Добавлен: 29.10.2018
Просмотров: 48174
Скачиваний: 190
466
Глава 5. Ввод и вывод информации
5.7. Тонкие клиенты
На протяжении многих лет основная компьютерная парадигма колебалась между цен-
трализованным и децентрализованным вычислением. Первые компьютеры, к примеру
ENIAC, были фактически персональными компьютерами, хотя и очень большими по
размеру, поскольку в одно и то же время ими мог пользоваться только один человек.
Затем появились системы с разделением времени, позволяющие множеству удален-
ных пользователей, работающих за простыми терминалами, совместно использовать
большой центральный компьютер. Затем настала эра персональных компьютеров,
и у каждого пользователя опять появился собственный персональный компьютер.
При всех преимуществах децентрализованной модели использования персональных
компьютеров у нее имеется также ряд недостатков, к которым начинают относиться
всерьез только сейчас. Возможно, самая большая проблема состоит в том, что у каж-
дого персонального компьютера имеется жесткий диск большой емкости и сложное
программное обеспечение, которое должно быть установлено. К примеру, когда вы-
ходит новый выпуск операционной системы, нужно проделать серьезную работу по
ее обновлению отдельно на каждой машине. В большинстве корпораций стоимость
работ по такой установке программного обеспечения превосходит фактическую сто-
имость аппаратного и программного обеспечения. Для домашних пользователей эта
работа технически бесплатна, но лишь немногие способны все сделать правильно и с
удовольствием. При использовании централизованной системы обновление нужно
производить только на одной или на нескольких машинах, для чего за ними закреплен
штат специалистов.
К этой же проблеме относится и требование к пользователям периодически создавать
резервные копии их многогигабайтных файловых систем, чем на самом деле занима-
ются лишь немногие из них. А когда их постигнет несчастье, останется только стенать
и заламывать руки. При использовании централизованной системы резервное копи-
рование может производиться каждую ночь в автоматическом режиме роботизирован-
ными накопителями на магнитной ленте.
Другим преимуществом централизованной системы является упрощение использо-
вания общих ресурсов. Система, имеющая 256 удаленных пользователей, у каждого
из которых по 256 Мбайт оперативной памяти, столкнется с тем, что большую часть
времени большая часть оперативной памяти будет незадействована. При использова-
нии централизованной системы, имеющей 64 Гбайт оперативной памяти, никогда не
случится такого, что кому-то из пользователей временно понадобится большой объем
оперативной памяти, но он не сможет ее получить, поскольку этот объем находится на
чьем-то другом персональном компьютере. Тот же аргумент остается в силе для дис-
кового пространства и других ресурсов.
И наконец, уже стало прослеживаться смещение от вычислений, основанных на исполь-
зовании персональных компьютеров, к вычислениям, основанным на использовании
Интернета. Одной из областей, где это смещение состоялось уже очень давно, является
электронная почта. Люди привыкли получать электронную почту, доставляемую на
их домашние машины, где они ее и читают. Сегодня у многих людей есть почтовые
ящики, зарегистрированные на Gmail, Hotmail или Yahoo, и они читают свою почту
на этих почтовых серверах. Следующим шагом для людей будет регистрация на веб-
сайтах для обработки текстов, создания электронных таблиц и других действий, для
которых обычно требуется программное обеспечение, установленное на персональном
5.8. Управление энергопотреблением
467
компьютере. Возможно даже, что со временем единственной программой, запускаемой
людьми на их персональных компьютерах, останется веб-браузер, а может быть, даже
и его не останется.
Было бы, наверное, справедливо сказать, что большинству пользователей хочется
иметь высокопроизводительную интерактивную вычислительную систему, но совсем
не хочется администрировать компьютер. Это заставило исследователей еще раз из-
учить работу в режиме разделения времени с использованием неинтеллектуальных
терминалов (dumb terminals), в наше время вежливо названных тонкими клиентами
(thin clients), которые соответствуют современным представлениям о терминалах.
