Operating system dedicated to NVRAM-based low power embedded systems - Inria - Institut national de recherche en sciences et technologies du numérique Access content directly
Theses Year : 2021

Operating system dedicated to NVRAM-based low power embedded systems

Système d'exploitation dédié aux systèmes embarqués basse consommation basés sur NVRAM

Abstract

Some electronic devices cannot embed any battery because of space- or cost-related concerns. Notably, small devices harvest energy from their environment to gap the absence of battery. Medical sensors and crop probes are examples of such devices. These devices are likely to consume energy faster than they can harvest, when considering non-solar energy or small harvesters for instance. They are thus exposed to frequent power outages and must cope with an intermittent supply and are referred to as transiently-powered systems. Instead of restarting the application from the very beginning on every boot, it is possible to resume the application where it stopped. Non-volatile memories keep their data across power outages and their usage enable persistent data storage. Non-volatile RAM (NVRAM) and traditional volatile RAM have similar access latencies, which makes NVRAM technologies good candidates for persistent storage of energy-constrained devices. This work highlights the benefits of using NVRAM for the purpose of enabling the execution of long-running application despite power outages. This study proposes to solve issues related to intermittent supply at operating system level, which role is to manage application progress persistence and maintain consistency between memories and peripherals. This work also proposes a model for transiently-powered systems to lay the ground for energy consumption estimation of code involving peripherals. A new checkpointing mechanism, based on a hardware MPU, is proposed as a checkpointing optimization. Finally, this work proposes an introduction to proof of correctness at operating system level for transiently-powered systems.
Certains objets électroniques ne peuvent embarquer de pile ou de batterie, pour des raisons de place ou de coût. C'est le cas de petits objets, récoltant de l'énergie depuis leur environnement, afin de pallier l'absence de batterie. Capteurs médicaux et sondes agronomiques en sont des exemples. En général, ces objets consomment de l'énergie plus rapidement qu'ils n'en récoltent, notamment pour les appareils non équipés de cellules photovoltaïques. En résultent de fréquentes coupures de courant lors de l'exécution de l'application, on parle alors d'alimentation intermittente. Plutôt que de recommencer l'application du début à chaque redémarrage, il est possible de développer des mécanismes afin de reprendre l'exécution à l'endroit où elle s'était arrêtée. L'utilisation de mémoires non-volatiles, qui ne perdent pas leurs données lorsque la plate-forme est éteinte, permet le stockage de données en dépit des coupures de courant. En particulier, les RAM non-volatiles (NVRAM) ont des temps d'accès voisins des RAM volatiles, ce qui permet de les utiliser comme des mémoires courantes, à l'opposé des mémoires type Flash dont le temps et l'énergie d'écriture sont trop élevés. Ce travail met en exergue l'utilisation de NVRAM afin d'exécuter une application longue en dépit des coupures de courant. Il s'articule autour du développement d'un système d'exploitation visant ce type d'objet, assurant une cohérence entre les mémoires et l'état des périphériques à chaque instant. En outre, il propose un modèle de systèmes à alimentation intermittente, servant de base pour l'évaluation des coûts énergétiques de portions de code impliquant des opérations sur les péripheriques. Un nouveau mécanisme de sauvegarde basé sur une MPU matérielle est proposé pour optimiser la sauvegarde de données. Enfin, ce travail propose une introduction à la preuve formelle d’exécution correcte pour systèmes à alimentation intermittente.
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Dates and versions

tel-03192646 , version 1 (08-04-2021)
tel-03192646 , version 2 (17-11-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03192646 , version 2

Cite

Gautier Berthou. Operating system dedicated to NVRAM-based low power embedded systems. Embedded Systems. Université de Lyon, 2021. English. ⟨NNT : 2021LYSEI021⟩. ⟨tel-03192646v2⟩
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