This paper describes BE-OS, a Buffer-based Energy-efficient CPU scheduler for mobile devices that primarily run real-time multimedia applications. BE-OS is an Operating System algorithm on low-power hardware technique such as Dynamic Voltage Scaling(DVS), which has been a key technique in taking advantage of hardware characteristics of processor(CPU) to reduce energy consumption. DVS provides operating system with the ability to dynamically change processor's clock frequency and thus optimize energy consumption. The pre-buffering technique for multimedia output is a key motivation for our algorithm, that keeps output data(frames) of real-time multimedia applications in the buffers temporarily. We aimed the fact that the buffer absorbs the variation of CPU workload. Our control algorithm observes how much the buffer is occupied, and adjust CPU frequency accordingly. This frequency adjustment operates as a feedback control system for the buffer. Mathematical analysis shows that this control model is stable and well-behaved. This buffer-based algorithm eliminates CPU idle time fully, minimizing energy consumption compared with previously proposed algorithms. And our scheduling algorithm enables BE-OS to support multiple task case, which includes not only buffer-enabled multimedia tasks, but also interactive tasks.
Our simulation results show that overall operation of BE-OS is successful in guaranteeing both quick response of interactive tasks and QoS of multimedia tasks. And the results indicates that compared to previously proposed algorithms, BE-OS saves energy by 20% to 70% while delivering almost perfect QoS guarantees for multimedia playbacks.
최근 퍼스널 컴퓨터, 랩탑, PDA등 컴퓨팅 장치들의 성능 향상 요구가 급격히 커지면서 프로세서의 에너지 사용량이 크게 늘어나고 있다. 이것은 프로세서의 동작 클럭 주파수가 증가하게 되면서 불가피하게 에너지 소모량도 늘어날 수밖에 없기때문이다. 최근 이러한 추세에 따라 에너지 관리 기능이 있는 프로세서가 개발되어 보급되고 있다. 이러한 하드웨어 기술 중 가장 대표적인 것이 동적전압조절(DVS)이다. DVS는 운영체제에 하드웨어의 동작 클럭 주파수를 결정할 수 있는 인터페이스를 제공한다. 이 논문은 이러한 하드웨어의 저전력 기술을 운영체제가 적극적으로 이용하여 에너지 효율적인 시스템을 만드는 것을 목적으로 한다. 특히 멀티미디어 어플리케이션의 경우 출력 버퍼링 기능을 사용할 수 있는데 이 기능을 채택할 경우 CPU 요구량의 변화를 적절히 절충할 수 있기 때문에 매우 유리하다. 이 논문에서는 이러한 버퍼를 활용하여 프로세서의 소모 에너지를 최소로 줄이고 또한 멀티미디어 어플리케이션의 QoS를 동시에 보장하는 BE-OS를 제안한다. 주파수 조절 알고리즘은 멀티미디어 프레임을 저장하고 있는 버퍼를 관찰하여 버퍼가 찬 정도에 따라서 적절히 주파수를 조절한다. 이렇게 결정된 프로세서의 주파수는 CPU 점유율이 100%가 될 수 있게하여 기존의 알고리즘보다 에너지 수준을 크게 떨어뜨릴 수 있고, 또한 버퍼에 내용이 고갈되지 않는지도 계속 관찰하여 피드백 작용을 하므로 멀티미디어 어플리케이션의 QoS도 보장한다. 이러한 작동을 하기 위해서는 일종의 제어시스템을 적용할 필요가 있으므로 이 논문에서도 하나의 제어시스템을 제안하였다. 그리고 수학적으로 안정적인지에 대해서도 검토한다. 또한 BE-OS에는 이 주파수 조절 알고리즘 외에 멀티태스킹 환경을 지원할 수 있는 스케쥴러도 포함되어 있다. 이 스케쥴러를 사용하여 출력 버퍼링을 지원하는 멀티미디어 어플리케이션은 물론 대화형 어플리케이션까지 동시에 동작하게 할 수 있다. 대화형 어플리케이션의 경우 역시 멀티미디어 어플리케이션이 버퍼 여유가 있다는 점을 활용하여 더 빨리 스케쥴링 되는 특성을 가지므로 빠른 반응시간을 갖는 효과를 얻을 수 있다.
시뮬레이션 결과, BE-OS가 기존의 저전력 알고리즘에 비해 20-70% 이상 에너지 효율적이었으며, QoS 역시 적절한 제어 상수를 채택할 경우 거의 완벽하게 보장할 수 있었다.
