DE602004006602T2 - Energieeffiziente platteneinteilung für mobile anwendungen, adaptives erweitern der platten-standby-zeit - Google Patents

Energieeffiziente platteneinteilung für mobile anwendungen, adaptives erweitern der platten-standby-zeit Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft mobile Speicher, die plattenbasierte Speicherung zum Speichern und Lesen von persönlichem Multimediainhalt verwenden, wenn ein Benutzer unterwegs ist, und insbesondere Verfahren zur energieeffizienten Platteneinteilung.
  • Mobile Speicher sind gegenwärtig die bevorzugte Lösung zum Ausführen von einfachem Zugriff auf persönlichen Multimediainhalt, wenn man unterwegs ist, und es ist wahrscheinlich, dass sie aus Kosten- und Zuverlässigkeitsgründen in naher und mittlerer Zukunft von Bedeutung bleiben werden.
  • Tragbare Speicher, die nur Festspeicher umfassen, sind stark in ihrer Speicherkapazität beschränkt und hinsichtlich Kosten pro Megabyte (MByte) relativ teuer. Plattenbasierte Speicherung bleibt eine wichtige Alternative, insbesondere für die Speicherung von Videodaten. Sogar 1 Gigabyte (GByte) Speicher reicht nicht aus, um eine halbe Stunde von 6 Megabit/s (Mbit/s) Video zu speichern. Magnetplatten und optische Platten bieten eine große Speicherkapazität bei geringen Kosten pro MByte.
  • Für mobile Speicher ist ein geringer Stromverbrauch von äußerster Wichtigkeit, da die Batterielebensdauer eines der wichtigsten unterscheidenden Schlüsselmerkmale von solchen Produkten ist. Die Rotation der Magnetplatten und optischen Platten macht einen wesentlichen Teil des Gesamtenergieverbrauchs aus. Folglich ist es wichtig, eine Platte in intelligenter Art und Weise zu nutzen, indem Energie gespart wird, wo immer dies möglich ist. Eine gut bekannte Strategie, die in gegenwärtigen MP3-Spielern oft verwendet wird, ist das wiederholte Puffern von ausreichenden Daten im Festspeicher, um in der Lage zu sein, die Platte in den Standby-Betriebsmodus zu versetzen, d.h. in den Betriebsmodus, in dem sie aufhört sich zu drehen, wenn möglich, während mehreren Minuten
  • Für mobile Anwendungen wird nicht erwartet, dass viele Ströme parallel gehandhabt werden müssen. Wenn indes mehrschichtige Codierung von Audio oder Video verwendet wird, wird ein einzelner Videostrom typischerweise in mehrere Teilströme aufgeteilt, eine Grundschicht und möglicherweise mehrere Anreicherungsschichten. Diese Teilströme werden durch die Platte typischerweise als separate Ströme gehandhabt, d.h. an unterschiedlichen Orten gespeichert, um ein effizientes Abspielen bei einer Qualität zu ermöglichen, die niedriger als die maximale Qualität ist, und um eine effiziente Löschung der höchsten Anreicherungsschichten zu ermöglichen.
  • Wenn die Platte sich im Standby-Betriebsmodus befindet, beendet die Platte die Rotation und einige Teile der Elektronik werden nicht mit Energie versorgt, wodurch Energie gespart wird. Ein anderes Verfahren zum Energiesparen ist das Neuordnen von Plattenzugriffen und das Vergrößern von Anforderungsgrößen, derart, dass weniger Energie für das Durchführen von Suchoperationen verbraucht wird. Von diesen beiden bietet die effiziente Verwendung des Standby-Betriebsmodus die größeren Möglichkeiten zum Sparen von Energie. Zusätzlich kann eine Standbystrategie an Fälle angepasst werden, wo die Platte für die Handhabung von mehreren Strömen mit variablen Bitraten verwendet wird.
  • Für Anwendungen und Trends in tragbarem Multimediaspeicher wird auf Bodlaender et al. [2002], Jonker et al. [2002] und Van Routen [2000] verwiesen. Für eine Analyse des Stromverbrauchs von tragbaren Festplatten wird auf Cumpson [2001] verwiesen. Das Energiesparen in tragbarem Multimediaspeicher scheint ein Bereich der Forschung zu sein, dem in der Literatur bisher geringe Aufmerksamkeit gewidmet wurde. Adaptive Stromverwaltung für magnetische Platten in Notebook-Computern wurde eingehend betrachtet, siehe z.B. Douglish und Marsh [1993], Douglish et al. [1994, 1995] und Li et al. [1994]. Aber die vorgeschlagenen Lösungen scheinen für Echtzeit-Multimedia-Anwendungen weniger geeignet zu sein.
