Д. т. н. Саченко А. О., Солодовник А. В.
Тернопільський національний економічний університет, Україна
ІННОВАЦІЙНИЙ ПРОЕКТ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ АВТОНОМНИХ ІНФОРМАЦІЙНИХ СИСТЕМ
Ключові винаходи, інноваційні засоби і технології забезпечують постійний розвиток і використання інформаційних систем (ІС). Постійне впровадження інноваційних досягнень вплинуло на значне зменшення вартості засобів ІС і широкі можливості застосування цілого спектру нових виробів, які вносять значний вплив на образ життя. Одна з характеристик, яка в значній мірі сприяє зростанню використання ІС у останні десятиліття є їх здатність до роботи в автономному режимі.
Д ля живлення автономних систем використовують енергетично обмежені ресурси (акумулятори), тому зменшення потужності споживання є важливою частиною використання таких систем . Отже актуальним є зменшення потужності, яку споживають засоби інформаційних систем з автономним живленням .
Дослідження в області збільшення тривалості роботи інформаційних систем при автономному живленні проводять за трьома напрямками:
1) удосконалення джерел живлення;
2) оптимізація апаратної складової (АЗ);
3) оптимізація програмної складової (ПЗ).
Усi цi напрями ставлять перед собою рiзнi задачi, в залежностi вiд кінцевого середовища та умов експлуатації. На сьогоднiшнiй день переважають заходи зменшення енергоспоживання, за рахунок удосконалення джерел живлення та оптимізації апаратної складової інформаційних систем. Аналіз вхідних даних, якi впливають на роботу системи, проводиться за допомогою її емуляції з використанням абстрактної моделi системи, яка є частиною програмного пакету Simulink [9]. Крiм загального моделювання системи, на етапi проектування є можливим моделювання енергоспоживання її окремих компонентiв [8]. В результатi коректного проектування інформаційних систем, з врахуванням не лише специфiкацiй, але й з точки зору мiнiмiзацiї використання ресурсiв (а отже й енергоспоживання) може сягати 20% [9]. В той час, як велика кiлькiсть виробникiв зосереджується на апаратнiй оптимiзацiї кiнцевого пристрою з точки зору енергоспоживання, програмна в основному залишаються поза увагою, хоча оптимізація програмної складової також значно впливає на кінцеве енергоспоживання процесора. Це пояснюється тим, що процес оцiнки енергоспоживання ПЗ є складною, комплексною проблемою, i першою задачею, яку слiд розв'язати є аналіз та оцінка компонентiв автономних систем за величиною енергоспоживання.
Вперше такі дослідження проводив Тіварі, але в його роботах не було досліджено усіх деталей щодо енергоспоживання ПЗ, хоча він обґрунтував доцільність таких досліджень. Значний вклад у дослiдження енергоспоживання систем з автономним живленням внесли В. Тiварi, Е. Масiй, М. Педрам, С. Сегарс, К. Брандолезе, С. Стайнке, Т. Лаопулос та iн [5–7]. Отримані при цьому дані уможливили створити математичну модель затрат енергії процесорним ядром при виконанні команд, яка враховує ряд енергочутливих факторів, такі як спосіб адресації, типи операндів і номери регістрів.
Відомі концепції аналізу споживаної потужності процесора ІС при виконанні інструкцій можна розділити на способи, які ґрунтуються на фізичних вимірюваннях та на моделюванні . У підходах , які ґрунтуються на моделюванні , енергія, витрачена ПЗ, оцінюється шляхом отримання витрат енергії різними складовими процесора, які в свою чергу отримують за допомогою симуляцій, які можуть бути проведені на різних рівнях: схеми, передачі чи регістра. Спільним недоліком усіх цих підходів є те, що вони не дають механізму, за допомогою якого можна обчислити витрати енергії ПЗ безпосередньо з послідовності команд.
Отже виконанідослідження в області аналізу і оцінки напрямів зменшення споживаноїпотужності [2–4], показують, що на даний час розроблено недостатньо методів, які б допомагали системним інженерам оцінювати ефективність ІС з точки зору споживаної потужності.
