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Energieeffiziente Betriebssysteme am Beispiel von Linux

von Markus Jansen (Autor)

Bachelorarbeit 2009 94 Seiten

Informatik - Angewandte Informatik

Leseprobe

Kurzzusammenfassung

In der Informatik gewinnen energiebewusste Technologien immer mehr an Gewicht. Diese Arbeit zeigt, wie die Energieeffizienz von typischen Desktop-PCs mit Linux-Betriebssystemen gesteigert werden kann. Die Optimierungen betreffen die Betriebssystemebene und zielen vor allem auf den Bereich der CPU, der Festplatte und der Interrupts, sowie der Erstellung eines, hinsichtlich des Speicherbedarfs und der installierten Software, möglichst minimalen Systems ab. Dabei wird der Energieverbrauch reduziert, ohne die Systemleistung in einem Maß zu verschlechtern, das den Benutzer bei der Erledigung alltäglicher Aufgaben negativ beeinflusst. Je nach Verwendungszweck des Computers wird dabei der Energieverbrauch zwischen ca. 4% und ca. 8% reduziert.

Abstract

Energy-Awareness is getting more and more important in Information- and Communication-Technology. This paper demonstrates how energy efficience of typical Desktop-PCs using linux operating systems can be improved. The optimization concerns the operating system layer and are targeting especially CPU-, hard disk- and interrups-issues as well as minimizing the sytem concerning memory requirements and the software installed. In doing so, the energy consumption will be reduced without affecting the overall system performance in a manner, that constraints users to do their routine tasks. According to the sytem usage the energy consumption can be reduced between about 4% and 8%.

Inhaltsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1.Einleitung

1.1Motivation

1.2 Problemstellung und Zielsetzung

1.3 Aufbau der Arbeit

1.4 Einordnung

1.5 Abgrenzung

2.Grundlagen

2.1 Definitionen / verwendete Begriffe

2.1.1 Stochastischer Prozess

2.1.2 Markov-Kette

2.1.3 Energieeffizienz

2.2 CMOS

3.Analyse

3.1 Hauptverbraucher eines PC-Systems

3.2 Typische Betriebssystemtechnologien

3.2.1 DPM

3.2.2 DVS (Dynamic Voltage Scaling

3.2.3 PM von verschiedenen Hardwarekomponenten

3.2.4 Strukturell

3.2.5 ACPI & APM

3.2.6 Fazit und Vorgehen bei der Evaluierung von Strategien

3.3 Energieeffizienz in Linux 2.6

3.3.1 ACPI

3.3.2 Tickless Kernel

3.3.3 Anwendung

4.Anwendung

4.1 Konzept

4.1.1 Testumgebung

4.1.2 Szenarien

4.1.3 Benutzerprofile

4.1.4 Optimierungsziele

4.2 Realisierung

4.2.1 Testsuiten

4.2.2 Messinfrastruktur

4.2.3 Implementierung

4.2.4 Evaluation

5.Schlussbetrachtung

5.1 Fazit

5.2 Ausblick

Anhang

A Hardwareausstattung im Detail

B Benutzerprofil-Skripte

B.1 Light-User Shell-Skript

B.2 Medium-User Shell-Skript

C Messungen

C.1 CPU-Statistik (Light-User

C.2 CPU-Statistik (Medium-User

C.3 Festplatten-Statistik (Light-User

C.4 Festplatten-Statistik (Medium-User

C.5 Interrupt-Statistik (Light-User

C.6 Interrupt-Statistik (Medium-User

C.7 CPU-Belastung (Light-User

C.8 CPU-Belastung (Medium-User

C.9 Festplatten-Belastung (Light-User

C.10 Festplatten-Belastung (Medium-User

C.11 Inhalt der CD-Beilage

Glossar

Abkürzungsverzeichnis

Literaturverzeichnis / Quellenangaben

1. Einleitung

1.1 Motivation

Der erste rein elektronische Universalrechner ENIAC wurde 1946 der Öffentlichkeit vorgestellt. Er hatte 17.000 Röhren und verbrauchte 174 kW Strom [1]. Mit der Einführung der Transistoren ging der Stromverbrauch erheblich zurück, so dass der Energieverbrauch von Computern lange Zeit keine große Rolle spielte [2]. Mit der stärkeren Verbreitung von mobilen Geräten, die auf eine lange Akkulaufzeit angewiesen sind, rückten stromsparende Technologien wieder mehr in den Fokus der Computerindustrie, da trotz umfangreicher Forschung die Laufzeiten von Batterien nicht in dem Maße erhöht werden konnten, wie es nötig gewesen wäre, um dem höheren Verbrauch gerecht zu werden [2]. Durch steigende Energiepreise und gleichzeitig wachsendem Energiebedarf hat das Thema auch bei Desktop-PCs und Servern an Relevanz gewonnen. Insbesondere für Rechenzentren ist der Energieverbrauch ein großer Kostenfaktor. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Wärmeentwicklung der Hardware, die maßgeblich von deren Stromverbrauch abhängt.