X-система была шагом в этом направлении, и специализированные X-терминалы не-
которое время были популярны, но вышли из употребления, поскольку их стоимость,
сопоставимую со стоимостью персональных компьютеров, можно было бы и снизить
и они по-прежнему нуждались в установке программного обеспечения. Идеально
было бы заполучить высокопроизводительную интерактивную вычислительную
систему, в которой пользовательские машины вообще не имели бы программного
обеспечения. Самое интересно, что эта цель вполне достижима. Одним из хорошо из-
вестных тонких клиентов является Chromebook. Он продвигался компанией Google,
но с широким кругом производителей, предлагающих большое разнообразие моделей.
На ноутбуке запускаются ChromeOS, основанная на Linux, и веб-браузер Chrome,
который, как предполагается, должен постоянно находиться в сети. Основной объем
остального программного обеспечения находится в Интернете в виде веб-приложений
(Web Apps), делая пакет программного обеспечения на самом Chromebook существен-
но тоньше по сравнению с обычными ноутбуками. В то же время система, запускающая
полный пакет Linux и браузер Chrome, не такая уж и тощая.
5.8. Управление энергопотреблением
У первого универсального электронного компьютера ENIAC было 18 000 электрон-
ных ламп и энергопотребление на уровне 140 кВт. В результате счета за электроэнер-
гию поднялись до непривычных сумм. После изобретения транзистора потребление
электроэнергии существенно снизилось, и компьютерная промышленность потеряла
интерес к требованиям энергопотребления. Но в наши дни управление электропитани-
ем по ряду причин опять оказалось в центре внимания, и операционная система играет
в этом вопросе не последнюю роль.
Начнем с настольных персональных компьютеров. У них довольно часто встречается
блок питания мощностью 200 Вт (который обычно имеет КПД 85 %, теряя 15 % по-
ступающей электроэнергии на нагрев). Если 100 млн таких машин будут включены
по всему миру в одно и то же время, то все вместе они будут потреблять 20 000 МВт
электроэнергии. Такое количество вырабатывают 20 среднестатистических атомных
электростанций. Если бы запросы энергопотребления могли быть снижены наполовину,
то можно было бы избавиться от 10 атомных электростанций. С точки зрения охраны
окружающей среды избавление от 10 атомных электростанций (или эквивалентного
количества электростанций, работающих на обычном топливе) является большой по-
бедой, за которую стоит побороться.
Другой областью, где энергопотребление играет немалую роль, являются компьютеры
с автономным электропитанием, в числе которых можно назвать ноутбуки, карманные
468
Глава 5. Ввод и вывод информации
и планшетные компьютеры с выходом в Интернет. Суть проблемы в том, что батареи
не могут долго хранить нужный заряд, в лучшем случае это время не превышает не-
скольких часов. Более того, несмотря на большой объем исследований, проведенных
компаниями, выпускающими аккумуляторы, компьютерными компаниями и компа-
ниями по выпуску бытовой электроники, существенного прогресса в этой сфере не
произошло. В отрасли, привыкшей удваивать производительность каждые 18 месяцев
(согласно закону Мура), отсутствие какого-либо прогресса похоже на нарушение за-
конов физики, но пока ничего не удается сделать. Поэтому приоритетом повестки дня
является снижение энергопотребления компьютеров, чтобы продлить время их работы
от аккумуляторной батареи. Операционная система, в чем мы убедимся далее, играет
в этом деле далеко не последнюю роль.
Производители оборудования стараются поднять энергоэффективность своих элек-
тронных приборов. Используемые при этом технологии включают уменьшение раз-
меров транзисторов, применение динамического изменения напряжения питания,
использование шин с небольшим перепадом напряжения (low-swing) и адиабатных
шин и другие подобные. Эти вопросы выходят за рамки тематики книги, но заинтересо-
вавшиеся читатели могут найти неплохой обзор в статье Venkatachalam and Franz, 2005.
