 务调 度结 合起来 ， 研究 带有 DVS目标 的任务调 度 问题 ． 在 硬实 时嵌入 式 系 统 中，每个 任 务 有 明确 的到 达 时间 和截止 时 间．通 过 用形式 化 方 法描 述 实 时任 务调 度条 件下 的处 理 器 调 频 问题 ，可 以 给 出离 线 的 任务 集调 度 算 法[2．这 类 问 题 进 一 步 被 扩 展 为 离 散 电 压 和 基 于 固 定 优 先 级 调 度 算 法 的 DVS问 题[2 、DVS下 的任 务 同步 问题 _2 和在 线 调度 DVS 调度 问题 ． 与硬 实 时 系统 应 用 不 同 ，交 互 式 应 用 和软 实 时 流媒 体应 用 的性能 约 束 不严 格 ，允许 存 在 一 定 程 度 的延 迟 ，性 能评 估 单 位 可 以是 任 务 或 交 互 事 务．同 时 ，这 类应 用通 常没 有预 知 的处理器 需求 信息 ，任 务 截止 时 间和执行 时 间等参 数 通常 不 能预 先确 定 ．因 此 ，针 对这 类应 用 的频 率 设 置 与 预测 算 法 确 定 应 用 的性 能约束 ，以及对 工 作 负 载 处 理 器需 求 的 自动监 测机 制等 都是需 要解 决 的问题 ． 一 种 DVS调节 方 法 是从 全 局 任 务管 理 和 局 部 的任 务 调 度 两 个 层 次 预 测 任 务 的 处 理 器 需 求口 ． 监 测 工作 负载 的处 理 器需 求 有 多 种 方 法 ，一 种 是利 用 线程 并行 性 分 析 方 法 [30]来 监 测 交 互 响应 过程 的 执 行 时间 ，由操 作 系统 内 核 自动 监 测 任 务 执 行[3 ； 另 一种 是 用监 视 GUI事 件 的方 法[3获得 交 互事 件 的发生 时机 和特 征．这类 处理 器 需求 监 视及 预 测等 功 能增 大 了操作 系 统 的 开销 ，但 同 时也 为 操 作 系统 自适应 管理 系统 能耗 提供 了支 持． 维普资讯 http://www.cqvip.com
赵霞等:操作系统电源管理研究进展 821 1.4电源管理策略的评估指标 电源资源抽象研究推进了一大步.该方法在嵌人式 在操作系统电源管理技术研究中,如何评价电操作系统原型中提供简单接口来手工设置电池使用 源管理策略的有效性和可用性是一个不可忽视的问寿命目标以及任务电量分配比例,基于电量模型实 题,对策略的评估和推广应用有决定作用 现电源管理目标.这种方法的缺点是造成不成比例 评估原则强调策略对系统整体能耗的作用3,的性能损失,如何抽象细微和复杂的系统行为,通 同时包括策略本身的开销、能耗、效果(电池寿命、截过策略研究来改进电源资源的抽象模型还是一个有 止时间超时率)等 待进一步研究的问题9 策略评估可以采用实际系统测量3、仿真验2.2操作系统电源管理框架 证3、模拟器估算和验证35等方法.仿真验证收集 操作系统电源管理框架起步于桌面操作系统 电源管理前后的系统跟踪数据作为原始数据进行离在嵌入式系统领域得到广泛研究.近年来,工业界 线计算和比较,易于实现,是大多数研究者采用的和学术界关于操作系统电源管理框架的研究一直很 方法 活跃 目前,对电源管理策略的量化评估比较困难: 操作系统电源管理框架的需求主要有:1)支持 方面,实际测量每个操作的能耗开销很困难,另一方系统范围的电源管理策略.除了调节处理器核频 面,策略对系统整体能耗的影响还缺乏系统、有效的率,还要能支持其他系统部件和外设的电源状态以 评测工具和评价指标 及频率调节,例如支持总线频率动态调节或者相对 独立地调节外设的电源状态.2)灵活地支持不同平 2操作系统电源管理机制与框架 台的需求和电源管理策略的动态调整.系统部件能 耗及有效的电源管理策略与应用类型有很大相关 操作系统承担着两种角色:管理系统资源和为性,应当允许系统开发商根据应用的特点,定制特殊 用户提供接口,通过对被管理资源进行逻辑抽象并的电源管理策略.3)支持细粒度性能能耗权衡和 建立有效的管理机制来实现.操作系统设计者要把设置.在能源有限、性能约束严格的嵌入式应用系 物理资源抽象和管理、逻辑资源的组织与管理以及统中,细粒度基于任务的动态电源管理策略是保证 面向应用的接口等不同层次的软件组成部分统一于性能能耗权衡的必要条件 整体的资源管理框架之中,为实现操作系统资源管 ACPI规范( advanced configuration and power 理策略提供支持.