Gegenwärtig werden auch Forderungen nach einem verantwortungsbewussten Umgang mit unserer Umwelt in der gesellschaftlichen Diskussion immer präsenter. Angesichts des Klimawandels, knapper werdender natürlicher Ressourcen, höherer Emissionswerte und des gleichzeitig ständig wachsendem Bedarfs an Informations- und Kommunikationstechnologien in sämtlichen Lebensbereichen hat dieses Thema auch die IT-Branche erreicht. In der öffentlichen Diskussion liegt der Fokus derzeit insbesondere auf Rechenzentren. 2006 verbrauchten laut Lewis Curtis, einem Strategie-Infrastruktur-Architekt von Microsoft, die ca. 6000 Rechenzentren in den USA 61 Billionen kWh. Das sind laut dem US-Amerikanischen „Department of Energie“ (DOE) 1,5 % des US-Gesamtverbrauch an Elektrizität, der jährlich um 12 % steigt [3]. Einer Studie des Marktforschungsunternehmens Gartner zufolge werden 2% der CO2-Emissionen weltweit durch Informations- und Kommunikationstechnologien verursacht.

Längst ist „Green IT“ auch zu einem Label für viele Unternehmen und Organisationen geworden. Für diese ergeben sich eine Reihe wirtschaftlicher Gründe für den Einsatz von energiesparenden und somit kostensparenden Technologien. Ebenso kann aus Imagegründen eine ökologische Ausrichtung des Unternehmens wichtig sein. Auch die Einhaltung von gesetzlichen Richtlinien, wie es sie derzeit schon vereinzelt im Bereich der Entsorgung gibt, könnte in Zukunft weiter an Relevanz gewinnen [4]. Doch nicht für nur Unternehmen und staatliche Einrichtungen ist Green IT von Bedeutung. Die

Endverbraucher können davon ebenso in ideeller sowie wirtschaftlicher Hinsicht profitieren und ihre Bedürfnisse an die Industrie herantragen.

1.2 Problemstellung und Zielsetzung

In der Vergangenheit wurden Betriebssysteme in erster Linie mit dem Schwerpunkt auf

Rechenleistung oder, insbesondere in den letzten Jahren der rapiden Entwicklung des Internet Rechnung tragend, in Bezug auf Sicherheit und Bedienkomfort entwickelt. Dabei steht die Forderung nach immer mehr Leistung im direkten Gegensatz zu dem Anspruch, möglichst wenig Strom zu verbrauchen.

Nachdem lange Zeit die Energieeffizienz im Wesentlichen in der Verantwortung der Hardwarehersteller lag, wuchsen seit Beginn der 1990er Jahre mit APM und später vor allem mit ACPI die Einflussmöglichkeiten des Betriebssystems auf den Energieverbrauch eines Computers. Mit der Zeit gewannen energieeffiziente Technologien an Gewicht beim Entwurf und der Implementierung von Betriebssystemen. Dieser Trend hält bis heute an.

Diese Arbeit befasst sich mit der Fragestellung, welchen Einfluss das Betriebssystem auf die Energieeffizienz eines Computers nehmen kann und inwiefern auf der Ebene des Betriebssystemkerns der Stromverbrauch gesenkt werden kann. Der Begriff Energieeffizienz bedeutet in diesem Zusammenhang die Reduzierung des Stromverbrauchs, ohne gleichzeitig die Leistung unverhältnismäßig stark einzuschränken.

Ziel dieser Arbeit ist, Strategien für typische Benutzerprofile zu entwerfen, die den Energieverbrauch eines Linux-Systems reduzieren. Die Strategien sollen dabei nicht auf minimalen Stromverbrauch ausgelegt sein, sondern sinnvoll zwischen Leistung, Bedienkomfort und Energiebedarf balanciert sein und für den Benutzer in dem Sinne transparent sein, dass er die verwendeten Strategien nicht wahrnimmt.

1.3 Aufbau der Arbeit

Die Arbeit gliedert sich in fünf aufeinander aufbauende Teile.

In der Einleitung wird die Motivation, die dieser Arbeit zu Grunde liegt, erläutert sowie der inhaltliche Rahmen eingegrenzt.

Die Grundlagen bilden das Fundament zum Verständnis der Arbeit.

Der dritte Teil befasst sich mit der Analyse. Dabei werden zunächst die Hardwarekomponenten und Peripheriegeräte eines Computers identifiziert, die den größten Energieverbrauch haben. Davon ausgehend wird untersucht, welche Technologien, Algorithmen und Strategien auf Betriebssystemebene angewandt werden, um den Energiebedarf eines Computers zu senken. Darauf aufbauend wird anschließend ein Linux-Kernel dahingehend untersucht, welche Technologien zur Steigerung der Energieeffizienz dort implementiert sind

Nach Abschluss der Analyse werden in der Synthese Strategien entwickelt, die den Stromverbrauch eines Linux-Systems reduzieren sollen. Dazu müssen verschiedene Szenarien berücksichtigt werden, da die Art der Nutzung nicht nur direkte Auswirkungen auf den Stromverbrauch hat, sondern auch unterschiedliche Möglichkeiten bieten und Grenzen aufzeigen. An Hand einer geeigneten Testumgebung wird der Stromverbrauch der jeweiligen Szenarien gemessen und analysiert. Auf Grundlage der Testdaten werden Strategien zur Optimierung auf Systemebene entworfen und diese anschließend evaluiert.

Den Schluss bildet ein kritischer Rückblick auf die Arbeit und fasst die wesentlichen Erkenntnisse zusammen, um abschließend einen Ausblick auf die Zukunft von Betriebssystemen hinsichtlich dessen Energieeffizienz zu bieten.

1.4 Einordnung

Nachdem sich zunächst die Mehrzahl der Forschungsarbeiten im Bereich „Green IT“ auf die

Reduzierung des Energieverbrauchs von Hardwarekomponenten auf Schaltkreis-Ebene befasste, verschob sich später der Fokus auf das Power Management einzelner Komponenten, insbesondere das der CPU, der Festplatte, des Monitors und des Speichers, wo besonders die Verwendung in Embedded- und Echtzeit-Systemen im Vordergrund stand. Mit der der größeren Verbreitung von Notebooks, deren Nutzen auch stark von der Akkulaufzeit abhängt, gewinnt ein generisches Power Management auf Software- und Betriebssystemebene mehr Einfluss, dass nicht für genau eine bestimmte Hardware vorgesehen ist. Diese Arbeit knüpft daran an und untersucht den Einfluss des Betriebssystems auf die Energieeffizienz von Desktop-PCs, die in erster Linie nicht auf Energiesparsamkeit ausgerichtet sind.

1.5 Abgrenzung

Neben einem allgemeinen Teil, der sich grundsätzlich mit der Energieeffizienz von Betriebssystemen auseinandersetzt, wird in einem weiteren Teil die Implementierung des Betriebssystemkerns eines Linux-Systems in Augenschein genommen. Gegenstand der Untersuchungen ist dabei der Linux Kernel 2.6. Anwendungsprogramme und andere Betriebssysteme werden nicht berücksichtigt.

Als Hardwareplattform werden typische Desktop-PCs verwendet, wie sie beispielsweise an einem Büro-Arbeitsplatz Verwendung finden. Embedded- oder Echtzeit-Systeme sowie spezielle Hardware (wie z.B. herstellerspezifische Energiesparfunktionen im BIOS) werden nicht berücksichtigt.

Weiterführenden Themen, welche die Architektur von IT-Systemen hinsichtlich deren Energieeffizienz in den Fokus rücken, kann diese Arbeit möglicherweise als Anknüpfungspunkt dienen. In dieser Arbeit spielt die Architektur aber keine Rolle, da die Energieeffizienz von Betriebssystemen an Hand von einzelnen und voneinander unabhängigen Computern betrachtet wird.

2. Grundlagen

2.1 Definitionen / verwendete Begriffe

2.1.1 Stochastischer Prozess

Ein stochastischer Prozess beschreibt die Zustände eines zufallsbeinflussten Systems in aufeinander folgenden Zeitpunkten. Ein stochastischer Prozess ist demnach eine zeitliche Abfolge von Zufallsvariablen, z.B.Xo, X1, X2,…

Definition laut [5]: „Für einen stochastischen Prozess benötigt man einen Wahrscheinlichkeitsraum, einen Zustandsraum, auch Zustandsmenge genannt, einen Bildbereich T, meist für jeden Zeitpunkt eine Zufallsvariable, die den Zustand zum Zeitpunkt t angibt.

[Formel sind nicht enthalten in dieser Leseprobe]


[1] C. Martin, “ENIAC: press conference that shook the world,” Technology and Society Magazine, IEEE, vol. 14, 1995, pp. 3-10.

[2] A.S. Tanenbaum, Moderne Betriebssysteme, Pearson Studium, 2002.

[3] P. Kurp, “Green computing,” Commun. ACM, vol. 51, 2008, pp. 11-13.

[4] “ElektroG - Gesetz über das Inverkehrbringen, die Rücknahme und die umweltverträgliche Entsorgung von Elektro- und Elektronikgeräten.”

[5] G. Hubner, Stochastik: Eine anwendungsorientierte Einführung für Informatiker, Ingenieure und Mathematiker, Vieweg+Teubner, 2009.

Details

Seiten
94
Jahr
2009
ISBN (eBook)
9783668711655
ISBN (Buch)
9783668711662
Dateigröße
1 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v209524
Institution / Hochschule
Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg – Informatik
Note
1,3
Schlagworte
Energieverwaltung Betriebssysteme Linux ACPI OSPM DPM DVS Betriebssystem gesteuerte Energieverwaltung Dynamic Power Management Dynamic Voltage Scaling

Autor

  • Markus Jansen (Autor)

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