Prefetching gekürzt
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@ -128,8 +128,8 @@
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\item Requirements: (nicht-)Funktionale Eigenschaften entstehen durch Erfüllung von (nicht-)funktionalen Anforderungen
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\item funktionale Eigenschaft: was ein Produkt tun soll
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\item nichtfunktionale Eigenschaft (NFE): wie ein Produkt dies tun soll
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\item andere Bezeichnungen NFE: Qualitäten, Quality of Service
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\end{itemize*}
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\item andere Bezeichnungen NFE: Qualitäten, Quality of Service
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\end{itemize*}
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\subsubsection{Hardwarebasis}
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\begin{itemize*}
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@ -210,149 +210,108 @@
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Beispiele:
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\begin{itemize*}
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\item mobile Geräte: Sparsamkeit mit Energie
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\item Sparsamkeit mit weiteren Ressourcen, z.B. Speicherplatz
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\item Betriebssystem (Kernel + User Space): geringer Speicherbedarf
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\item optimale Speicherverwaltung durch Betriebssystem zur Laufzeit
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\item Baugrößenoptimierung(Platinen-und Peripheriegerätegröße)
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\item Kostenoptimierung(kleine Caches, keine MMU, ...)
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\item massiv reduzierte HW-Schnittstellen (E/A-Geräte, Peripherie)
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\end{itemize*}
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||||
\item Sparsamkeit mit weiteren Ressourcen, z.B. Speicherplatz
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||||
\item Betriebssystem (Kernel + User Space): geringer Speicherbedarf
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||||
\item optimale Speicherverwaltung durch Betriebssystem zur Laufzeit
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\item Baugrößenoptimierung(Platinen-und Peripheriegerätegröße)
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||||
\item Kostenoptimierung(kleine Caches, keine MMU, ...)
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||||
\item massiv reduzierte HW-Schnittstellen (E/A-Geräte, Peripherie)
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\end{itemize*}
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Mobile und eingebettete Systeme (kleine Auswahl)
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\begin{itemize*}
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\item mobile Rechner-Endgeräte
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\item Weltraumfahrt und -erkundung
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\item Automobile
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\item verteilte Sensornetze (WSN)
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\item Chipkarten
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\item Multimedia-und Unterhaltungselektronik
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\item mobile Rechner-Endgeräte
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\item Weltraumfahrt und -erkundung
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\item Automobile
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\item verteilte Sensornetze (WSN)
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\item Chipkarten
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\item Multimedia-und Unterhaltungselektronik
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\end{itemize*}
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\subsection{Energieeffizienz}
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Hardwaremaßnahmen: zeitweiliges Abschalten/Herunterschalten momentan nicht benötigter Ressourcen
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zeitweiliges Abschalten momentan nicht benötigter Ressourcen
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Betriebssystemmechanismen
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\begin{enumerate*}
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\item Dateisystem-E/A:energieeffizientes Festplatten-Prefetching(2.2.1)
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\item CPU-Scheduling: energieeffizientes Scheduling(2.2.2)
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\item Speicherverwaltung:minimale Leistungsaufnahme durch Speicherzugriffe mittels Lokalitätsoptimierung {[}DGMB07{]}
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\item Netzwerk:energiebewusstes Routing
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\item Verteiltes Rechnen auf Multicore-Prozessoren: temperaturabhängige Lastverteilung
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\item Dateisystem-E/A: energieeffizientes Festplatten-Prefetching
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\item CPU-Scheduling: energieeffizientes Scheduling
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\item Speicherverwaltung: Lokalitätsoptimierung
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\item Netzwerk: energiebewusstes Routing
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\item Verteiltes Rechnen: temperaturabhängige Lastverteilung
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\end{enumerate*}
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\subsubsection{Energieeffiziente Dateizugriffe}
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Hardwarebedingungen: HDD, Netzwerkgeräte, ... sparen nur bei relativ langen Inaktivitätsintervallen Energie.
