Nghiên cứu phương pháp tiết kiệm năng lượng trên thiết bị di động

- BÙI VĂN ĐIỆU KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRÊN THIẾT BỊ DI ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 2014B Hà Nội – Năm 2017 2 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- BÙI VĂN ĐIỆU NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRÊN THIẾT BỊ DI ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS.
- Trong suốt quá trình làm luận văn, từ thực nghiệm đo đạc sự tiêu thụ năng lượng của thiết bị Android, lựa chọn phương pháp tối ưu và triển khai tối ưu cũng như đánh giá kết quả cho đến việc cung cấp các cơ sở vật chất đầy đủ để học viên có thể thực hiện các bước đo đạc, TS.
- Các nghiên cứu trên phần cứng.
- Các nghiên cứu liên quan đến phần mềm.
- Các mô hình phân tích năng lượng đã được sử dụng.
- Giới thiệu mô hình phân tích được sử dụng.
- Thiết bị Android được sử dụng và sơ đồ đo đạc.
- Phần mềm lấy log trên thiết bị android.
- Kết quả đo phân tích năng lượng.
- Phương thức xây dựng platform cho thiết bị Android.
- Hướng dẫn build và flash cho thiết bị.
- Lấy mẫu dữ liệu và phân tích trên thiết bị gốc.
- 74 7 Lời mở đầu Ngày nay chúng ta không còn xa lạ với các thiết bị di động như điện thoại thông minh, ti vi thông minh hay đồng hồ thông minh và rất nhiều thiết bị điện tử thông minh khác nữa.
- Linh hồn của những thiết bị ấy, đặc biệt là điện thoại thông minh chính là hệ điều hành Android.
- Kiến trúc này được thể hiện rõ trong mô hình dưới đây: Hình vẽ: Cấu trúc các tầng của hệ điều hành Android 8 Mỗi tầng của kiến trúc và các thành phần tương ứng của mỗi tầng được tích hợp, liên kết chặt chẽ với nhau nhằm tối ưu hóa cho việc phát triển ứng dụng và thực thi các ứng dụng trên môi trường thiết bị di động.
- Tuy nhiên, đã được chú ý ngay từ những ngày đầu phát triển, các thiết bị di động gặp phải một khó khăn đáng kể là việc sử dụng năng lượng của chúng.
- Các thiết bị di động phải sử dụng nguồn năng lượng hữu hạn từ pin do đó việc tối ưu hóa thời gian sử dụng pin là vấn đề then chốt, mà một trong những yếu tố quyết định chính hiệu quả của việc tối ưu là ở phần cứng và phần mềm.
- Đã có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến việc tiết kiệm năng lượng cho thiết bị Android (được trình bày cụ thể trong chương 1 – tổng quan) tuy nhiên các nghiên cứu này cũng mới đạt được một phần hiệu quả hữu hạn.
- Do đó, cần thiết có một sự phân tích mới về việc tiêu thụ năng lượng trên các thiết bị mới gần đây, đồng thời cần có các giải pháp mới cho việc tiết kiệm năng lượng.
- 9 Tóm tắt luận văn Luận văn này tập trung giải quyết vấn đề giảm thiểu tiêu tốn năng lượng do các ứng dụng phần mềm, các thành phần hệ thống của Android gây nên.
- Nghiên cứu các phương pháp tối ưu năng lượng trên thiết bị Android  Thực hiện phân tích sự tiêu thụ năng lượng trên thiết bị Android và đánh giá  Đề xuất và triển khai một phương pháp tối ưu bằng phần mềm Mục tiêu lớn nhất của luận văn này là lựa chọn và triển khai một phương pháp có thể tiết kiệm năng lượng cho thiết bị Android bằng phần mềm.
- Dựa vào đặc tính của 3G và sự chuyển trạng thái kênh từ mức sử dụng năng lượng cao sang mức trung bình và về trạng thái nghỉ, mục đích của nghiên cứu nhằm nhanh chóng kết thúc phiên truyền/nhận dữ liệu 3G để có thể đưa module này về trạng thái năng lượng trung bình (duy trì kết nối) và trạng thái nghỉ sớm nhất.
