Gerenciamento do Consumo de Energia
4.2 ESTIMATIVA DO CONSUMO ENERG´ ETICO
Utilizando-se das informa¸c˜oes dispostas no cap´ıtulo 2, assume- se que a energia consumida por um SCF ´e o resultado do trabalho atribu´ıdo `a opera¸c˜ao dos perif´ericos comandados por programas com- putacionais que resultam na atividade, controle e monitoramento do SCF.
A partir dessa considera¸c˜ao, formulou-se a base conceitual da hip´otese proposta por esta tese: o Modo de Opera¸c˜ao (MO), indicada pela defini¸c˜ao 1:
Defini¸c˜ao 1. Modo de Opera¸c˜ao: modelo matem´atico-computacional que expressa uma condi¸c˜ao energ´etica caracterizada pela atividade de um conjunto de perif´ericos afins que s˜ao comandados por um software de controle.
Ao longo da opera¸c˜ao do SCF, determinam-se instˆancias de fun- cionamento que podem ser representadas pelo MO. Tais circunstˆancias estabelecem uma energia consumida cuja formula¸c˜ao ´e proposta pela defini¸c˜ao 2 e matematicamente indicada por 4.1a e 4.1b.
Defini¸c˜ao 2. Energia do Modo de Opera¸c˜ao: representa a energia consumida pelo MO quando este se tornar ativo.
EM Op = (PP er+ Psw) ton (4.1a)
EM Op = (PM Op)(ton) (4.1b)
Onde: EM Op´e energia do MO em joule (J ), PM Op´e potˆencia ativa do
em watt (W ), Psw ´e potˆencia ativa resultante do processamento do
software de controle em watt (W ), ton ´e o tempo de atividade do MO
em segundos (s).
De 4.1a e 4.1b, deriva-se o valor da potˆencia do MO, conforme indicada pela equa¸c˜ao 4.2. Tal equa¸c˜ao representa a atividade do perif´erico e do respectivo software de controle como uma c´elula ´unica e indivis´ıvel, a qual assume que os efeitos resultantes da intera¸c˜ao entre o sistema f´ısico e o computacional est˜ao integrados pela associa¸c˜ao entre as parcelas Pper e Psw.
PM Op = (PP er+ Psw) (4.2)
Para equacionar a energia total do SCF a partir da hip´otese pro- posta, estrutura-se o funcionamento do SCF pelo somat´orio da energia consumida pelos MOs envolvidos em cada atividade da instala¸c˜ao. Isso porque, admite-se que o perif´erico e o respectivo software de controle constituam um subsistema do SCF.
Por´em, observa-se que nem todos perif´ericos tˆem o seu compor- tamento energ´etico descrito atrav´es do MO. Assim, com o objetivo de equacionar essa condi¸c˜ao, inclui-se no somat´orio uma parcela, identifi- cada pelo termo “”. A equa¸c˜ao 4.3, formula a situa¸c˜ao descrita.
ESCF = EM Op1+ EM Op2+· · · + EM Opn+ ESCF = n i=1 EM OPi+ (4.3)
Onde: ESCF ´e a energia el´etrica total do SCF em joule (J ), EM OPi ´
e a energia dos MOs 1, 2, . . . , n em joule (J ) e representa a parcela da energia el´etrica dos perif´ericos que n˜ao sejam controlados por um
software embarcado.
Para a an´alise do perfil energ´etico nesta proposta, considera-se que as unidades de processamento e os elementos el´etricos/eletrˆonicos constituem uma ´unica classe de componentes, denominada de sistema eletroeletrˆonico (SEE). Os elementos pertencentes a essa classe carac- terizam dispositivos cuja opera¸c˜ao ocorre sob o controle direto de um
firmware, portanto n˜ao s˜ao comandados por um software aplicativo embarcado.
Com a introdu¸c˜ao dessa classe de componentes (SEE), estabelece- se um segundo grupo de dispositivos envolvidos na avalia¸c˜ao do perfil
energ´etico do SCF. Assim sendo, a presente tese aborda os perif´ericos do SCF, classificando-os em dois grupos:
⇒A-Perif´ericos vinculados `a opera¸c˜ao do SCF: s˜ao, necessariamente,
controlados por um software embarcado espec´ıfico, cuja opera¸c˜ao resulta do processamento do sistema computacional do SCF. A inexistˆencia desse software inviabiliza uma ou mais funcionali- dades do sistema, tais como: dos sensores e atuadores de modo geral, da cˆamera de vis˜ao, dos leitores ´oticos, dos solen´oides, dos motores/servomotores e do scanner LASER.
A energia el´etrica consumida por esses perif´ericos ´e caracterizada pela energia do MO do perif´erico em quest˜ao.
⇒B-Integrantes do sistema eletroeletrˆonico (SEE): est˜ao intrinseca-
mente relacionados `a opera¸c˜ao do sistema computacional, por isso, s˜ao controlados pelo sistema operacional. Exemplos: placa- m˜ae, hard-disk, teclado, mouse, joystick, monitor e comunica¸c˜ao
wireless.
Atribui-se ao consumo energ´etico desses perif´ericos a parcela denominada de: ESEE
A classifica¸c˜ao acima apresentada, mais especificamente, `a dos perif´ericos integrantes do SEE, ao ser comparada ao valor de “”, resulta na sobreposi¸c˜ao das finalidades. Assim, devido a semelhan¸ca das caracter´ısticas, tem-se que: = ESEE.
Com esta reestrutura¸c˜ao, ajusta-se a equa¸c˜ao 4.3 para que essa passe a representar a condi¸c˜ao especificada. Dessa forma, tem-se como resultado final a equa¸c˜ao 4.4.
ESCF =
n
i=1
EM Opi+ ESEE (4.4)
Onde: ESCF ´e a energia total do SCF, EM Opi, representa a energia de
cada um dos n MOs ativos e ESEE´e a energia do sistema eletroeletrˆo-
nico, integrantes do SCF em quest˜ao.
Em linhas gerais, a equa¸c˜ao 4.4 formaliza a rela¸c˜ao energ´etica do SCF em fun¸c˜ao dos MOs e dos perif´ericos que d˜ao suporte para o seu funcionamento. Dessa maneira, totaliza-se o consumo por meio de parcelas, caracterizadas pela atividade conjunta do perif´erico e do programa computacional usado no seu controle e pelos perif´ericos essenciais `a atividade do SCF, que n˜ao s˜ao operados por um software aplicativo embarcado.
4.2.1 C´alculo da Potˆencia do Perif´erico
A estimativa inicial da potˆencia ativa m´edia, ´e feita com base no manual do fabricante que cont´em os dados t´ecnicos e o detalha- mento sobre o perif´erico. Dele extraem-se diretamente as informa¸c˜oes necess´arias, como a tens˜ao e a corrente de opera¸c˜ao do perif´erico, ou, de modo alternativo, determinam-se os valores a partir delas. Outra op¸c˜ao ´
e a realiza¸c˜ao de ensaios para se obter o valor da potˆencia consumida, uma vez que se pode realizar o teste sob condi¸c˜oes semelhantes `as da opera¸c˜ao do SCF.
Entende-se que a precis˜ao do valor obtido depende do n´ıvel de conhecimento das caracter´ısticas el´etricas do perif´erico e das condi¸c˜oes de funcionamento, as quais devem ser avaliadas pelo projetista.
A formula¸c˜ao usada para a determina¸c˜ao do valor da potˆencia m´edia dos perif´ericos vinculados `a opera¸c˜ao do SCF e dos integrantes do SEE segue a mesma base matem´atica, ou seja, estima-se esse valor usando os dados contidos nas folhas de especifica¸c˜oes do perif´erico em quest˜ao ou similares. A equa¸c˜ao 4.5 orienta este c´alculo.
Pper= (Vper)(Iper) (4.5)
Onde: Pper ´e a potˆencia do perif´erico em quest˜ao em watt (W ),
Vper´e a tens˜ao de opera¸c˜ao do perif´erico em volt (V ) e Iper´e a corrente
de opera¸c˜ao do perif´erico em ampere (A).
No caso espec´ıfico da potˆencia dos perif´ericos que integram o SEE, considera-se que os mesmos constituam uma ´unica parcela (PSEE). Nessa situa¸c˜ao, o valor dessa parcela ´e caracterizada pelo
somat´orio dos “k” perif´ericos associados ao SEE. A express˜ao 4.6 indica essa rela¸c˜ao.
PSEE =
k
i=1
Pperi (4.6)
Onde: PSEE ´e a potˆencia m´edia do SEE, e Pperi ´e a potˆencia m´edia de cada perif´erico integrante do SEE, calculada pela express˜ao 4.5.
Para o estudo em desenvolvimento, admite-se na formula¸c˜ao apresentada que o consumo energ´etico do SO est´a incluso no cˆomputo da potˆencia dos “k” perif´ericos integrantes.
Pela organiza¸c˜ao da estrutura energ´etica apresentada para o SCF, observa-se a que PSEE ´e um valor caracterizado pela atividade
m´edio dessa potˆencia tende a ser um valor constante, conforme 4.7.
