L'énergie renouvelable pour les systèmes temps réel embarqués

L'énergie renouvelable pour les systèmes

temps réel embarqués

Maryline Chetto

IUT de Nantes IRCCyN, UMR CNRS 6597

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Plan

• Notions de temps réel

• Notions de Energy Harvesting

• Problématique de l’autonomie énergétique

• Vers des solutions

GreenDays@Nantes - novembre 2016

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L’informatique embarquée

• Une application embarquée – Réside en permanence dans un objet industriel ou grand public

– Fournit en général des fonctionalités de monitoring avec ou pas une interface et de plus en plus souvent connecté

• Exemples classiques de systèmes embarqués automobiles, avion, trains, machine outils, electronique grand publique,

téléphone, robots, jouets, implants médicaux,…

En fait, il y en a partout !!


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Critères d’évaluation

Performance : réactivité, predictabilité

Economique : coût, temps de mise sur le marché

Autres: fiabilité, sécurité

Cela suppose beaucoup de deboggage, de la redondance logicielle/matérielle

Le constat, c’est qu’ils doivent être

De plus en plus petits

De plus en plus bon marché

De plus en plus performants


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Embarqué et temps réel

• Toute fonction de contrôle se fait en temps contraint en fonction des

dynamiques de l’environnement exécutions cycliques

• Cette fonction doit être opérante sur de très longues périodes

• L’intervention humaine est en général impossible

• Le logiciel doit avoir une empreinte mémoire la plus faible possible

• Le matériel doit être le plus compact possible

• Nécessité d’un RTOS


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Tâches temps réel

• Tâches périodiques - Characteristiques connues a priori - Task Ti caractérisée par (pi, ci)

Exemple: monitoring de la pression artérielle d’un patient Capteur avec un diamètre d'environ 1 mm placé dans l'artère fémorale et mesure la pression artérielle 30 fois par seconde. Le capteur est relié par l'intermédiaire d'un micro-câble souple à une unité de transpondeur, également implanté dans l'aine sous la peau. Cette unité numérise et encode les données provenant du micro-capteur et les transmet à un dispositif externe de lecture que les patients peuvent porter comme un téléphone cellulaire à la ceinture. De là, les lectures peuvent être transmis à une station de surveillance et analysés par le médecin. (source: http://gadgetmagique.ru)

• Tâches apériodiques - Réveillées sur événements de caractéristiques non connues a priori


http://gadgetmagique.ru/






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Tâches temps réel

Job de tâche temps réel

Jobs de tâche périodique


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EDF (Earliest Deadline First)

• Execute le job le plus urgent ASAP

• Optimal et optimise l’utilisation du processeur • Non-clairvoyant et non-idling • Inadapté en cas de surcharge et inadapté en cas de limitation

énergétique

T1

T2

T3

(1,4)

(2,5)

(3,7)

5

5

10

10 15

15


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La consommation énergétique

Depuis 1970, on s’est intéressé à savoir comment exécuter les tâches dans le respect des contraintes temporelles en considérant la durée d’exécution avec

• Un/des processeur de vitesse donnée

• Une quantité d’énergie illimitée

Depuis 1995, on s’est intéressé à savoir comment exécuter les tâches en considérant • Une quantité d’énergie limitée

Objectif: minimiser l’énergie consommée pour maximiser la durée d’autonomie (battery operated systems)


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La consommation énergétique

• CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) circuits.

• Reducing VDD causes increase of circuit delay

– Un CPU peut fonctionner à une tension plus basse VDD, à condition que la fréquence f soit réduite aussi pour tolérer l’augnmentation du délai de propagation

• Les processeurs modernes changent dynamiquement VDD et f

• Techniques DVFS and DPM

Le problème d’ordonnancement temps réel est devenu un problème d’optimisation


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Energy harvesting

Energy harvesting: récupération de l’énergie environnementale pour alimenter un matériel en électricité

Grande variété de sources : lumière, vibration, variation de temperature ,…

Exemple: Pour une consommation moyenne de 100 mW, avec 1 cm3 de

batterie lithium, autonomie limitée à 1 an: pas toujours acceptable Avec le Energy harvesting : on fournit 100 mW/cm3 indéfiniment Objectifs:

• Équipements à longue durée de vie • Limitations des alimentations filaires en extérieur • Maintenance moins coûteuse


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Points faibles des systèmes existants

Extraction de l’énergie avec de forts coûts en termes de volume, poids Challenges actuels: Pouvoir concevoir un système à récupération d’énergie ambiante avec:

La meilleure unité de stockage d’énergie (batterie,

condensateur)

Le meilleur récupérateur d’énergie (PV, …)

Des circuits annexes qui consomment le moins possibles


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Questions clés

Source: Silicon Labs


Combien récolter, combien stocker, combien consommer?