Таким чином необхідним є розроблення методів і засобів, щодо оцінки енергії виконання програми мікропроцесором з достатньою для практики точністю (1%) шляхом дослідження енергії виконання окремих команд і аналізу дезасембльованого коду програми, з точки зору споживаної потужності. Це уможливить оптимізувати програмне забезпечення за споживаною енергією, що є актуальним для інформаційних систем, особливо з автономним живленням.
Мета роботи – Розробити проект оцінки та прогнозування енергоспоживання автономних ІС при виконанні інструкцій.
Аналiз, проведений у [2; 3], вказує на те, що одним з найбiльш енергоємних компонентiв ІС є процесор, енергоспоживання якого складає 20%-30% вiд загального. Для ноутбукiв, найбiльшим споживачем енергiї може бути дисплей. Однак, наявнiсть останнього для автономних систем не завжди є обов'язковою (наприклад, система збору даних може передавати данi по радiоканалу або ж зберiгати у пам'ятi для подальшої обробки, не виводячи iнформацiю на екран тощо).
Отже процесор є одним з енергоємних пристроїв, а отже його оптимізація енергоспоживання (i як наслiдок збiльшення тривалостi роботи системи на одному зарядi) є першочерговою. Для мiнiмiзацiї споживання енергiї та забезпечення максимального терміну роботи при живленні від автономних джерел без обмежень [2] на виконання інформаційних задач застосовують рiзнi методи [3]: впровадження нових архiтектурних та технологiчних рiшень на етапi проектування системи.
На противагу апаратній оптимізації – програмна дозволяє зменшувати енергоспоживання процесора в процесі його експлуатації. Завдяки цьому область застосування останнього методу є значно ширшою і може охоплювати не лише існуюче програмне забезпечення (його оптимізація за енергоспоживанням може проводитися методом дизасемблювання програм та їх повторного асемблювання з врахуванням заданих параметрів), а й нове, на етапі проектування та розробки. М етоди мiнiмiзацiї енергоспоживання програмного забезпечення є нові та перспективні, оскільки їх можна використати як для нових систем, так i для тих, що експлуатуються.
Для цього потрібні дані щодо споживання енергії процесорним ядром при виконанні кожної команди. А для практичного застосування необхiдна наявнiсть компiляторiв, якi оптимiзують програмний код за енергоспоживанням, що вимагає створення вiдповiдних математичних моделей оцінки енергоспоживання мiкропроцесорiв при виконанні інструкцій. Проте, ця проблема пов'язана з складнiстю точного аналiзу та оцінки енергоспоживання виконання програми і може базуватися на різних методах та об'єктах аналізу. Напрямки досліджень оцінки енергоспоживання, які використовують рiзнi методи, забезпечують різну точність та вимагають різного рівня знань про об'єкт дослідження.
Аналіз [4] показує, що для побудови математичної моделі енергоспоживання вбудованої системи необхідно знати її внутрішню архітектуру. Однак, така інформація не завжди є доступною [8], а отже створення моделі вимагає аналізу апаратної частини системи.
Проте вiдомi моделi та методи оцінки енергоспоживання мiкропроцесорiв мають велику похибку до 10%. Це пов’язано з оцінкою на базi результатів вимiрювання середнього значення струму споживання мікропроцесорів (що не дозволяє коректно оцiнити енергоспоживання кожної iнструкцiї), або вимiрюванням миттєвого значення струму споживання пiд час роботи мiкропроцесора в нештатному режимi.
Отриманi таким чином значення можуть коливатися в межах до 10% [5], тому є непридатними для точної оцiнки енергоспоживання мiкропроцесорiв.
Для підвищення точності оцiнки енергоспоживання окремих інструкцій мiкропроцесора необхідно вимiрювати миттєве значення струму споживання. Вiд точностi вимiрювання миттєвого значення струму споживання залежить ефективнiсть планування та управлiння енергоспоживанням системи. Окремi компоненти останнiх зазвичай мають декiлька варiантiв реалiзацiї i рiзний вплив на швидкодiю та енергоспоживання системи, а тому, для їх вiдбору використовуються спецiальнi методи [4–6].
Оскільки сучасні мiкропроцесори використовують конвеєрну органiзацiю роботи, то постає задача розмежування енергiї мiкропроцесора, спожитої на кожному конвеєрi, у момент опрацювання рiзних iнструкцiй. Для цього вперше запропоновано інноваційний метод вимiрювання миттєвого струму споживання iмпульсних пристроїв, зокрема, мiкропроцесорiв, який, захищено патентом [10].