因此,如何在已有的操作系统资 interface specification)∽面向台式机、服务器和移 源管理框架中加入电源管理机制与策略是操作系统动电脑等带有BOS固件的计算机系统,首次提出 电源管理研究的重要内容之 操作系统电源管理的概念,并给出软件接口、硬件接 2.1电源资源抽象与资源管理机制 口和ACPI数据结构的定义以及这些接口之间的语 传统操作系统没有考虑电源资源的管理,管理义关系.2006年,ACPI3.0b改进通用配置规范, 处理器、内存、外设等资源的方法是通过定义资源模 增加多处理器以及新外设功耗管理、温度管理等支 型来建立资源抽象,建立资源的记账、分配与回收、持.目前支持ACPI规范的操作系统主要有 共享与保护等的机制和策略.随着操作系统电源管 Windows2000,XP, Vista和 Linux等.1997年, 理研究的深入,人们越来越多地从资源管理的角度微软公司提出面向台式机的电源管理架构 On Now 意识到,应当把电源当做一个关键因素来思考操作 Initiative1,2002年提出基本电源管理机制基础上 系统的设计和实现 的增强电源管理特性4.从2004年至今的 Linux 论坛[43每年都推出 Linux电源管理技术新进展,从 些研究者提出把电源当做系统资源来管支持ACP框架发展为构建内核电源管理机制,开 理),把操作系统传统资源(如CPU等)的记帐机发可扩展的电源管理策略以及支持多核处理器电源 制用于电源的记帐和收费,操作系统和应用程序协管理等 同进行电源管理. Vahdat等人37提出把电源当做 面向嵌入式应用的片上系统( system-on-chip) 操作系统中的首要资源来考虑操作系统的设计 般都不包括传统的BIOs,系统电源状态控制必须 问题 由操作系统来完成.针对嵌入式系统的特点, Brock 用电量( currentcy)作为系统范围内能源的统等人提出了由动态电源管理方案、策略、策略管理器 抽象,管理所有消耗能源的系统部件的方法31 和DPM模块组成的动态电源管理框架[4
赵 霞等 ：操作系统 电源管理研究进展 821 1．4 电源 管理 策略 的评估 指 标 在 操 作 系统 电源 管理 技 术 研 究 中，如何 评 价 电 源管理 策 略的有 效性 和可 用性 是一 个 不可 忽视 的 问 题 ，对策 略 的评估 和推 广应 用有 决定 作 用． 评 估原 则强 调策 略对 系 统 整体 能 耗 的 作用 ¨3 ， 同时包括策略本身的开销、能耗 、效果(电池寿命、截 止 时 间超时 率)等 ． 策 略评 估 可 以采 用 实 际 系 统 测 量¨3 、仿 真 验 证 引、模拟 器估 算和 验证 口钉等 方法 ．仿 真验 证 收 集 电源管理 前后 的 系统跟 踪数 据作 为 原始数 据 进行 离 线计 算 和 比较 ，易 于 实 现 ，是 大 多 数 研 究 者 采 用 的 方法 ． 目前 ，对 电源管 理策 略 的量化 评估 比较 困难 ：一 方 面 ，实 际测量 每个 操作 的 能耗 开销 很 困难 ，另 一方 面 ，策 略对 系统 整体 能耗 的影 响还 缺 乏系统 、有 效 的 评测 工具 和评价 指标 ． 2 操作 系统 电源管理机制与框 架 操 作 系统 承 担 着 两种 角 色 ：管 理 系 统 资源 和 为 用户提 供接 口，通过 对 被 管 理 资 源进 行 逻 辑 抽 象 并 建 立有 效 的管理 机制来 实 现．操 作 系统 设 计 者要 把 物 理资 源抽象 和 管理 、逻 辑 资 源 的组 织 与 管 理 以及 面 向应 用 的接 口等不 同层 次的 软件 组成 部分 统一 于 整体 的 资源管 理 框架 之 中 ，为实 现 操 作 系 统 资 源 管 理策 略 提供支 持 ．因此 ，如 何 在 已有 的 操 作 系 统 资 源管 理 框架 中加入 电源 管理 机制 与 策略 是操 作 系统 电源 管理 研究 的重 要 内容之 一． 2．1 电源资 源抽 象与 资源 管理机 制 传统 操 作 系 统没 有 考虑 电 源资 源 的 管理 ，管理 处理 器 、内存 、外 设 等资 源 的方 法 是通 过定 义 资源模 型来 建立 资源抽 象 ，建立 资 源 的记 账 、分 配 与 回收 、 共 享 与保护 等 的机制 和策 略．