  • US 5,799,197 , die für die Abgrenzung der zweiteiligen Fassung verwendet wird, offenbart ein Mini-Disc-System, das Mittel zum Lesen gespeicherter Informationen bildet, um das Lesen von Audioklangdaten durch Abtasten von einer Platte zu verursachen, auf der zeitbasiskomprimierte Audioklangdaten digital gespeichert sind. Zum Zeitpunkt der Wiedergabe wird die Platte durch einen Spindelmotor rotiert. Die Audioklangdaten, die auf der Platte gespeichert sind, werden durch das Abtasten ausgelesen, verstärkt und an einen/eine Decoder/Signalverarbeitungsschaltung gesendet. Ein Speichercontroller, wie die Schreibmittel, schreibt das Signal, das vom Decoder oder von der Signalverarbeitungs schaltung gesendet wird, zur Speicherung sequentiell in einen stoßsicheren Speicher 6. Im Energiespar-Betriebsmodus, wiederholt das MD-Gerät den Betriebsvorgang des Ausschaltens der Stromversorgungen der Bestandteile der Mittel zum Lesen der gespeicherten Informationen, wenn Audiodaten bis zu seiner vollen Kapazität im stoßsicheren Speicher gespeichert sind, und schaltet die Stromversorgungen der Bestandteile der Mittel zum Lesen der gespeicherten Informationen ein, bevor der Speicher leer wird, wodurch der Stromverbrauch durch das Gerät verringert wird.
  • WO 01/82301 A2 offenbart einen „Burst-Lesemodus", ein optischer Speicher liest schneller Daten von einem Medium in einen Puffer als eine Hostvorrichtung Daten vom Puffer herausliest. Zum Verbessern der Stromeffizienz schaltet der optische Speicher die Lese-/Schreibbauteile ab, wenn der Puffer sich bis zu einem ersten Pegel füllt. Wenn die Lese-/Schreibbauteile abgeschaltet sind, führt die Hostvorrichtung das Auslesen von Daten aus dem Puffer fort. Wenn der Ausgangspuffer sich bis zu einem zweiten Pegel leert, weckt eine Pufferlogik den Systemmikroprozessor auf, der die Lesebauteile anschaltet. Es wird auch ein unterschiedlicher „Burst-Schreibmodus" erläutert.
  • US 2002/0018410 A1 offenbart ein Stromsparsystem eines optischen Aufzeichnungs-/Wiedergabegeräts. Das optische Aufzeichnungs-/Wiedergabegerät umfasst einen Zwischenspeicher, der Daten in einer zyklischen Speicherstufe speichert und von dem die gespeicherten Daten zur Wiedergabe oder Aufzeichnung in einer zyklischen Datenstufe, die der Datenspeicherstufe folgt, ausgelesen wird.
  • EP 0 649 131 A2 offenbart ein Servosteuerungssystem für einen stoßsicheren Disk-Player. Die Taktsignalfrequenz wird derart selektiv geändert, dass die PLL gemäß der Rotationsrate gesperrt wird, wodurch der Stromverbrauch gesenkt werden kann. Der Massenspeicher wird als ein Datenpuffer verwendet und das Servosystem wird gesteuert, wenn die Daten vom Speicher ausgelesen werden, während die darin gespeicherte und gelassene Datenmenge ermittelt wird, derart, dass eine Verringerung des Stromverbrauchs mit dem anderen Vorteil der Verbesserung des Widerstands gegen Stöße erreicht werden kann.
  • US 5,822,288 offenbart ein Wiedergabe- oder Aufzeichnungs-/Widergabegerät, das einen Aufbau aufweist, in dem wiedergegebene Daten, die von einem Aufzeichnungsmedium gelesen werden, bei einer ersten Transferrate in einer Zeit je Einheit im Speicher gespeichert werden, und die gespeicherten Daten bei einer zweiten Trans ferrate gelesen werden, die niedriger ist als die erste Transferrate in der Zeit je Einheit. Ein Betrieb von Mitteln zum Lesen der wiedergegebenen Daten vom Aufzeichnungsmedium wird angehalten, wenn ein Betrag von den Daten, die in den Speichermitteln aufgelaufen sind, größer als ein vorbestimmter Betrag wird, wodurch das Sparen von Energie zum Antreiben des Geräts ermöglicht wird.