PSEE ≈ ε (4.7)
4.2.2 C´alculo da Potˆencia do Processamento do Software de Controle
Tendo em vista a hip´otese formulada pelo MO, o elemento de interesse nessa se¸c˜ao constitui-se pela potˆencia resultante do processa- mento das instru¸c˜oes do software de controle. Esse fenˆomeno, traduz-se de maneira geral, como sendo uma fun¸c˜ao do chaveamento dos tran- sistores e da quantidade de acessos `as mem´orias (CHATZIGEORGIOU; STEPHANIDES, 2002).
A base conceitual e matem´atica que estrutura essa investiga¸c˜ao ´e apresentada no cap´ıtulo 3, se¸c˜ao 3.1 (p.61). Na referida se¸c˜ao, indicam- se os aspectos relacionados `as solu¸c˜oes propostas para o estabelecimento de m´etricas para avaliar o consumo de programas computacionais. Pelo exposto, nota-se que, esse tipo de an´alise recai em aspectos que envolvem detalhes da arquitetura do sistema, onde a combina¸c˜ao das vari´aveis envolvidas implicam em diversos cen´arios, tornando complexa a efetiva¸c˜ao dessa tarefa.
Usando como argumento as quest˜oes anteriormente apontadas e, que o estudo em quest˜ao direciona-se para an´alises com maior n´ıvel de abstra¸c˜ao, onde a ordem de grandeza do consumo dos perif´ericos sob estudo, s˜ao muitas vezes superiores ao efeito do consumo energ´etico das intera¸c˜oes computacionais, resultantes do processamento do software de controle, sobre a fonte de energia, considerou-se, assim, a premissa 1. Premissa 1. Assume-se que a potˆencia el´etrica decorrente dos efeitos das intera¸c˜oes do sistema computacional, relativas ao processamento do software de controle, est˜ao inclu´ıdas no cˆomputo da parcela que calcula a potˆencia do software de controle integrante do MO.
Sendo assim, prop˜oe-se avaliar o consumo do software de controle do MO atrav´es de um fator que indica o n´ıvel de complexidade do pro- grama computacional. O n´umero atribu´ıdo a esse fator expressa o grau de complexidade das opera¸c˜oes requeridas durante o processamento do c´odigo, ou seja, durante a atividade do processador.
Para caracterizar esse fator, desenvolveu-se uma heur´ıstica que utiliza os resultados dos benchmarks de programas usados em sistemas embarcados. Em linhas gerais, a escala atribu´ıda a esse fator ´e di- retamente proporcional `a complexidade do processamento, sendo esse
valor pr´oximo a zero, ao tratar de programas com pequena ou quase nenhuma complexidade.
Prop˜oe-se quantificar o consumo relativo ao processamento do
software de controle, por meio da equa¸c˜ao 4.8.
Psw = (Pup)(Fsw)
Psw = (Vup)(Iup)(Fsw) (4.8)
Onde:
⇒ Pup´e a potˆencia el´etrica em watt (W ), da unidade de processamento
em que o software de controle ´e processado;
⇒ Vup ´e a tens˜ao de opera¸c˜ao da unidade de processamento em
volts (V );
⇒ Iup ´e a intensidade da corrente drenada pela unidade de processa-
mento em ampere (A);
⇒ Fsw ´e o fator de complexidade do software, valor que quantifica o
n´ıvel de processamento do software que controla o perif´erico, calculado pela heur´ıstica descrita no cap´ıtulo 5, se¸c˜ao 5.1 (p.99).
Considerando que o sistema computacional seja essencialmente representado pela placa-m˜ae, ou seja, que o consumo da unidade de processamento na qual o software de controle ´e processado, seja aproximadamente igual ao consumo da placa-m˜ae (Pup ≈ Pmb). Por
conseguinte, admite-se que, o consumo do processamento do software de controle possa ser calculado por 4.9.
Psw = (Pup)(Fsw)
Psw = (Pmb)(Fsw) (4.9)
Onde: Pmb indica a potˆencia da placa-m˜ae em watt (W )
4.2.3 Formula¸c˜ao do Tempo de Dura¸c˜ao da Atividade
A determina¸c˜ao deste valor considera a intera¸c˜ao entre os sen- sores do SCF e a existˆencia de um plano de trabalho.
Os sensores prov´em o n´ucleo computacional com informa¸c˜oes sobre as condi¸c˜oes f´ısicas do SCF, as quais ser˜ao usadas para a manu- ten¸c˜ao do plano de trabalho, conforme indica a premissa 2.