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Grüne Embedded-Systeme

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Powermanagement in der Applikation

Während das Betriebssystem Powermanagement-Entscheidungen aufgrund der aktuellen Prozessorauslastung treffen muss, kann der Programmierer auf der Anwendungsseite seine Systemkenntnis für eine effektive Steuerung nutzen. Er weiß, welche Systemressourcen zu welchem Zeitpunkt benötigt werden. Bei Nichtnutzung kann er energieintensive Schnittstellen oder andere Systemressourcen gezielt deaktivieren.

Green Embedded Systems im praktischen Einsatz

Um die verschiedenen Einsparmaßnahmen besser beurteilen zu können, ist am Fraunhofer IIS eine energieoptimierte Hard- und Softwareplattform als ‚Green Embedded System‘ entstanden. Die Hardware basiert auf einem 32-Bit-ARM9-Prozessor mit einer Taktfrequenz von 266 Megahertz. Für Daten stehen 128 Megabbyte Arbeitsspeicher und 512 Megabyte Flash-Speicher zur Verfügung. An Schnittstellen finden sich zwei Ethernet-Ports, zwei CAN-Schnittstellen sowie je ein USB- und Bluetooth-Interface. Die maximale Energieaufnahme der Hardware liegt unter einem Watt. Vergleichbare kommerziell erhältliche Systeme verbrauchen bei dieser Rechenleistung zwischen drei und fünf Watt.

Für die Hardware-Plattform stehen zwei unterschiedliche Betriebssystemvarianten zur Verfügung. Eine handelsübliche Linux-Distribution definiert das Verbrauchsverhalten aktueller Systeme. Die zweite Version basiert auf der Green-Embedded-System-Technologie des Fraunhofer IIS. Dafür wird das Echtzeitbetriebssystem Ecos eingesetzt, das um ein spezielles Powermanagement ergänzt wurde. Für den Vergleich von Leistung und Verbrauch laufen auf beiden Plattformen identische Anwendungen. Diese setzen sich zusammen aus einer Java Virtual Machine und einer Java-Applikation, die eine Animation berechnet. Die jeweils erzielte maximale Bildrate dient als Bewertungsmaßstab für die Leistungsfähigkeit.

Bereits unter Volllast des Prozessors zeigt sich, dass die auf Embedded Linux basierende Anwendung im Vergleich zum Green Embedded System um 33 Prozent langsamer läuft und 6,5 Prozent mehr Energie verbraucht. Der Mehrverbrauch lässt sich auf die intensivere Nutzung der Memory Management Unit des Prozessors durch das Linux-System zurückführen. Nach dem Angleichen der Verarbeitungsleistung des Green Embedded Systems an die Linux-Lösung durch Reduzierung des Takts um 33 Prozent ergibt sich eine abweichende Energieaufnahme von 17 Prozent. Noch signifikanter fallen die Unterschiede bei Nutzung der Powermanagementfunktionen aus.

Eine Frage der Kosten

Durch technische Maßnahmen lassen sich auch auf eingebetteten Systemen merkliche Energieeinsparungen erreichen. Doch die Reduktion fällt im Vergleich zum Verbrauch des Endgeräts meist gering aus und wird deshalb selten umgesetzt. Hinzu kommen vielfach höheren Hard- und Softwarekosten. Nur bei Geräten, bei denen ein absolut minimaler Energieverbrauch notwendig ist, etwa bei mobilen batteriebetriebenen Systemen, wird der Mehraufwand vom Hersteller akzeptiert.

Auch der Open-Source-Ansatz drückt die Lizenzkosten und damit den Gerätepreis, ein durch vorhandene Softwaremodule verkürzter Entwicklungszyklus beschleunigt zudem die Markteinführung eines Geräts. Letztendlich werden Green Embedded Systems nur dann eingeführt werden, wenn die Verwendung per Gesetz oder Norm vorgeschrieben ist, die Energieeffizienz als Kaufargument zählt oder aufgrund großer Stückzahlen eine beachtliche Energieeinsparung entsteht.


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