  • EP A-1,120,978 beschreibt das Plattenaufzeichnen unter Verwendung von zwei Datenströmen (Audio- und Videodaten). Die Ströme werden in unterschiedlichen Pufferspeichern gespeichert, um eine Aufzeichnungs-Pretriggerfunktion vor dem Aufzeichnen der Audio-/Videodaten auf der Platte auszuführen. Es wird kein Stromspar-Betriebsmodus verwendet.
  • Es besteht daher ein Bedarf an verbesserten Strategien zur Verwendung von Platten auf eine energieeffiziente Art und Weise, insbesondere in mobilen Speichern.
  • Es besteht ein besonderer Bedarf an verbesserten Energiesparstrategien, die mit Anwendungen, wo mehrere Ströme parallel gehandhabt werden, kompatibel und darin wirksam sind.
  • Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird eine batteriebetriebene Vorrichtung zum Lesen und Speichern von Streamingdaten bereitgestellt, die Folgendes umfasst: einen Plattenspeicher (80), ein Mittel (82) zum Rotieren des Plattenspeichers, ein Lese-/Schreibmittel (84) zum Lesen oder Schreiben der Streamingdaten von oder auf den Plattenspeicher, einen Pufferspeicher (86) zum Speichern der Daten, die vom Plattenspeicher gelesen oder darauf geschrieben werden, und ein energieeffizientes Einteilungsmittel (96) zum Überwachen des Pufferspeichers und Steuern der den Plattenspeicher rotierenden Mittel gemäß dem überwachten Pufferspeicher.
  • Es wird ein energieeffizientes Platteneinteilungsverfahren bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Lesen und/oder Schreiben von Streamingdaten von einem/auf einen Plattenspeicher und das Puffer der Daten, die vom Plattenspeicher gelesen oder darauf geschrieben werden. Das Verfahren umfasst auch das Überwachen der gepufferten Daten und das Einteilen der Rotation des Plattenspeichers gemäß den überwachten gepufferten Daten.
  • Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist der reduzierte Energieverbrauch in mobilen Vorrichtungen und eine längere Batterielebensdauer.
  • Bin weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie einfach und kostengünstig in tragbare Multimediaspeicher aufgenommen werden kann.
  • Weitere Vorteile werden für Durchschnittsfachleute beim Lesen und Verstehen der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich werden.
  • Die Erfindung kann die Form verschiedener Teile und Anordnungen von Teilen annehmen. Die Zeichnungen dienen nur dem Zweck des Veranschaulichens einer bevorzugten Ausführungsform und sollten nicht als die Erfindung einschränkend aufgefasst werden.
  • 1 ist ein Diagramm von Puffer-Wiederauffüll-/Standby-Intervallen gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Graph der Puffergröße als eine Funktion der Plattenrate gemäß der vorliegenden Erfindung;
  • 3 ist ein Diagramm, das das Vorziehen des Wiederauffüllintervalls gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
  • 4 ist ein Diagramm, das das Back-Front-Back-Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
  • 5 ist ein Diagramm, dass die Round-Robin-Einteilung gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
  • 6 ist ein Blockdiagramm einer mobilen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • Zum Entwickeln effektiver Energiesparstrategien in Bezug auf die effiziente Verwendung des Standby-Betriebsmodus, wird ein Verfahren zum Modellieren von Strömen und Platten betrachtet. Insbesondere werden Ströme mit konstanter Bitrate und mit variabler Bitrate betrachtet.
  • Ein Audio-/Videostrom ist in einer digital komprimierten Form auf einer Platte gespeichert und weist oft eine variable Bitrate auf. Ein Strom i ist durch eine Ausspielrate rt(t) für t ∈ [0, li] gekennzeichnet, wo t die Zeit darstellt und li die Dauer des entsprechenden Audio-/Videoinhalts angibt. In der nachfolgenden Beschreibung, werden zwei Typen von Strömen betrachtet, Ströme mit konstanter Bitrate (CBR) und variabler Bitrate (VBR). Für CBR-Ströme ist ri(t) = ri für alle t ∈ [0,li]. Für VBR-Ströme wird die vollständige Kenntnis von rt(t) nicht angenommen. Stattdessen wird nur angenommen, dass eine obere Schranke r max / i mit r max / i ≥ ri(t) für alle t ∈ [0,li] bekannt ist.