Есть два основных подхода к снижению энергопотребления. Первый из них предусматри-
вает, что операционная система выключит незадействованные компоненты компьютера
(в основном это устройства ввода-вывода), поскольку в выключенном состоянии устрой-
ства переводятся в режим пониженного энергопотребления или вовсе не потребляют
энергию. При втором подходе прикладная программа для снижения энергопотребления
может ухудшить качество пользовательского восприятия программы, чтобы растянуть
время работы батареи. Эти подходы будут рассмотрены по очереди, но сначала внимание
будет уделено конструкции оборудования с уклоном на его энергопотребление.
5.8.1. Роль оборудования
Элементы питания относятся к двум основным типам: одноразовым и перезаряжаемым.
Одноразовые элементы питания (чаще всего формата AAA, AA и D) могут использо-
ваться для работы портативных устройств, но не обладают достаточной емкостью для
питания ноутбуков с большими яркими экранами. В отличие от них перезаряжаемые
элементы (аккумуляторные батареи) могут запасти достаточно энергии для питания
ноутбука в течение нескольких часов. Преимущественно для этого используются ни-
кель-кадмиевые батареи, но они уступают дорогу никель-металлогидридным батареям,
которые дольше работают и не слишком сильно загрязняют окружающую среду, после
того как со временем выйдут из строя. Еще лучше литий-ионные батареи, которые
к тому же могут ставиться на первую зарядку без предварительной полной разрядки,
но они имеют весьма ограниченную емкость
1
.
1
Следует заметить, что выбор того или иного источника автономного питания (поскольку
одноразовые и перезаряжаемые элементы бывают самых разных типов) зависит не только
от его емкости, а является компромиссом по множеству параметров. Необходимо учитывать
стоимость (как разовую, так и совокупную стоимость владения — например, стоимость
аппаратуры для зарядки аккумуляторов и ее энергопотребление), массогабаритные характе-
ристики, допустимые режимы разряда и заряда (второе — для перезаряжаемых источников)
и иные параметры, определяемые назначением конкретного устройства. — Примеч. ред.
5.8. Управление энергопотреблением
469
Общий подход, предпринимаемый производителями компьютеров для экономии заряда
батарей, состоит в конструировании центрального процессора, памяти и устройств ввода-
вывода для работы в нескольких режимах: включенном, спящем, ждущем и отключенном.
Чтобы устройство можно было использовать, его следует включить. Если устройство не
понадобится в течение короткого отрезка времени, оно может быть переведено в спящий
режим, сокращающий потребление энергии. Когда его использование не ожидается
в течение продолжительного периода времени, оно может быть переведено в ждущий
режим, в котором еще больше снижается потребление энергии. Издержки этого режима
заключаются в том, что на вывод устройства из него уходит больше времени и энергии,
чем на вывод из спящего режима. И наконец, если в устройстве нет надобности, оно
может быть выключено и вообще не потреблять никакой энергии. Эти режимы имеются
не у всех устройств, но когда они присутствуют, то управление переходами между ними
в нужные моменты времени возлагается на операционную систему.
У некоторых компьютеров есть две или даже три кнопки питания. Одна из них может
перевести весь компьютер в спящее состояние, из которого он может быть быстро
выведен нажатием клавиши или движением мыши. Другая кнопка может перевести
компьютер в ждущий режим, выход из которого занимает намного больше времени.
В обоих случаях эти кнопки, как правило, не делают ничего другого, кроме отправки
сигнала операционной системе, а все остальное выполняется программным путем.
В некоторых странах существует закон, по которому электрические устройства долж-
ны иметь механический выключатель питания, разрывающий цепь и отключающий
электропитание от устройства по соображениям безопасности. Для соблюдения этого
закона могут понадобиться и другие выключатели.
Управление электропитанием создает ряд проблем, с которыми должна справляться
операционная система. Многие из них относятся к переводу ресурсов в ждущее со-
стояние — выборочное и временное отключение устройств или по крайней мере со-
кращение их энергопотребления при простое. Возникает ряд вопросов, на которые
следует ответить, и среди них следующие: какими устройствами нужно управлять?