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HDD/Netzwerkgeräte/... sparen nur bei relativ langer Inaktivität Energie
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\begin{itemize*}
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\item Aufgabe: Erzeugen kurzer, intensiver Zugriffsmuster $\rightarrow$ lange Inaktivitätsintervalle (für alle Geräte mit geringem Energieverbrauch im Ruhezustand)
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\item Beobachtung bei HDD-Geräten: i.A. vier Zustände mit absteigendem Energieverbrauch:
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\item Aufgabe: kurze, intensive Zugriffsmuster $\rightarrow$ lange Inaktivität
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\item HDD-Geräten: Zustände mit absteigendem Energieverbrauch:
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\begin{enumerate*}
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\item Aktiv: einziger Arbeitszustand
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\item Idle (Leerlauf): Platte rotiert, aber Plattenelektronik teilweise abgeschaltet
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\item Idle: Platte rotiert, Elektronik teilweise abgeschaltet
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\item Standby: Rotation abgeschaltet
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\item Sleep: gesamte restliche Elektronik abgeschaltet
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\end{enumerate*}
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||||
\item ähnliche, noch stärker differenzierte Zustände bei DRAM
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||||
\item ähnliche, noch stärker differenzierte Zustände bei DRAM
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%\item \includegraphics[width=\linewidth]{Assets/AdvancedOperatingSystems-energiezustände-festplatte.png}
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||||
\item durch geringe Verlängerungen des idle - Intervalls kann signifikant der Energieverbrauch reduziert werden
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\end{itemize*}
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Energiezustände beim Betrieb von Festplatten:
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\subsubsection{Prefetching-Mechanismus}
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\begin{itemize*}
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\item %\includegraphics[width=\linewidth]{Assets/AdvancedOperatingSystems-energiezustände-festplatte.png}
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||||
\item Schlussfolgerung: durch geringe Verlängerungen des idle - Intervalls kann signifikant der Energieverbrauch reduziert werden.
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\end{itemize*}
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\paragraph{Prefetching-Mechanismus}
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\begin{itemize*}
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\item Prefetching (,,Speichervorgriff'', vorausschauendes Lesen) \& Caching
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\item Prefetching (,,Speichervorgriff'', vorausschauend) \& Caching
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\begin{itemize*}
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\item Standard-Praxis bei moderner Datei-E/A
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\item Voraussetzung: Vorwissen über benötigte Folge von zukünftigen Datenblockreferenzen (z.B. Blockadressen für bestimmte Dateien, gewonnen durch Aufzeichnung früherer Zugriffsmuster beim Start von Anwendungen -Linux: readahead syscall)
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\item Ziel: Performanzverbesserungdurch Durchsatzerhöhung u. Latenzzeit-Verringerung
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\item Idee: Vorziehen möglichst vieler E/A-Anforderungen an Festplatte + zeitlich gleichmäßige Verteilung der verbleibenden
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\item Umsetzung: Caching (Zwischenspeichern) dieser vorausschauend gelesenen Blöcke in ungenutzten Hauptspeicherseitenrahmen ( pagecache )
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||||
\item Voraussetzung: Vorwissen über benötigte Folge von zukünftigen Datenblockreferenzen
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||||
\item Ziel: Performanzverbesserung durch Durchsatzerhöhung und Latenzzeit-Verringerung
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||||
\item Idee: Vorziehen möglichst vieler E/A-Anforderungen an Festplatte + zeitlich gleichmäßige Verteilung verbleibender
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||||
\item Umsetzung: Caching dieser vorausschauend gelesenen Blöcke in ungenutzten PageCache
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\end{itemize*}
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||||
\item Folge: Inaktivitätsintervalle überwiegend sehr kurz $\rightarrow$ Energieeffizienz ...?
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||||
\item Zugriffsoperation: (durch Anwendung)
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\begin{itemize*}
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\item access(x) ... greife (lesend/schreibend) auf den Inhalt von Festplattenblock x im Page Cache zu
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\end{itemize*}
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\item Festplattenoperationen:
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\item Folge: Inaktivität überwiegend sehr kurz $\rightarrow$ Energieeffizienz ...?
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\item Zugriffs-/Festplattenoperationen
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\begin{itemize*}
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\item access(x) ... greife auf Inhalt von Festplattenblock x im PageCache zu
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\item fetch(x) ... hole Block x nach einem access(x) von Festplatte
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\item prefetch(x) ... hole Block x ohne access(x) von Festplatte
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\item beide Operationen schreiben x in einen freien Platz des Festplattencaches; falls dieser voll ist ersetzen sie einen der Einträge gemäß fester Regeln $\rightarrow$ Teil der (Pre-) Fetching-Strategie
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\end{itemize*}
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\item Beispiel für solche Strategien: Anwendung ...