  • Obgleich die bevorzugte Ausführungsform mit Bezug auf Magnetplatten beschrieben wird, wird man verstehen, dass die Erfindung auch auf optische und andere Platten angewandt werden kann. Für eine allgemeine Einleitung in die Arbeit mit Magnetplatten wird auf Ruemmler & Wilkes [1994] verwiesen. Die Rate, bei der Daten von der Platte gelesen oder darauf geschrieben werden, ist durch rdisk gegeben. Es wird angenommen, dass diese Rate konstant ist, unabhängig vom Ort, von dem die Daten gelesen oder an dem sie geschrieben werden. Mit Bezug auf ihre Stromverwendung kann eine Magnetplatte in unterschiedlichen Modi sein, die in zwei allgemeine Zustände unterteilt werden können: aktiv oder inaktiv. Wenn sie aktiv ist, liest die Platte oder sie schreibt, führt Suchen durch oder begegnet Rotationsverzögerungen. Wenn sie inaktiv ist, kann die Platte entweder im Leerlauf oder im Standby-Betriebsmodus sein. Wenn sie im Leerlauf ist, dreht die Platte sich und wartet auf das Eintreffen von Zugriffsanforderungen. Mit Bezug auf die Energieverwendung werden manchmal mehrere Leerlauf-Betriebsmodi definiert. Diese Modi unterscheiden sich darin, ob die Plattenköpfe geladen oder nicht geladen sind und ob einige Teile der Elektronik ein- oder ausgeschaltet sind. Um die Analyse hierin nicht kompliziert zu machen, wird angenommen, dass nur ein Leerlauf-Betriebsmodus vorhanden ist. Wenn sich die Platte im Standby-Betriebsmodus befindet, dreht sich die Platte nicht. In dieser Analyse wird die Zeit zum Abbremsen und Beschleunigen der Drehung der Platte als Teil der Zeit betrachtet, in der die Platte sich im Standby-Betriebsmodus befindet.
  • Zusätzlich werden die folgenden Vereinfachungen vorgenommen. Es wird angenommen, dass alle Ströme Wiedergabeströme sind und dass die Suchzeiten und Rotationsverzögerungen null betragen, außer wenn Round-Robin-Platteneinteilung erörtert wird. In der Praxis erfordern diese Zeit, aber im Vergleich zu den Standbyzeiten, die typischerweise mindestens eine Minute betragen, sind sie zu vernachlässigen klein.
  • Die nachfolgende Erörterung beschreibt eine grundlegende Standbystrategie, die an den Fall angepasst werden kann, in dem eine Platte mehrere Datenströme handhaben muss, wobei angenommen wird, dass das Wiederauffüllen von einzelnen Puffern nicht vorher belegt ist. Das Gesamtziel des Anwendens von Standbystrategien ist das Maximieren der durchschnittlichen pro Zeiteinheit gesparten Energie.
  • Es wird angenommen, dass n Ströme mit konstanter Bitrate vorhanden sind, die mit 1, 2, ..., n nummeriert sind. Die Puffer der Ströme werden wiederholt auf Round-Robin-Weise, d.h. in einer festen Reihenfolge, wiederaufgefüllt, angenommen, zuerst Strom 1, dann Strom 2, usw. Nach dem Wiederauffüllen der Puffer wird die Platte in den Standby-Betriebsmodus versetzt. 1 gibt die Pufferauffüllung als eine Funktion von Zeit für zwei Ströme 1 (10) und 2 (12) mit r2 = 2 r1 an. Die Größe der Neigungen der abwärts geneigten Standbyteile (14, 16) der Ströme 1 und 2 entspricht r1 beziehungsweise r2. Die Pufferwiederauffüllraten entsprechen der Aufwärtsneigung der Wiederauffüllabschnitte (18, 20).
  • Für einen Strom i, steigt die Pufferwiederauffüllung während des Wiederauffüllens bei einer Rate rdisk – ri und sie nimmt andernfalls bei einer Rate ri ab.