Они могут лишь включаться и выключаться или у них есть и промежуточные режимы
работы? Сколько энергии экономится в состоянии пониженного энергопотребления?
Тратится ли энергия на перезапуск устройства? Должен ли при переходе в режим по-
ниженного энергопотребления сохраняться какой-нибудь контекст? Сколько времени
тратится на возвращение в режим полного энергопотребления? Разумеется, ответы на
эти вопросы варьируются от устройства к устройству, поэтому операционная система
должна справляться с широким диапазоном возможных вариантов.
Различные исследователи подвергали испытаниям ноутбуки, чтобы определить, на
что затрачивается энергия. Ли с савторами (Li et al., 1994) проводили измерения с раз-
личными степенями загруженности компьютера и пришли к выводам, показанным
в табл. 5.7. Лоч и Смит (Lorch and Smith, 1998) провели измерения на других машинах
и пришли к выводам, также показанным в табл. 5.7. Вейзер с соавторами (Weiser et al.,
1994) также провели измерения, но не опубликовали никаких цифровых значений. Они
просто установили, что наиболее энергоемкими оказались три компонента: дисплей,
жесткий диск и центральный процессор, причем именно в такой последовательности.
Хотя приведенные в таблице числовые показатели далеки от абсолютного совпадения,
возможно, из-за того что измерениям подвергались различные типы компьютеров, ко-
торые, конечно же, имеют разное энергопотребление, становится понятно, что дисплей,
жесткий диск и центральный процессор являются очевидными целевыми объектами
470
Глава 5. Ввод и вывод информации
для экономии энергии. На таких устройствах, как смартфоны, могут быть другие по-
требители энергии вроде радио и GPS. Хотя в данном разделе мы сконцентрированы
на дисплеях, дисках, центральных процессорах и памяти, принципы энергосбережения
верны и для других периферийных устройств.
Таблица 5.6. Энергопотребление различных компонентов ноутбука
Устройство
Ли с соавторами (1994), %
Лоч и Смит (1998), %
Дисплей
68
39
Центральный процессор
12
18
Жесткий диск
20
12
Модем
—
6
Звуковая плата
0,5
2
Память
—
1
Другое
—
22
5.8.2. Роль операционной системы
Операционная система играет в управлении энергопотреблением ключевую роль. Она
управляет всеми устройствами и должна решать, что и когда следует отключать. Если
надобность в отключаемом устройстве возникнет опять через короткий промежуток
времени, то при его повторном запуске могут возникать раздражающие пользователя
задержки. В то же время, если сильно затянуть с выключением устройства, то энергия
будет тратиться впустую.
Весь фокус состоит в том, чтобы найти алгоритмы и эвристические правила, позволяю-
щие операционной системе принимать правильные решения о том, что и когда следует
отключать. Проблема в том, что понятие «правильные» носит сугубо субъективный
характер. Один пользователь может считать вполне приемлемым после тридцатисе-
кундного простоя двухсекундное ожидание реакции на нажатие клавиши, а другой
начнет при этом ругать компьютер на чем свет стоит.
Дисплей
Давайте посмотрим на самых больших потребителей электроэнергии, чтобы понять,
что можно сделать с каждым из них. Одним из самых больших потребителей энергии
на любом компьютере является дисплей. Для получения яркой и сочной картинки
экран должен иметь заднюю подсветку, потребляющую немало энергии. Многие опе-
рационные системы пытаются экономить энергию, выключая дисплей при отсутствии
активной работы пользователя в течение некоторого времени. Часто интервал бездей-
ствия, необходимый для этого отключения, устанавливает сам пользователь, выбирая
между часто гаснущим экраном и быстро садящимися батареями (чего как раз ему,
может быть, и не хочется). Выключение дисплея вводит его в состояние бездействия,
требующего практически мгновенного восстановления (из видеопамяти) при нажатии
клавиши или перемещении координатно-указательного устройства.
Одно из возможных усовершенствований было предложено Флинном и Сатьянарай-
ананом (Flinn and Satyanarayanan, 2004). Они предложили дисплей, состоящий из не-