Optimierung des Energieverbrauchs in echtzeitfähigen, mehrfädigen Prozessoren

Der Einsatz von prozessorgesteuerten, mobilen Geräten stellt einen stetig wachsenden Markt dar. Um neue, konkurrenzfähige Systeme etablieren zu können, müssen diese immer leistungsfähiger und komfortabler werden. Da die meisten mobilen Geräte mit einer Batterie als Energieversorgung arbeiten, wird als Entwicklungsziel unter anderem auch ein geringer Energieverbrauch angestrebt, um möglichst lange Betriebszeiten zu ermöglichen.

In dieser Arbeit werden, aufbauend auf dem mehrfädigen, echtzeitfähigen Komodo-Mikrocontroller, zwei unterschiedliche Energiespartechniken vorgestellt, realisiert und evaluiert. Der Komodo-Mikrocontroller besitzt einen Java-Prozessorkern, der je nach Implementierung vier bis 16 Kontrollfäden (Threads) unterstützt, zwischen denen ohne Zeitverlust gewechselt werden kann. Zudem sind vier verschiedene Echtzeit-Scheduling-Algorithmen integriert, die ein sehr feinkörniges Thread-Scheduling erlauben.

Die beiden Energiespar-Techniken stellen ebenfalls vollständige Hardwarelösungen dar, die keinerlei Software-Overhead erfordern. Sie arbeiten mit den Echtzeit-Parametern der Scheduling-Verfahren Earliest Deadline First und Guaranteed Percentage. Beide Verfahren steuern dynamisch die variable Taktfrequenz und Versorgungsspannung des Mikrocontrollers, ohne dabei das Zeitverhalten der aktiven Threads maßgeblich zu beeinflussen bzw. die Echtzeitfähigkeit zu verletzen.

Bei der Evaluierung wurden beide Hardware-basierten Energiespar-Techniken mit einem ähnlichen, Software-basierten Ansatz verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass keine pauschale Aussage über die beste Energiespar-Technik gemacht werden kann; die erzielten Ergebnisse hängen von der vorhandenen Prozessorauslastung und mehr noch, vom zeitlichen Verhältnis der Threads zueinander ab. Dennoch wird gezeigt, dass der Software-basierte Ansatz sehr viel härtere Anforderungen stellt als die Hardware-basierten Techniken, deren Nichteinhaltung mit sehr großer Wahrscheinlichkeit zum Verlust der Echtzeitfähigkeit führt.