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La problématique

Pour un système temps réel, l’objectif est de respecter les échéances

des tâches . Cela suppose de prendre en compte :

• les besoins en temps de traitement • les besoins en énergie

• sous la contrainte de disponiblité de l’énergie ambiante

limitée fluctuante Non controllable imprédictible


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Framework


Energy harvester

(HM)

Energy Storage (SM)

Processor (PM)

Scheduling policy

… J1

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Nouvelles problématiques

• Les classiques EDF et RM ne tiennent pas compte des restrictions d’énergie

• Les problèmes que nous devons traiter sont:

– Comment modifier les ordonnanceurs temps réel classiques pour les rendre “energy aware”?

– Comment étendre les tests de faisabilité ?

– Comment choisir la taille optimale de l’unité de stockage d’énergie ? (Systèmes de type Harvest-Store-Use)


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Objectif

Fonctionner en mode de neutralité énergétique sur une durée infinie • Question: Trouver une technique de gestion dynamique de puissance

associé à un ordonnanceur qui

• garantit la neutralité énergétique • Respecte les échéances des tâches ou fournit une QdS acceptable

NB: On ne cherche pas à minimiser l’énergie consommée !!!


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Système générique étudié


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Hypothèses

Stockage d’énergie:

A capacité nominale

Source d’énergie

Pr (t): une puissance instantanée de production variable

Tâche

Worst Case Energy Consumption (WCEC)

NB: WCEC n’est pas nécessairement proportionnel à WCET


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Les premiers travaux

DVS (University of Pittsburg, USA)

• A. Allavena and D. Mossé, Scheduling of Frame based Embedded Systems with Rechargeable Batteries, Workshop on Power Management for Real-Time and Embedded Systems 2001.

• C. Rusu, R. Melhem and D. Mossé, Multi-version Scheduling in Rechargeable Energy aware Real-time Systems, ECRTS 2003

Non DVS A. Allavena and D. Mossé, Scheduling of Frame based Embedded Systems with Rechargeable Batteries, Workshop on Power Management for Real-Time and Embedded Systems 2001.

(Swiss Federal Institute of Technology, ETH Zurich)

• C. Moser, D. Brunelli and L. Benini Real-time Scheduling with Regenerative Energy. ECRTS 2006


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Comportement de EDF classique

EDF est

NON CLAIRVOYANT (ne voit pas le futur)

NON idling (ne met pas le processeur au repos délibérément il consomme l’énergie de façon goulue


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Is EDF suitable for RTEH systems?

Principaux résultats: 1) Pas d’optimalité sans clairvoyance (2014)

2) Absence de compétitivité sans clairvoyance (2014)

3) L’optimalité requière une clairvoyance sur D unités de temps

(lookahead-D ) avec D plus grande échéance relative

4) EDF est le meilleur ordonnanceur non idling (2014)

EDF est facile à implementer

ne nécessite pas la prediction de l’énergie produite

ne nécessite pas le niveau d’énergie courant

Mais comportement pauvre de EDF


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ED-H : un ordonnanceur optimal

• ED-H: Idling et Clairvoyant

• Son implémentation requière:

• Niveau d’énergie courant

• Prédiction d’énergie produite

• Profi l’arrivée des tâches en ligne

Résultat clé ED-H est optimal

CHETTO M., « Optimal Scheduling for Real-Time Jobs in Energy Harvesting Computing Systems » IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing, january 2014,


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Principes de ED-H

R1: The EDF order is used to select the future running job in Lr (t).

R2: The processor is imperatively idle in [t, t + 1) if Lr (t) = ∅ .

R3: The processor is imperatively idle in [t, t + 1) if Lr (t) ∅ and either E(t) = 0 or Slack.energy(t) = 0.

R4: The processor is imperatively busy in [t, t + 1) if L r (t) ) ∅ and either E(t) = C or Slack.time(t) = 0

R5: The processor can equally be idle or busy if L r (t) ) ∅ , 0 < E(t) < C, Slack.time(t) > 0 and Slack.energy(t) > 0.


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Exemple illustratif

Stratégie d’ordonnancement ED-H


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Résultat de simulation


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Questions d’intégration

Le RTOS doit fournir des fonctionnalités pour

– Mesure de l’énergie disponible

– Estimation de la production d’énergie future

– Estimation de l’énergie consommée par chaque tâche

Ce sont ici les challenges de l’intégration !!!


Contact: [email protected]

Equipe STR de l’IRCCyN

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Documents

L'énergie renouvelable pour les systèmes temps réel embarqués