- Hoặc hạn chế việc kích hoạt 3G trong một thời gian nhất định nhằm tối ưu việc sử dụng năng lượng.
- Hiện tại, theo các nghiên cứu đã có [1], Webkit thực hiện đồng thời quá trình tải dữ liệu (bao gồm tất cả các dữ liệu của trang web như tệp html, tệp hình ảnh, css, javascript.
- Do đó, kéo dài thời gian tải dữ liệu vì theo [1] việc layout và painting chiếm phần lớn (40-70%) thời gian cũng như tài nguyên về CPU, GPU, memory… Điều này ảnh hưởng không nhỏ lên việc tăng năng lượng tiêu thụ trung bình trong cùng khoảng thời gian vì 3G không hoạt động hết công suất mà lại bị kéo dài thời gian ở trạng thái năng lượng cao.
- Phân tích, tổng hợp và đánh giá các phương pháp tối ưu năng lượng trên thiết bị Android  Phân tích sự tiêu thụ năng lượng theo thành phần (module) trên thiết bị chạy Android  Xây dựng các bước tối ưu năng lượng dựa trên phần mềm Cụ thể, bố cục của luận văn bao gồm 4 chương với nội dung chính như sau: Chương 1 giới thiệu tổng quan về lịch sử nghiên cứu việc tiết kiệm năng lượng trên thiết bị Android bao gồm cả trên phần cứng và phần mềm, các phương pháp được triển khai và hiệu quả của chúng.
- Chương 2 trình bày việc lựa chọn mô hình, cách thức và các công cụ được sử dụng trong việc đo đạc và phân tích năng lượng của thiết bị Android, cuối cùng đưa ra kết quả của việc phân tích và nhận xét.
- Chương này cũng trình bày cơ sở lý thuyết và thực tiễn về việc điều khiển kênh Radio trên thiết bị Android thông qua tầng RIL.
- Đồng thời, trình bày tổng quan về cấu trúc và luồng hoạt động cơ bản của Webkit – một engine cho trình duyệt được sử dụng rộng rãi trên các thiết bị Android, Tizen, iOS … và các bước thực hiện để đưa sự thay đổi lên thiết bị Android.
- Chương 4 mô tả việc triển khai thực hiện trên code, tiến hành đo đạc và so sánh và đánh giá các kết quả kết quả thu được trong việc sử dụng năng lượng so với trước khi tiến hành tối ưu.
- 11 Danh mục các từ viết tắt Từ viết tắt Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt RIL Radio Interface Layer Lớp giao diện cho tầng Radio FACH Forward Access Channel Kênh chuyển tiếp DCH Dedicated Channel Kênh dành riêng AP Access Point Điểm truy cập PDP Packet Data Protocol Giao thức dữ liệu gói HAL Hardware Abstraction Layer Lớp trừu tượng hóa phần cứng SDK Software Development Kit Bộ công cụ phát triển phần mềm DVFS Dynamic Voltage and Frequency Scaling Điều chỉnh điện áp và tần số động EDP Energy Delay Product Năng lượng trễ DAQ Data Acquisition Board Mạch thu thập dữ liệu ADB Android Debug Bridge Phần mềm hỗ trợ gỡ lỗi cho thiết bị Android RRC Radio Resource Control Điều khiển tài nguyên Radio DUT Device Under Test Thiết bị kiểm tra 12 Danh sách hình vẽ Hình 1.1: Mô hình được sử dụng để đo năng lượng tiêu thụ khi duyệt web.
- 19 Hình 1.2: Một mô hình phân tích khác.
- 20 Hình 1.3: Module và thành phần phần cứng.
- 22 Hình 2.1: Thiết bị đo năng lượng Power Monitor.
- 24 Hình 2.2: Giao diện sử dụng của phần mềm Power Monitor.
- 25 Hình 2.3: Thiết bị Android được sử dụng để phân tích năng lượng.