  • Wenn die Größe des Puffers für den Strom i durch bi gegeben ist, dann ist die Zeit, die erforderlich ist, um den Puffer des Stroms i wiederaufzufüllen, gegeben durch bi/(rdisk – ri), und die Zeit, die erforderlich ist, um den Puffer zu leeren, ist gegeben durch bi/ri. Zur optimalen Verwendung des Speichers, der zum Puffern verfügbar ist, folgt, dass für jedes Paar i,j von Strömen,
    Figure 00070001
  • Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, müssen einige Puffer wiederaufgefüllt werden, bevor sie leer sind, wenn das Unterlaufen für andere zu vermeiden ist. Es wird darauf hingewiesen, dass Gleichung 1 beinhaltet, dass die Puffergrößen nicht proportional zu den entsprechenden Bitraten sind; vgl. Korst et al. [1998]. Für einen Strom i mit der Rate > rdisk/2 nimmt die Puffergröße bi tatsächlich ab, wenn ri zunimmt. 2 veranschaulicht ein Verhältnis (22) von bi (24) als eine Funktion von ri (26), wo ein Wendepunkt (28) bei ri = rdisk/2 gezeigt wird.
  • Es wird nun betrachtet, ob durch das wiederholte Versetzen der Platte in den Standby-Betriebsmodus tatsächlich Energie gespart wird oder nicht. Wenn die Platte in den Standby-Betriebsmodus versetzt wird, ist zusätzliche Energie erforderlich, um die Drehung der Platte zu Beginn des Standbyintervalls abzubremsen, und es ist zusätzliche Energie erforderlich, um die Drehung der Platte am Ende des Standbyintervalls zu beschleunigen.
  • Energie wird nur gespart, wenn diese zusätzliche Energie durch die Energie ausgeglichen wird, die während der Zeit gespart wird, in der die Platte sich im Standby-Betriebsmodus befindet. Andernfalls sollte die Platte vorzugsweise im Leerlauf-Betriebsmodus bleiben.
  • Wenn Pidle und Ps tan dby der Stromverbrauch der Platte in den Leerlauf- beziehungsweise Standby-Betriebsmodi ist, dann ist klar, dass Ps tan dby < Pidle ist. Die Energie, die pro Zeiteinheit gespart wird, wenn die Platte sich im Standby-Betriebsmodus anstatt im Leerlauf-Betriebsmodus befindet, ist gegeben durch ΔP = Pidle – Ps tan dby. Ferner ist E die zusätzliche Energie, die erforderlich ist, um die Drehung der Platte einmal abzubremsen und zu beschleunigen, und p die Dauer eines vollständigen Wiederauffüll- Standbyzyklus. Der Betrag von Daten, der vom Strom i in jedem Zyklus gelesen wird, ist gegeben durch p·ri. Daher ist der Gesamtbetrag von Daten, der in einem Zyklus gelesen wird, gegeben durch p·Σjrj. Das Lesen dieses Betrags von Daten erfordert p·Σjrj/rdisk Zeit. So ist die Zeit, die pro Zyklus für den Standby übrig bleibt, gegeben durch p – p·Σiri/rdisk = p·(1 – Σjrj/rdisk). So ist der Gesamtbetrag an Energie, der für einen Zyklus im Standby-Betriebsmodus gespart wird, gegeben durch p·(1 – Σiri/rdisk)·ΔP und die Rentabilitätsgrenze wird erhalten, wenn dieser Betrag gleich E ist. Nun kann das folgende Lemma bewiesen werden.
  • Lemma 1. Wenn m der Betrag von Speicher ist, der zum Puffern verfügbar ist und der optimal über die Ströme geteilt ist, dann spart das Versetzen der Platte in den Standby-Betriebsmodus Energie, wenn, und nur wenn
    Figure 00080001
    Beweis. Da der Betrag m an Speicher optimal über die Ströme geteilt ist, gilt p = bi/ri + bi/(rdisk – ri) für jeden Strom i. Mit anderen Worten, p = bi·ai. für jeden Strom i, wo ai = rdisk/(ri·rdisk – ri 2). Weil m = Σjbj, folgt, dass m = p·Σja –1 / j. Daher kann die Zeit, die für die Platte im Standby-Betriebsmodus übrig bleibt, als m/Σja –1 / j·(1 – Σjrj/rdisk) umgeschrieben werden. Während dieser Zeit wird ΔP pro Zeiteinheit gespart. Daher wird Energie gespart, wenn, und nur wenn ΔP·m/Σja–1j ·(1 – Σjrj/rdisk) > E.
  • Das Umschreiben des Vorhergehenden ergibt Gleichung 2.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass keine Annahmen über die Zeit vorgenommen wurden, die erforderlich ist, um die Drehung der Platte abzubremsen und über die Zeit, die erforderlich ist, um die Drehung der Platte zu beschleunigen. Es ist klar, dass die Drehung der Platte rechtzeitig beschleunigt werden muss, um in der Lage zu sein, zum zweckmäßigen Zeitpunkt mit dem Wiederauffüllen zu beginnen. Hierin wird angenommen, dass die Rentabilitätsgrenze groß genug ist, um die Zeiten zum Abbremsen der Drehung und zum Beschleunigen der Drehung einzuschließen.