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\item Fetch-on-Demand-Strategie bisher (kein vorausschauendes Lesen)
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\item Traditionelles Prefetching
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\begin{itemize*}
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\item mit Datenblock-Referenzstrom A, B, C, D, E, F, G, ...
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\item mit konstanter Zugriffsdauer: 10 Zeiteinheiten je Blockzugriff
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\item Cache-Kapazität: 3 Datenblöcke
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\item Zeit zum Holen eines Blocks bei Cache-Miss: 1 Zeiteinheit
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\end{itemize*}
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\item Beispiel: Traditionelles Prefetching
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\begin{itemize*}
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\item Fetch-on-demand-Strategie (kein vorausschauendes Lesen)
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\item Strategie entsprechend Prefetching- Regeln nach Cao et al. {[}CFKL95{]} (= traditionelle Disk-Prefetching- Strategie)
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||||
\item traditionelle Prefetching-Strategie: bestimmt
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\begin{itemize*}
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\item wann ein Datenblock von der Platte zu holen ist (HW-Zustand aktiv )
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||||
\item welcher Block zu holen ist
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||||
\item welcher Block zu ersetzen ist
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\item traditionelle Prefetching-Strategie: bestimmt
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\begin{itemize*}
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||||
\item wann Block von der Platte holen (HW aktiv)
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||||
\item welcher Block zu holen ist
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||||
\item welcher Block zu ersetzen ist
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\end{itemize*}
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\item Regeln für diese Strategie:
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\begin{enumerate*}
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||||
\item Optimales Prefetching: Jedes \emph{prefetch} sollte den nächsten Block im Referenzstrom in den Cache bringen, der noch nicht dort ist.
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||||
\item Optimales Ersetzen: Bei jedem ersetzenden \emph{prefetch} sollte der Block überschrieben werden, der am spätesten in der Zukunft wieder benötigt wird.
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||||
\item ,,Richte keinen Schaden an'': Überschreibe niemals Block A um Block B zu holen, wenn A vor B benötigt wird.
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||||
\item Erste Möglichkeit: Führe nie ein ersetzendes \emph{prefetch} aus, wenn dieses schon vorher hätte ausgeführt werden können.
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\end{itemize*}
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\begin{enumerate*}
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||||
\item Optimales Prefetching: Jedes \emph{prefetch} sollte den nächsten Block im Referenzstrom in den Cache bringen, der noch nicht dort ist
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||||
\item Optimales Ersetzen: Bei jedem ersetzenden \emph{prefetch} sollte der Block überschrieben werden, der am spätesten in der Zukunft wieder benötigt wird
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||||
\item ,,Richte keinen Schaden an'': Überschreibe niemals Block A um Block B zu holen, wenn A vor B benötigt wird
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||||
\item Erste Möglichkeit: Führe nie ein ersetzendes \emph{prefetch} aus, wenn dieses schon vorher hätte ausgeführt werden können
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||||
\end{enumerate*}
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\end{itemize*}
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\item
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Energieeffizientes Prefetching
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\item Energieeffizientes Prefetching
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\begin{itemize*}
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\item Optimale Ersetzungsstrategie und 3 unterschiedliche Prefetching-Strategien:
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\item Fetch-on-demand-Strategie:
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\begin{itemize*}
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\item Laufzeit: 66 ZE für access(A) ... access(F) , 7 Cache-Misses
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\item Disk-Idle-Zeit: 6 Intervalle zu je 10 ZE
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\end{itemize*}
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||||
\item Strategie entsprechend Prefetching-Regeln {[}CFKL95{]} (traditionelle Disk-Prefetching-Strategie):
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\begin{itemize*}
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\item Laufzeit: 61 ZE für access(A) ... access(F) , 1 Cache-Miss
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\item Disk-Idle-Zeit: 5 Intervalle zu je 9 ZE und 1 Intervall zu 8 ZE (= 53 ZE)
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\end{itemize*}
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||||
\item Energieeffiziente Prefetching-Strategie, die versucht Länge der Disk-Idle-Intervalle zu maximieren:
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\begin{itemize*}
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\item gleiche Laufzeit und gleiche Anzahl Cache-Misses wie traditionelles Prefetching
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\item Disk-Idle-Zeit: 2 Intervalle zu 27 bzw. 28 ZE (= 55 ZE)
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\end{itemize*}
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||||
\item versucht Länge der Disk-Idle-Intervalle zu maximieren
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\end{itemize*}
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\item Auswertung: Regeln für energieeffiziente Prefetching-Strategie nach Papathanasiou elal.: {[}PaSc04{]}
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\begin{enumerate*}
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||||
\item Optimales Prefetching: Jedes \emph{prefetch} sollte den nächsten Block im Referenzstrom in den Cache bringen, der noch nicht dort ist.