- 25 Hình 2.4: Sơ đồ lắp đặt thiết bị đo.
- 26 Hình 2.5: Mô hình mạch để theo dõi năng lượng trên thiết bị Android.
- 27 Hình 2.6: Giao diện phần mềm SystemLogger.
- 27 Hình 2.7: Biểu đồ thay đổi tần số cpu khi thiết bị ở trạng.
- 34 Hình 2.8: Biểu đồ sự thay đổi tần số cpu khi sử dụng Wifi.
- 35 Hình 2.9: Biểu đồ sự thay đổi tần số cpu khi sử dụng GPS.
- 35 Hình 2.10: Sự thay đổi tần số CPU khi duyệt web bằng 3G.
- 35 Hình 2.11: Sự thay đổi tần số CPU khi thiết bị ở chế độ 2G/3G nghỉ.
- 36 Hình 2.12: Sự thay đổi tần số CPU khi upload tệp tin lớn bằng 3G.
- 36 Hình 2.13: Sự thay đổi tần số CPU khi download tệp tin lớn bằng 3G.
- 36 Hình 2.14: Đo năng lượng khi chạy trình chơi nhạc.
- 37 Hình 2.15: Đo năng lượng khi thực hiện tính toán FFT.
- 38 Hình 2.16: Đo năng lượng tiêu thụ khi duyệt web.
- 38 Hình 2.17: Biểu đồ thay đổi năng lượng khi ở trạng thái nghỉ, LCD bật.
- 38 Hình 2.18: Biểu đồ sự thay đổi năng lượng khi sử dụng wifi.
- 39 Hình 2.19: Biểu đồ sự thay đổi năng lượng khi sử dụng GPS.
- 39 Hình 2.20: Biểu đồ sự thay đổi năng lượng khi thiết bị ở chế độ 2G/3G nghỉ.
- 39 Hình 2.21: Biểu đồ sự thay đổi năng lượng khi tải tệp lớn lên Internet 3G.
- 40 Hình 2.22: Biểu đồ sự thay đổi năng lượng khi download dùng 3G.
- 40 Hình 2.23: Biểu đồ sự thay đổi năng lượng khi duyệt web bằng 3G.
- 40 13 Hình 2.24: Biểu đồ năng lượng các thành phần.
- 41 Hình 3.1: Sơ đồ chuyển trạng thái của 3G radio.
- 44 Hình 3.2: Trường hợp truyền dữ liệu không hiệu quả.
- 44 Hình 3.3: Sơ đồ trạng thái RRC của 3G radio.
- 45 Hình 3.4: RIL trong kiến trúc Telephony của hệ thống Android.
- 46 Hình 3.5: Sơ đồ luồng của solicited command.
- 46 Hình 3.6: Sơ đồ lường mô tả unsolicited response.
- 47 Hình 3.7: Các thành phần của RIL stack.
- 47 Hình 3.8: Cấu trúc trình duyệt dựa trên Webkit.
- 48 Hình 3.9: Luồng hoạt động của Webcore.
- 49 Hình 3.10: Sơ đồ luồng cơ bản của một engine web.
- 50 Hình 3.11: Sơ đồ hoạt động của Webkit.
- 50 Hình 4.1: Tổng quan việc chỉnh sửa code của Webkit.
- 56 Hình 4.2: Xóa page cache.
- 57 Hình 4.3: Xác định điểm bắt đầu một trang web mới.
- 58 Hình 4.4: Cập nhật timestamp của lần tải cuối cùng.
- 59 Hình 4.5: Thực hiện hoãn layout một khoảng thời gian nhất định.
- 59 Hình 4.6: Kết quả thu được trên trang web ifixit.com.
- 61 Hình 4.7: Kết quả thu được trên trang web genk.vn.
- 62 Hình 4.8: Kết quả thu được trên trang web dantri.vn.
- 63 Hình 4.9: Kết quả thu được trên trang web bbc.com.
- 64 Hình 4.10: Thời gian tải dữ liệu từ 3G trên trang web ifixit.com.