Для підвищення точності запропоновано метод, який передбачає послiдовне калiбрування каналiв вимірювання, що забезпечує похибку вимiрювання миттєвого струму споживання iмпульсних пристроїв не бiльше 0,5% [2].
На основi результатiв виконаних дослiджень енергоспоживання мiкропроцесорiв запропоновано метод побудови моделi енергiї споживання мiкропроцесорiв при виконаннi iнструкцiй та мiжiнструкцiйних переходiв, який базується на використаннi комплексу (каскаду) штучних нейронних мереж, кожна з яких навчається на вибiрцi, куди входять результати точного миттєвого вимiрювання енергiї виконання iнструкцiй в декiлькох режимах або пiд час мiжiнструкцiйних переходiв, що уможливлює прогнозування енергiї їх споживання у всiх (також i недослiджених експериментально) режимах або мiжiнструкцiйних переходах, і відповідно значно скоротити обсяг необхiдних експериментальних досліджень. Таким чином підвищується ефективність застосування автономних інформаційних систем.
Список використаних джерел:
1. Improved Sorting Methodology of Data-processing Instructions / A. Borovyi, V. Kochan, Th. Laopoulos, A. Sachenko // International Journal of «Computing». – 2011. – Vol. V. 1. – P. 50–55.
2. Borovyi A. Predicting Power Consumption of CPU’s Core for Base Cost of Data Processing Instructions / A. Borovyi, V. Kochan // Proceedings of the 2008 International Conference on Embedded Systems and Application (ESA’08). – Las Vegas, NV, USA : CSREA Press, 2008. P. 47–51.
3. Device for Measuring Instant Current Values of CPU’s Energy Consumption / A. Borovyi, V. Kochan, Z. Dombrovskyy [et al.] // Proceedings of the fifth international workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems (IDAACS’2009). – Rende, Cosenza, Italy: IEEE, 2009. – September, 21–23. – P. 126–130.
4. Боровий А. Нейромережевий метод прогнозу енергоспоживання процесорного ядра при виконаннi iнструкцiй опрацювання даних / А. Боровий, В. Кочан // Науковий вiсник Чернiвецького унiверситету. – 2009. – № 446. – С. 41–48.
5. Проблеми побудови моделi енергоспоживання процесорного ядра / А. Боровий, О. Гавришок, В. Кочан, З. Домбровський // Труды десятой Междун. науч.-практ. конф. «Современные информационные и электронные технологии» (18–22 травня). Одеський Нацiональний Полiтехнiчний Унiверситет. – О.: Полiтехперiодика, 2009. – Т. 1. – С. 157.
6. Jackson Joab. IDC: Embedded systems market to double by 2015, IDC. Framingham, MA, USA: IDG News Service, 2011. – September [ Електронний ресурс ] . – Режим доступу: http://www.networkworld.com/news/2011/090911
7. Modeling Instruction-Level Parallelism for WCET Evaluation / J. Barre, C. Landet, C. Rochange, P. Sainrat // 12th IEEE International Conference on Embedded and Real-Time Computing Systems and Applications, (RTCSA ’06). Sydney, Australia: IEEE Computer Society, 2006. – August, 16–18. – P. 61–67.
8. Measurements Analysis of the Software-related Power Consumption in Microprocessors / N. Kavvadias, P. Neofotistos, S. Nikolaidis [et al.] // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2004. – August. – Vol. 53, no. 4. – P. 1106–1112.
9. Instruction-level Power Measurement Methodology: Deliverable: EASY/WP2/AUTH/DL/P/D8/B1 / Aristotle University of Thessaloniki; Executor: S. Nikolaidis, N. Kavvadias, Th. Laopoulos. Thessaloniki, Greece: 2002. March, 4.
10. Пат. 90922 UA, МПК (2009) G05F 5/00 G01K 17/00. Пристрiй вимiрювання енергiї iмпульсних споживачiв / А. Боровий, I. Майкiв, Р. Кочан, З. Домбровський, В. Кочан. № а 2008 06325; заявл. 13.05.2008; опубл. 10.06.2010, Бюл. № 11.