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||||
\item Optimales Ersetzen: Bei jedem ersetzenden \emph{prefetch} sollte der Block überschrieben werden, der am spätesten in der Zukunft wieder benötigt wird.
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||||
\item ,,Richte keinen Schaden an'': Überschreibe niemals Block A um Block B zu holen, wenn A vor B benötigt wird.
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||||
\item Maximiere Zugriffsfolgen: Führe immer dann nach einem \emph{fetch} oder \emph{prefetch} ein weiteres \emph{prefetch} aus, wenn Blöcke für eine Ersetzung geeignet sind. (i.S.v. Regel 3)
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\item Beachte Idle-Zeiten: Unterbrich nur dann eine Inaktivitätsperiode durch ein \emph{prefetch} , falls dieses sofort ausgeführt werden muss, um einen Cache-Miss zu vermeiden.
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\end{enumerate*}
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\begin{enumerate*}
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||||
\item Optimales Prefetching: Jedes \emph{prefetch} sollte den nächsten Block im Referenzstrom in den Cache bringen, der noch nicht dort ist
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||||
\item Optimales Ersetzen: Bei jedem ersetzenden \emph{prefetch} sollte der Block überschrieben werden, der am spätesten in der Zukunft wieder benötigt wird
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||||
\item ,,Richte keinen Schaden an'': Überschreibe niemals Block A um Block B zu holen, wenn A vor B benötigt wird
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||||
\item Maximiere Zugriffsfolgen: Führe immer dann nach einem \emph{fetch}/\emph{prefetch} ein weiteres \emph{prefetch} aus, wenn Blöcke für eine Ersetzung geeignet sind
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||||
\item Beachte Idle-Zeiten: Unterbrich nur dann eine Inaktivitätsperiode durch ein \emph{prefetch}, falls dieses sofort ausgeführt werden muss, um Cache-Miss zu vermeiden
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||||
\end{enumerate*}
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\end{itemize*}
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Allgemeine Schlussfolgerungen
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\begin{enumerate*}
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\item Hardware-Spezifikation nutzen: Modi, in denen wenig Energie verbraucht wird
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\item Entwicklung von Strategien, die langen Aufenthalt in energiesparenden Modi ermöglichen , und dabei Leistungsparameter in vertretbarem Umfang reduzieren
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\item Entwicklung von Strategien, die langen Aufenthalt in energiesparenden Modi ermöglichen und dabei Leistungsparameter in vertretbarem Umfang reduzieren
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\item Implementieren dieser Strategien in Betriebssystemmechanismen zur Ressourcenverwaltung
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\end{enumerate*}
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\subsubsection{Energieeffizientes Prozessormanagement}
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Hardware-Gegebenheiten
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\begin{itemize*}
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\item
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z.Zt. meistgenutzte Halbleitertechnologie für Prozessor-Hardware: CMOS
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\item z.Zt. meistgenutzte Halbleitertechnologie für Prozessor-Hardware: CMOS
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( Complementary Metal Oxide Semiconductor)
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\item
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Komponenten für Energieverbrauch: \$P = P\_\{switching\} +
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@ -495,7 +454,7 @@
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\item Beschränkung des Energieverbrauchs (durch Qualitätseinbußen, schlimmstenfalls Ausfall)ab einem oberen Schwellwert \$E\_\{max\}\$
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\item Problem: energieintensive Threads behindern alle nachfolgenden Threads trotz gleicher Priorität $\rightarrow$ Fairnessmaß von RR (gleiche Zeitscheibenlänge T ) untergraben
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%\begin{itemize*}
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\item %\includegraphics[width=\linewidth]{Assets/AdvancedOperatingSystems-round-robin-unfair.png} \end{itemize*}
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%\item \includegraphics[width=\linewidth]{Assets/AdvancedOperatingSystems-round-robin-unfair.png} \end{itemize*}
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%\end{itemize*}
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\item Problem 2: energieintensive Threads niedrigerer Priorität behindern
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später ankommende Threads höherer Priorität
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