随着 操 作 系统 电源管 理 研究 的深 入 ，人们 越 来 越 多 地从 资 源 管理 的角 度 意识 到 ，应 当把 电源 当做 一 个 关 键 因 素来 思 考 操 作 系统 的设 计 和实 现． 一 些 研 究 者 提 出 把 电 源 当 做 系 统 资 源 来 管 理 [3 ，把 操 作 系统 传 统 资 源 (如 CPU 等 )的 记 帐 机 制用 于 电源 的记帐 和 收 费 ，操 作 系统 和 应 用 程 序协 同进 行 电源管 理 ．Vahdat等 人 提 出 把 电 源 当 做 操作 系 统 中 的 首 要 资 源 来 考 虑 操 作 系 统 的 设 计 问题 ． 用 电量 (currentcy)作 为 系统 范 围 内 能 源 的统 一 抽 象 ，管 理所 有 消耗 能源 的 系统 部 件 的方 法 口。将 电源 资源 抽象 研究 推进 了一 大 步．该 方 法在 嵌入 式 操作 系统 原 型 中提 供 简单接 口来 手工 设 置 电池 使用 寿命 目标 以及 任务 电量 分 配 比例 ，基 于 电量 模 型实 现 电源 管 理 目标．这种 方 法 的缺点 是 造 成不 成 比例 的性 能损 失．如 何 抽 象 细 微 和 复 杂 的系 统 行 为 ，通 过 策 略研 究来 改进 电源 资源 的抽 象模 型还是 一 个有 待进一 步 研究 的 问题¨3． 2．2 操 作 系统 电源管 理框 架 操 作 系 统 电 源管 理 框 架起 步 于 桌 面操 作 系统 ， 在 嵌入 式 系统 领 域 得 到 广 泛 研 究 ．近 年来 ，工 业 界 和学术 界关 于操 作 系统 电源 管理 框架 的研究 一直 很 活跃 ． 操 作 系统 电源管 理框 架 的需求 主要 有 ：1)支 持 系统范 围 的 电源 管 理 策 略 ．除 了调 节 处 理 器 核频 率 ，还要 能支 持其 他 系统 部 件 和外 设 的 电源 状 态 以 及频 率 调节 ，例如 支 持 总 线频 率 动态 调 节 或 者 相对 独立 地调 节外设 的 电源状 态．2)灵 活地 支持 不 同平 台 的需求 和 电源管 理策 略 的动 态调 整 ．系统 部 件能 耗及 有效 的 电源 管 理 策 略 与 应 用 类 型 有 很 大 相 关 性 ，应 当 允许 系统 开发 商根 据应 用 的特点 ，定制 特殊 的 电源管 理 策 略．3)支 持 细 粒 度 性 能一能 耗 权 衡 和 设 置 ．在能 源有 限 、性 能 约 束严 格 的嵌 入 式 应 用 系 统 中 ，细粒 度基 于 任 务 的 动态 电源 管 理策 略是 保 证 性 能～能 耗权衡 的必要 条件 ． ACPI规 范 (advancedconfigurationandpower interfacespecification)_4。。面 向 台式 机 、服 务 器 和 移 动 电脑 等带 有 BIOS固件 的计 算 机 系统 ，首 次 提 出 操 作 系统 电源管 理 的概念 ，并 给 出软件接 口、硬件接 口和 ACPI数 据 结构 的定 义 以及这 些接 口之 间的语 义 关 系．2006年 ，ACPI3．Ob改 进 通 用 配 置规 范 ， 增加 多处 理器 以及 新外 设 功 耗 管 理 、温 度 管 理 等支 持 ． 目 前 支 持 ACPI规 范 的 操 作 系 统 主 要 有 Windows2000，XP，Vista和 Linux等．1997年 ， 微软 公 司提 出面 向台 式机 的 电源 管 理 架 构 OnNow Initiative_4 ，2002年 提 出基本 电 源管 理机 制 基础 上 的增 强 电源 管 理 特 性 [4．从 2004年至 今 的 Linux 论 坛 。每年 都推 出 Linux电源 管理 技 术 新进 展 ，从 支 持 ACPI框架 发 展 为 构 建 内核 电源 管 理 机 制 ，开 发 可 扩展 的电 源管 理策 略 以及支 持多核 处理 器 电源 管 理等 ． 面 向嵌 入 式 应 用 的 片上 系 统 (system—on—chip) 一 般 都 不包 括传 统 的 B10s，系统 电源状 态控 制必须 由操作 系统来 完 成．针 对嵌 入 式 系统 的特 点 ，Brock 等 人提 出 了 由动态 电源管 理方 案 、策略 、策 略管理器 和 DPM 模块 组 成 的动态 电源 管理 框架 [4 ． 维普资讯 http://www.cqvip.com