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Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet 38031 Grenoble Cedex 1 FTFC03 Adaptation dynamique de la puissance des.

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1 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 1 FTFC03 Adaptation dynamique de la puissance des systèmes embarqués : Les systèmes asynchrones surclassent les systèmes synchrones Mohammed Es Salhiene, Laurent Fesquet et Marc Renaudin

2 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 2 FTFC03 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

3 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 3 FTFC03 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) Solution Système asynchrone + adaptation dynamique de la tension

4 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 4 FTFC03 Contribution Nouvelle méthode de réduction de la consommation combinant 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.

5 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 5 FTFC03 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

6 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 6 FTFC03 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)

7 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 7 FTFC03 Adaptation dynamique de la tension ■ Le fonctionnement d'un processeur comporte des périodes d'inactivité : consommation inutile de l'énergie E VARIABLE # C V DDV 2 < E FIXE # C V DDF 2 ■ Réduire la vitesse du processeur et le mettre en veille pour économiser de l’énergie a i : activation e i : échéance Temps Vitesse S MAX a1a1 e1e1 a2a2 e2e2 Temps Vitesse S MAX a1a1 e1e1 a2a2 e2e2 idle

8 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 8 FTFC03 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 Energie Charge de travail E # C V DD 2

9 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 9 FTFC03 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

10 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 10 FTFC03 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

11 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 11 FTFC03 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 Circuit synchrone

12 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 12 FTFC03 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

13 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 13 FTFC03 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. Activationéchéance ttd i td i = t + D i DiDi NI i

14 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 14 FTFC03 Cas des tâches sporadiques Paramètres: temps courant t et la nouvelle tâche sporadique τ i 1. Insérer τ i dans la file d’attente Q ordonnée selon EDF 2. Répéter { - Pour chaque tâche l de la file d’attente calculer S l - Mettre la vitesse du processeur S à max S l - Exécuter à la vitesse S la tâche prioritaire puis la retirer de la file s’elle est finie } tant que la fille est pleine NIi: nombre d'instructions de τl restant à exécuter tdi : échéance de τi Pi : priorité de τi selon la politique EDF EDF: Earliest-Deadline- First

15 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 15 FTFC03 Cas des tâches sporadiques TâchesNI j DjDj Date d'activation τ1τ τ2τ τ3τ τ1τ1 τ3τ3 τ2τ2 43 Exécution des 3 tâches sporadiques avec adaptation de la vitesse 35% 50% Temps Vitesse S MAX Temps Vitesse 021 S MAX τ1τ1 τ2τ2 τ3τ3 43 Exécution de 3 tâches sporadiques sans adaptation de la vitesse

16 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 16 FTFC03 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 veilleP MAX Avec mise en veille42% P MAX Adaptation dynamique de la tension 14% P MAX

17 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 17 FTFC03 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 τ i est créée 1.Insérer τ i dans la file d’attente Q ordonnée selon EDF 2.Réévaluer la vitesse S 3.Lorsqu’une tâche τ i est supprimée 1.Réévaluer la vitesse S NIi: nombre d'instructions de τl restant à exécuter tdi : échéance de τi EDF: Earliest-Deadline- First

18 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 18 FTFC03 Cas des tâches périodiques TâchesNI j D j = T j Date d'activation τ1τ τ2τ τ3τ 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 042 S MAX 86 τ2τ2 τ1τ1 τ3τ % 49% Temps Vitesse S MAX

19 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 19 FTFC03 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

20 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 20 FTFC03 Asynchrone vs synchrone : performances des processeurs synchrones ■ StrongARM-1100 ■ 59MHz V et 251MHz V ■ 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 f min à f max prend 300 µs ■ pas de 33 MHz, 25 mV

21 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 21 FTFC03 Asynchrone vs synchrone : mise en veille (µs) τ1τ1   τ2τ2     0.16mW 90µs P MAX 160ms90µs S MAX S. ARM (µs) τ1τ1   τ2τ2   0.8 mW 70µs P MAX 70µs S MAX lpARM (µs) τ1τ1 50 mW  τ2τ2  25µs P MAX 10µs25µs S MAX Crusoe   (µs) τ1τ1   τ2τ2   ASPRO 0 mW P MAX 0 mW Vitesse S MAX Temps (µs) Vitesse S MAX τ1τ1  τ2τ2  Activité - P MAX   Veille-0 mW Cas idéal

22 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 22 FTFC03 Asynchrone vs synchrone : adaptation de la vitesse Temps (µs) Vitesse S MAX τ1τ1 Cas idéal   τ3τ3   τ2τ2   50% (µs) τ1τ1   ASPRO Vitesse S MAX 50% τ3τ3   τ2τ2   6µs (µs) S MAX S. ARM τ1τ1   3.74ms   τ2τ2   166µs     50% τ3τ3 (µs) τ1τ1   S MAX lpARM 37µs   τ2τ2   50% τ3τ3 (µs) τ1τ1  S MAX Crusoe  300µs τ3τ3   τ2τ2   50%

23 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 23 FTFC03 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

24 Groupe CIS "Concurrent Integrated System" TIMA -CNRS-INPG-UJF 46 Av. Félix Viallet Grenoble Cedex 24 FTFC03 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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