【摘要】：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及,計(jì)算機(jī)性能按照摩爾定律指定的速率發(fā)生著日新月異的變化。然而一味的提升性能逐漸凸顯了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)其他方面的問(wèn)題,其中功耗能耗問(wèn)題就是性能發(fā)展過(guò)程中難以逾越的一道障礙。 電子計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提升造成元器件規(guī)模越來(lái)越大,電能的損耗劇烈提升。電能損耗伴隨著大量熱能的產(chǎn)生,會(huì)使元器件工作不穩(wěn)定,壽命下降,因此必須配備冷卻系統(tǒng)。元器件和冷卻設(shè)備的總能耗日益增加,已經(jīng)逐漸受到越來(lái)越多人的關(guān)注。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并不總是處于高負(fù)載狀態(tài),這就為功耗能耗控制留下空間。隨著低功耗低能耗技術(shù)的發(fā)展,各種新技術(shù)的誕生也為功耗能耗控制提供了更為豐富的手段。本論文針對(duì)應(yīng)用廣泛的分時(shí)系統(tǒng),針對(duì)占主導(dǎo)地位的處理器的功耗能耗,利用動(dòng)態(tài)調(diào)頻技術(shù),在操作系統(tǒng)層面為降低計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功耗能耗提供了一套完整的解決方案。該方案綜合考慮用戶對(duì)系統(tǒng)性能的需求以及當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行任務(wù)的動(dòng)態(tài)指令特征,通過(guò)控制處理器執(zhí)行頻率,實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能和能耗均衡狀態(tài)。 本論文開(kāi)展的主要研究工作包括： 1.通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的總結(jié),分析計(jì)算機(jī)功耗能耗問(wèn)題的嚴(yán)峻現(xiàn)狀,說(shuō)明降低功耗和能耗的重要意義。通過(guò)介紹當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的研究成果,論證了針對(duì)分時(shí)系統(tǒng)低功耗能耗技術(shù)的必要性。進(jìn)而分析了各個(gè)研究層次的優(yōu)劣,確定在操作系統(tǒng)層面上對(duì)分時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行功耗和能耗控制的總體方案; 2.立足性能和能耗的均衡,從分析指令產(chǎn)生功耗能耗和時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)的原理入手,通過(guò)嚴(yán)格的理論分析,建立性能和能耗與處理器頻率之間的關(guān)系,提出最佳節(jié)能條件,進(jìn)而建立了性能能耗權(quán)衡模型。通過(guò)進(jìn)一步理論分析,最終獲得最佳節(jié)能頻率的計(jì)算公式； 3.結(jié)合實(shí)際計(jì)算機(jī)系統(tǒng),提出基于性能能耗權(quán)衡模型的動(dòng)態(tài)調(diào)頻策略。借助新出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)技術(shù),設(shè)計(jì)了采用動(dòng)態(tài)信息收集和細(xì)粒度調(diào)頻的實(shí)施方案。針對(duì)理論與實(shí)際之間的差異,為實(shí)現(xiàn)離散頻率下最佳節(jié)能頻率的近似,理論分析出最優(yōu)頻率分布所需要滿足的條件; 4.在實(shí)際的Linux操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)頻率管理模塊,示例性的給出動(dòng)態(tài)調(diào)頻策略的實(shí)現(xiàn)方法。該頻率管理模塊遵循當(dāng)前Linux調(diào)頻框架,并結(jié)合當(dāng)前Linux操作系統(tǒng)的進(jìn)程模型,在合適的地方加入收集信息和計(jì)算和調(diào)節(jié)頻率的代碼。最終在Linux中實(shí)現(xiàn)了一套低開(kāi)銷(xiāo)且能直觀控制性能并有效節(jié)省能耗的頻率管理方法; 5.通過(guò)分析當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)功耗能耗研究領(lǐng)域驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中普遍存在的門(mén)檻高的問(wèn)題、設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)單易用的基于電池的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),不僅驗(yàn)證了本論文的研究結(jié)論,也演示了如何使用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為功耗能耗研究服務(wù)。 本論文研究的新貢獻(xiàn)如下： 1.針對(duì)廣泛應(yīng)用的分時(shí)系統(tǒng),提供了一套完備的功耗能耗解決方案。其創(chuàng)新點(diǎn)在于：設(shè)計(jì)使用了系統(tǒng)性能損失這一直觀的性能描述方法;定義了符合用戶需求的最佳節(jié)能條件用于描述系統(tǒng)性能能耗均衡狀態(tài);首次從理論分析角度得到離散頻率環(huán)境下的最優(yōu)頻率分布,得到頻率分析結(jié)果的理論最佳逼近； 2.在實(shí)際的操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了提出的動(dòng)態(tài)調(diào)頻策略。加入該動(dòng)態(tài)調(diào)頻策略的Linux操作系統(tǒng)具有如下新的特性：增加了友好的控制性能的用戶接口；提供了通過(guò)提供性能需求優(yōu)化系統(tǒng)功耗能耗的能力;可以保證在滿足用戶需求的前提下,最大限度的降低系統(tǒng)能耗；增加的模塊開(kāi)銷(xiāo)低,效果明顯。目前尚未發(fā)現(xiàn)有類(lèi)似的工作; 3.提出了一種全新的計(jì)算機(jī)功耗能耗的研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)具有如下特點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)軟硬件要求低,極大的降低了功耗能耗研究的實(shí)驗(yàn)難度；測(cè)量結(jié)果真實(shí)可靠,可參考性強(qiáng)；非常適合驗(yàn)證實(shí)際系統(tǒng)真實(shí)效果。 論文從理論分析入手,提出了降低分時(shí)系統(tǒng)功耗能耗的解決方案,并在實(shí)際操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn),驗(yàn)證了理論分析與解決方案的正確有效性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類(lèi)號(hào)】：TP302

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本文編號(hào)：2416758