  • Nun wird der Fall von n VBR-Strömen betrachtet, wo für jeden Strom i nur eine obere Schranke r max / i bekannt ist, für die r max / i ≥ ri(t) für alle t ∈ [0,li]. Die Puffergrößen können auf eine ähnliche Art und Weise ausgewählt werden wie vorhergehend erklärt, wo in den Berechnungen anstatt der konstanten Rate ri die obere Schranke r max / i verwendet wird.
  • Im Durchschnitt ist die Bitrate eines Stroms i kleiner als r max / i. Es macht daher Sinn, nicht an einer festen Dauer der Standbyzeit festzuhalten, sondern stattdessen die Pufferauffüllungen unmittelbar vor der ursprünglich eingeteilten Drehung wieder zu prüfen. Basierend auf diesen Pufferauffüllungen werden die spätesten möglichen Wiederauffüllintervalle aktualisiert. Auf diese Weise kann die Standbyzeit gewöhnlich ausgedehnt werden. Durch das Analysieren der Pufferauffüllungen bei einer Zeit t wird ein neuer Zeitpunkt bestimmt, an dem das Wiederauffüllen wie folgt beginnen sollte. Wenn die Pufferauffüllung fi(t) des Stroms i bei einer Zeit t gegeben ist, ist das letzte mögliche Wiederauffüllintervall für den Strom i bei der Zeit t definiert als
    Figure 00090001
  • Es wird angenommen, dass die Rate des Stroms i vor und während dieses Intervalls gleich r max / i sein wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die letzten möglichen Wiederauffüllintervalle für die unterschiedlichen Ströme sich zeitlich überlappen können und dass aufgrund der Variabilität der Bitraten Lücken zwischen den Intervallen auftreten können.
  • Zur Vermeidung von Überlappungen oder zum Beseitigen von Lücken müssen einige der Wiederauffüllintervalle vorgezogen, d.h. zu einem früheren Zeitpunkt eingeteilt werden. Durch das Vorziehen eines Wiederauffüllintervalls müssen weniger Daten gelesen werden und infolgedessen nimmt die Länge des Wiederauffüllintervalls ab. Das folgende Lemma erklärt, wie die Länge eines Wiederauffüllintervalls beeinträchtigt wird.
  • Wenn ein gegebenes Wiederauffüllintervall [si, ei) durch Vermindern seiner Endzeit ei um δe vorgezogen wird, dann nimmt die Dauer des Wiederauffüllintervalls mit einem folgenden Betrag ab
    Figure 00100001
  • Alternativ nimmt die Dauer des Wiederauffüllintervalls um einen folgenden Betrag ab, wenn das Wiederauffüllintervall durch Vermindern seiner Anfangszeit si um δs vorgezogen wird
    Figure 00100002
    Beweis. Das letztere Ergebnis wird zuerst mit Bezug auf 3 bewiesen. Wenn si (30) um δs Zeiteinheiten (32) vorgezogen wird, dann ist der Betrag von δs·r max / i (34) im Puffer, wenn das Wiederauffüllen beginnt. Infolgedessen nimmt die Wiederauffüllzeit um einen Betrag δs·r max / i/(rdisk – r max / i) ab. Alternativ wird die Verkürzung des Wiederauffüllintervalls, wenn ei um δe Zeiteinheiten (36) vorgezogen wird, durch ein einfaches geometrisches Argument bewiesen. Die Zeit t (38) zu der das Wiederauffüllen beginnt, wird zwischen si – δe und si liegen, genauer gesagt, ist t der Punkt, an dem die Linie (40), die bei (si – δe,0) (42) mit der Neigung rdisk – r max / i beginnt, die Linie (44) kreuzt, die bei (si,0) (30) mit der Neigung – r max / i endet. Folglich ist t gegeben durch si – δe·(rdisk – r max / i)/rdisk und die Verkürzung des Wiederauffüllintervalls kann als t – (si – δe) ausgedrückt werden, was gegeben ist durch δe·r max / i/rdisk. Es wird darauf hingewiesen, dass zum Vermeiden einer Überlappung die Endzeit eines Wiederauffüllintervalls um einen gegebenen Betrag vermindert wird, während die Anfangszeit eines Wiederauffüllintervalls zum Entfernen von Lücken um einen gegebenen Betrag vermindert wird. 3 gibt ein Beispiel eines vorgezogenen Wiederauffüllintervalls. 4 gibt ein Beispiel, in dem im oberen Teil (46) die letztmöglichen Wiederauffüllintervalle (48, 50, 52, 54) für die Ströme 1, 2, 3 und 4 gegeben werden.