- 65 Hình 4.11: Thời gian tải dữ liệu từ 3G trên trang web genk.vn.
- 65 Hình 4.12: Thời gian tải dữ liệu từ 3G trên trang web dantri.vn.
- 65 Hình 4.13: Thời gian tải dữ liệu từ 3G trên trang web bbc.com.
- 65 14 Danh sách bảng Bảng 1-1: Các module được phân tích năng lượng.
- 21 Bảng 2-1: Cấu hình của thiết bị Android.
- 29 Bảng 2-3: Năng lượng tiêu thụ của các thành phần.
- 60 15 Chƣơng 1 Tổng quan lịch sử nghiên cứu Trong chương này, tác giả sẽ trình bày khái quát về lịch sử nghiên cứu, cũng như các phương pháp tối ưu cho thiết bị di động đã được tiến hành trong quá khứ cùng với kết quả của chúng.
- Nói đến những cải tiến về tiết kiệm năng lượng ta phải nhắc đến cả phần cứng và phần mềm.
- Tuy nhiên, đầu tiên phải kể đến các phương pháp tiết kiệm năng lượng trên thiết bị di động nhờ cải tiến phần cứng đã và đang ngày càng diễn ra mạnh mẽ.
- Các nghiên cứu trên phần cứng Sự phát triển của công nghệ sản sinh ra các phần cứng tối ưu hơn rất nhiều trong vài thập niên qua.
- Tiếp đến là công nghệ chế tạo màn hình, các màn hình hiện đại ngày càng có độ phân giải cao tuy nhiên năng lượng tiêu thụ lại có phần giảm, đáp ứng được việc duy trì năng lượng cho thiết bị di động.
- là hệ thống nhiều clock cho các khối CPUs khác nhau (có thể kể đến kiến trúc big.LITTLE của ARM), bộ nhớ chính RAM [5], và các thiết bị lưu trữ ngoài kích thước nhỏ hiệu năng cao cũng góp phần đáng kể trong việc tối ưu sử dụng năng lượng của thiết bị di động.
- Các nghiên cứu liên quan đến phần mềm Bên cạnh việc tối ưu phần cứng, một hướng đi quan trọng không kém là phát triển các phương phương pháp tối ưu phần mềm hệ thống đi kèm, tương thích với Chương 1.
- Tổng quan lịch sử nghiên cứu 16 phần cứng nhằm làm cho hệ thống đạt hiệu năng cao nhất.
- Ngày này rất nhiều bộ vi xử lý đa nhân không đồng nhất, nó bao gồm một bộ vi xử lý hiệu năng cao, tiêu tốn năng lượng nhiều hơn đi kèm với một bộ vi xử lý hiệu năng thấp, tiêu tốn năng lượng ít hơn.
- Việc tiết kiệm năng lượng và cải thiện hiệu năng được đề cập trong nghiên cứu này là đề xuất một thuật toán lập lịch tối ưu cho nhân Linux khi chạy trên hệ thống đa nhân không đồng nhất.
- Từ đó, theo phương pháp này chúng ta có thể tăng tốc độ xử lý và đồng thời giảm năng lượng tiêu thụ trên hệ thống đa nhân không đồng nhất với nhân lớn Intel Xeon và nhân nhỏ Intel Atom.
- Hiệu năng trung bình được ước lượng là tăng 1.47 lần về tốc độ và khoảng trên 30% năng lượng so với phương pháp truyền thống.
- Kĩ thuật này là kĩ thuật quản lý năng lượng được dùng phổ biến, nó giảm tần số của bộ vi xử lý để cho phép một sự giảm tương ứng trong điện áp cung cấp cho bộ vi xử lý đó.
- Như vậy, sẽ dẫn đến giảm đáng kể năng lượng cần thiết cho một sự tính toán, đặc biệt các công việc liên quan đến xử lý với bộ nhớ.
- Theo [6], DVFS cố gắng cân bằng giữa hiệu năng và năng lượng tiêu thụ bằng cách đưa ra quyết định hợp lý trong việc tăng hay

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt