Groupe CIS"Concurrent Integrated System"
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FTFC03
Adaptation dynamique de la puissance des systèmes
embarqués :
Les systèmes asynchrones surclassent les systèmes
synchrones
Mohammed Es Salhiene, Laurent Fesquet et Marc Renaudin
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Plan■ Motivations & contribution
■ Gestion de l'énergie au niveau système d'exploitation■ Mise en veille ■ Adaptation dynamique de la tension d'alimentation.
■ Système asynchrone
■ Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension■ Cas des tâches sporadiques■ Cas des tâches périodiques■ Résultats de simulation des stratégies adoptées.
■ Comparaison synchrone - asynchrone
■ Conclusion
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Motivations■ Développement de l'informatique mobile
et le des systèmes portables■ Augmentation du nombre de fonctionnalités
et de puissance de traitement de ces systèmes=>hausse de leur consommation
■ Progrès insuffisant des technologies de batteries ■ Nécessité de minimiser la consommation
d’énergie (autonomie, fiabilité, poids, prix)
SolutionSystème asynchrone + adaptation dynamique de la tension
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Contribution
Nouvelle méthode de réduction de la consommationcombinant des processeurs asynchrones et des algorithmes
d'adaptation dynamique de la tension d'alimentation
■ Exploitation de la capacité des processeurs asynchrones à rester fonctionnels lorsque la tension d’alimentation varie(adaptent leur vitesse de traitement à la tension)
■ Le système d’exploitation adapte dynamiquement la tension d’alimentation, et donc la puissance de calcul du processeur, aux besoins des applications afin de minimiser la consommation.
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Plan■ Motivations & contribution
■ Gestion de l'énergie au niveau système d'exploitation■ Mise en veille ■ Adaptation dynamique de la tension d'alimentation.
■ Système asynchrone
■ Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension■ Cas des tâches sporadiques■ Cas des tâches périodiques■ Résultats de simulation des stratégies adoptées.
■ Comparaison synchrone - asynchrones
■ Conclusion
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Gestion de l'énergie au niveau SE
■ Collaboration entre le matériel, les applications et le système d'exploitation constituant le système
■ Le système d’exploitation gère la consommation d'énergie par:
■ des mises en veille
■ L’adaptation de la tension d'alimentation de tout ou partie du système (exemple le processeur)
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Adaptation dynamique de la tension
■ Le fonctionnement d'un processeur comporte des périodes d'inactivité : consommation inutile de l'énergie
EVARIABLE # C VDDV2 < EFIXE # C VDDF
2
■ Réduire la vitesse du processeur et le mettre en veille pour économiser de l’énergie
ai : activation
ei : échéance
Temps
Vitesse
SMAX
a1 e1 a2 e2
Temps
Vitesse
SMAX
a1 e1 a2 e2
idle idle idle
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Adaptation dynamique de la tension
■ L’adaptation dynamique de la tension nécessite:■ Un processeur capable d'ajuster à la demande sa tension et sa
fréquence (donc sa vitesse de fonctionnement et sa consommation)
■ Des algorithmes d'adaptation dynamique des paramètres tension et fréquence : prévoient la quantité de traitement à effectuer en se basant sur le fonctionnement passé du processeur et déterminent quelle doit être le couple (fréquence, tension)
Vitesse fixe
Vitesse variable
En
erg
ie
Charge de travail
E # C VDD2
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Plan■ Motivations & contribution
■ Gestion de l'énergie au niveau système d'exploitation■ Mise en veille ■ Adaptation dynamique de la tension d'alimentation.
■ Systèmes asynchrones
■ Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension■ Cas des tâches sporadiques■ Cas des tâches périodiques■ Résultats de simulation des stratégies adoptées.
■ Comparaison synchrone - asynchrones
■ Conclusion
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Systèmes asynchrones en quelques caractéristiques
■ Absence de l’Horloge■ Horloge globale remplacée par des protocoles Requête/Acquittement
■ Faible consommation■ Mode veille par défaut■ Consommation limitée aux seuls blocs en activité■ Mise en veille et réactivation immédiate des ressources de traitement
Emetteur Recepteur
Requête
Acquitement
Données
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Systèmes asynchrones en quelques caractéristiques
■ Robustesse vis-à-vis des conditions de fonctionnement■ Processeur opérationnel de 17 Mips (0.8V) à 140 Mips (2.5V)
■ Adaptation de la vitesse du traitement par simple variation de la tension d’alimentation (PLL)
■ Faible bruit■ Consommation en courant répartie dans le temps■ Pas de pic de courant
0 100 200 300 400 500 6000
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014Courant de consommation moyen de MICA
Temps en ns
(fréquence d échantillonnage 25 Ghz; Nombre de points 15000)
Am
plitu
de e
n A
Circuit synchrone
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Plan■ Motivations & contribution
■ Gestion de l'énergie au niveau système d'exploitation■ Mise en veille ■ Adaptation dynamique de la tension d'alimentation.
■ Système asynchrone
■ Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension■ Cas des tâches sporadiques■ Cas des tâches périodiques■ Résultats de simulation des stratégies adoptées.
■ Comparaison synchrone - asynchrones
■ Conclusion
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Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension
■ Algorithmes basés sur l'ordonnancement Earliest Deadline First (EDF)
(Peuvent fonctionner avec tout autre politique d'ordonnancement par priorité)
■ Tâches ordonnancées selon leurs échéances et un calcul supplémentaire est effectué pour déterminer la tension et donc la vitesse du processeur nécessaire pour leurs exécutions.
Activation échéance
t tdi
tdi = t + Di
Di
NIi
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Cas des tâches sporadiques
Paramètres: temps courant t et la nouvelle tâche sporadique τi
1. Insérer τi dans la file d’attente Q ordonnée selon EDF2. Répéter { - Pour chaque tâche l de la file d’attente calculer Sl
- Mettre la vitesse du processeur S à max Sl
- Exécuter à la vitesse S la tâche prioritaire puis la retirer de la file s’elle est finie
} tant que la fille est pleine
ttd
ININ
MAXSl
PjPlljjl
Ql
/
ttd
ININ
Sl
PjPlljjl
l
/NIi: nombre d'instructions de τl restant à exécutertdi : échéance de τiPi : priorité de τi selon la politique EDFEDF: Earliest-Deadline- First
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Cas des tâches sporadiques
Tâches NIj DjDate
d'activation
τ1 1 106 2 0
τ2 0.5 106 4 1
τ3 0.2 106 3 2
ttd
ININ
MAXSl
PjPlljjl
Ql
/
0 21
τ1 τ3 τ2
43
Exécution des 3 tâches sporadiques avec adaptation de la vitesse
35%50%
Temps
Vitesse
SMAX
Temps
Vitesse
0 21
SMAX
τ1 τ2 τ3
43
Exécution de 3 tâches sporadiques sans adaptation de la vitesse
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Cas des tâches sporadiques
Avec l’adaptation dynamique de la tension :réduction d’un facteur 3 par rapport à la mise en veille
réduction d’un facteur 7 sans la mise en veille
Bilan énergétique
Sans mise en veille PMAX
Avec mise en veille 42% PMAX
Adaptation dynamique de la tension
14% PMAX
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Cas des tâches périodiques
Paramètres: temps courant t et n tâches périodiques prêtes ordonnancées selon EDF
1. Initialiser la vitesse S
2. Lorsqu’une nouvelle tâche τi est créée 1. Insérer τi dans la file d’attente Q ordonnée selon EDF2. Réévaluer la vitesse S
3. Lorsqu’une tâche τi est supprimée 1. Réévaluer la vitesse S
NIi: nombre d'instructions de τl restant à exécutertdi : échéance de τiEDF: Earliest-Deadline- First
n
jj
j
DNIS
1
n
jj
j
i
i
ttdIN
DNIS
1
1
1
nn
jj
j
ttdINS
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Cas des tâches périodiques
Tâches NIj Dj = TjDate
d'activation
τ1 0.25 106 2 0
τ2 1 106 5 0
τ3 0.5 106 3 4
Exécution des 3 tâches périodiques avec adaptation de la vitesse
Exécution de 3 tâches périodiques sans adaptation de la vitesse
3.b Exécution des 3 tâches périodiques avec adaptation de la vitesse.
Temps
Vitesse
0 42
SMAX
86
τ2τ1 τ3
0 42 86
33%49%
Temps
Vitesse
SMAX
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Plan■ Motivations & contribution
■ Gestion de l'énergie au niveau système d'exploitation■ Mise en veille ■ Adaptation dynamique de la tension d'alimentation.
■ Système asynchrone
■ Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension■ Cas des tâches sporadiques■ Cas des tâches périodiques■ Résultats de simulation des stratégies adoptées.
■ Comparaison synchrone - asynchrone
■ Conclusion
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Asynchrone vs synchrone : performances
des processeurs synchrones■ StrongARM-1100
■ 59MHz - 0.79V et 251MHz - 1.65V■ Un changement de fréquence prend 140µs■ Un changement de tension prend 40µs■ Mise en veille : 90µs - Réveil : 160 ms
■ lpARM (ARM8 Berkeley)■ 6Mips, 5MHz - 1.2V et 85Mips, 80MHz - 3.8V■ Un changement de fréquence de 5MHz à 80MHz prend environ 70µs■ Veille (idle) : 0.8mW
■ Transmeta Crusoe■ 300MHz - 1.2V à 600 MHZ - 1.6V■ Un changement de fréquence de fmin à fmax prend 300 µs■ pas de 33 MHz, 25 mV
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Asynchrone vs synchrone : mise en veille
(µs)
τ1
τ2
0.16mW
90µs
PMAXPMAX
160ms 90µs
SMAX
S. A
RM
(µs)
τ1
τ2
0.8 mW
70µs
PMAXPMAX
70µs 70µs
SMAX
lpA
RM
(µs)
τ1
50 mW
τ2
50 mW
25µs
PMAXPMAX
10µs 25µs
SMAX
Cru
soe
(µs)
τ1
τ2
AS
PR
O
0 mW
PMAXPMAX
0 mW
Vitesse
SMAX
Temps (µs)
Vitesse
SMAX
τ1
τ2
Activité - PMAX
Veille-0 mW Veille-0 mW
Cas
idéa
l
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Asynchrone vs synchrone : adaptation de la vitesse
Temps (µs)
Vitesse
SMAX
τ1
Cas
idéa
l
τ3
τ2
50%
(µs)
τ1
AS
PR
O
Vitesse
SMAX
50% τ3
τ2
6µs 6µs
(µs)
SMAX
S. A
RM τ1
3.74ms
τ2
166µs
50% τ3
(µs)
τ1
SMAX
lpA
RM
37µs 37µs
τ2
50% τ3
(µs)
τ1
SMAXC
ruso
e
300µs
τ3
τ2
300µs
50%
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Plan■ Motivations & contribution
■ Gestion de l'énergie au niveau système d'exploitation■ Mise en veille ■ Adaptation dynamique de la tension d'alimentation.
■ Système asynchrone
■ Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension■ Cas des tâches sporadiques■ Cas des tâches périodiques■ Résultats de simulation des stratégies adoptées.
■ Comparaison synchrone - asynchrones
■ Conclusion
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Conclusion■ L’adaptation dynamique de la tension permet de réduire
efficacement la consommation d’énergie d’un système embarqué
■ La combinaison « processeur asynchrone – adaptation dynamique de la tension » est d’une mise en œuvre plus aisée que celle avec un processeur synchrone
■ Les algorithmes proposés permettent une réduction d’un facteur de 7 de la consommation d’un système dont l’activité est sporadique
■ L’implémentation matérielle en technologie asynchrone réduit le coût de mise en œuvre de l’adaptation dynamique de la tension
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