  • Die Round-Robin-Platteneinteilung wird leicht in einem tragbaren Speicher mit wiederholten Standbyperioden ausgeführt. Es werden einige grundlegende Annahmen in Bezug auf die Round-Robin-Einteilungen, wie in 5 gezeigt, getroffen. Erstens bedient die Platte einen gegebenen Satz S von n Strömen (56), wo die Ströme mit 1, 2, ..., n nummeriert sind. Für jeden Strom i ist eine maximale Bitrate r max / i gegeben. Für jede Zeit t, sind die Daten, die von der Platte gelesen oder darauf geschrieben werden, höchstens gleich r max / i. Die garantierte Bitrate der Platte ist durch rdisk gegeben. Es ist klar, dass Σi∈Sr max / i < rdisk und irgendeine Form von Annahmekontrolle gewährleistet, dass dies zur Gewährleistung der Bedienung des gegebenen Satzes von Strömen der Fall ist. Zur Vereinfachung der Erklärung wird ohne Verlust der Allgemeingültigkeit angenommen, dass alle Datenströme von der Platte lesen.
  • Nun werden wiederholt Blöcke von Daten für die Ströme in Stapeln gelesen, wo zwischen der Handhabung aufeinander folgender Stapel die Platte in den Standby-Betriebszustand versetzt wird, unter der Voraussetzung, dass gewährleistet ist, dass die Standbyzeit lange genug dauert, um das Abbremsen der Drehung der Platte zu rechtfertigen.
  • Die Puffer für die Ströme werden proportional zu ihren jeweiligen maximalen Bitraten ausgewählt. Unter der Annahme, dass S nicht erweitert wird, wird der Gesamtbetrag m an Speicher, der zum Puffern von Daten der Ströme verfügbar ist, über die verschiedenen Ströme aufgeteilt, derart, dass dem Strom i ein Betrag von r max / iM/Σj∈Sr max / j gegeben wird. Alternativ kann der Speicher, wenn eine erwartete durchschnittliche Bitrate von jedem Strom bekannt ist, gemäß r avg / i/Σj∈Sr avg / j über die Ströme verteilt werden, um die Energieersparnisse weiter zu verbessern, wo r avg / i die erwartete durchschnittliche Bitrate des Stroms i darstellt.
  • Die Puffer werden wiederholt in einer festen Reihenfolge wie folgt wiederaufgefüllt. Die Drehung der Platte wird beschleunigt und bedient zuerst den Strom 1, dann den Strom 2, usw. Nach dem Wiederauffüllen des Puffers des Stroms n (58), wird die Platte potentiell in den Standby-Betriebszustand versetzt. Bevor die Platte in den Standby-Betriebszustand versetzt wird, wird bestimmt, zu welcher Zeit die Drehung der Platte wieder beschleunigt werden sollte, um zu gewährleisten, dass die Puffer von allen Strömen nicht unterlaufen. Diese Zeit basiert auf den maximalen Bitraten der Ströme. Die Zeit zwischen dem Wiederauffüllen eines gegebenen Puffers beträgt mindestens M/Σj∈Sr max / j.
  • So werden im schlimmsten Fall, wenn alle Ströme bei ihrer maximalen Bitrate verbrauchen, die Stapel exakt alle M/Σj∈Sr max / j Zeiteinheiten gehandhabt. Im Durchschnitt werden die Daten von einem Puffer bei einer niedrigeren Rate als durch die maximale Bitrate von diesem Strom gegeben verbraucht. Es wird angenommen, dass t0 (60) die Zeit ist, bei der die Drehung der Platte in einer Situation im schlimmsten Fall derart beschleunigt wird, dass das Auffüllen des Puffers von Strom 1 (62) rechtzeitig beginnt, um ein Unterlaufen der Puffer für alle Ströme zu vermeiden.
  • Bei oder kurz vor t0 wird der Betrag von Daten in den jeweiligen Puffern wieder untersucht und es wird bestimmt, ob die Standbyzeit aufgrund der gegenwärtigen Pufferauffüllungen erweitert werden kann. Dies erfolgt wie folgt. Es wird angenommen, dass fi(t) den Betrag von Daten im Puffer des Stroms i zur Zeit t bezeichnet. Dann ist der früheste Termin für jeden Strom i zum Wiederauffüllen seines Puffers gegeben durch t0 + fi(t0)/r max / i . Für den letzten Strom (58), d.h. den Strom n, ist der Termin dann t0 + fn(t0)/r max / n. Vor dieser Zeit sollte es nicht notwendig sein, mit dem Wiederauffüllen des Puffers des Stroms n zu beginnen. Auf die gleiche Weise kann das Wiederauffüllen des Puffers des Stroms n-1 (64) verzögert werden, bis t0 + fn-1(t0)/r max / n-1, vorausgesetzt, dass dies nicht ein Unterlaufen des Puffers für den Strom n (58) verursacht. Es wird angenommen, dass Sn-1,n die Zeit bezeichnet, die für das Schalten zwischen dem Wiederauffüllen für den Strom n-1 (64) und dem Wiederauffüllen für den Strom n (58) erforderlich ist, d.h. Suchzeit und Rotationsverzögerung. Zur Vermeidung des Unterlaufens des Puffers für den Strom n, sollte das Wiederauffüllen des Puffers für den Strom n bei t0 + fn(t0)/r max / n beginnen, und infolgedessen sollte das Wiederauffüllen für den Strom n-1 zur Zeit t0 + fn(t0)/r max / n – Sn-1,n abgeschlossen sein. Und wenn angenommen wird, dass ein Betrag von Daten in einen Puffer gelesen wird, für den beim Anfang des Wiederauffullens bereits Raum vorhanden ist, dauert das Wiederauffüllen für den Strom n-1 höchstens (M·rn-1)/(Σir max / j·rdisk) Zeiteinheiten. Daher wird das Auffüllen für den Strom n-1 immer wenn t0 + fn(t0)/r m a x / n – Sn-1,n – (M·rn-1)/(Σir max / j·rdisk) weniger al s t0 + fn-1(t0)/r max / n-1 ist vor t0 + fn-1(t0)/r max / n-1 beginnen. Genauer gesagt, muss es zur Zeit t beginnen, für die fn-1(t0) – (t – t0)r max / n-1 = (t – t1)rdisk, mit t1 = t0 + fn(t0)/r max / n – Sn-1,n – (M·rn-1)/(Σir max / j·rdisk).
  • 5 veranschaulicht, wie die Anfangszeit für das Wiederauffüllen des Puffers für den Strom n-1 (64) um die Anfangszeit zum Wiederauffüllen des Puffers für den Strom n (58) vorgezogen wird. Zur Zeit t0 (60) werden die Pufferauffüllungen für die aufeinander folgenden Ströme gezeigt, wobei der Strom n (58) die meisten Daten in seinem Puffer hat, dann Strom n-1 (64), usw. Zum Berechnen der letztmöglichen Zeit zum rechtzeitigen Beschleunigen der Drehung der Platte wird als Nächstes angenommen, dass jeder Strom bei seiner jeweiligen maximalen Bitrate Daten von seinem Puffer verbraucht.
  • Auf die gleiche Weise kann nun die früheste Zeit bestimmt werden, zu der der Anfang der Wiederauffüllung des Puffers für den Strom n-2 (68) aufgerufen wird, da die früheste Wiederauffüllzeit für den Strom n-1, usw. gegeben ist, bis eine aktualisierte Zeit zur Beschleunigung der Drehung für die Platte abgeleitet werden kann. Wenn diese Zeit als Zeit t1 bezeichnet wird, kann bei oder kurz vor t1 eine neue aktualisierte früheste Zeit zum Beschleunigen der Drehung basierend auf den Pufferauffüllungen zur Zeit t1 bestimmt werden. Dieses Verfahren wird wiederholt, bis die Zeit tk für die Iteration k sehr nahe am vorhergehenden Wert tk-1 ist. Nur dann wird mit der Beschleunigung der Drehung der Platte begonnen. Wenn die Drehung der Platte beschleunigt wird, können alle Ströme nacheinander ohne Zwischenpausen wiederaufgefüllt werden. Alternativ kann das System zwischen dem Wiederauffüllen von zwei aufeinander folgenden Strömen i und i+1 eine Pause einlegen, vorausgesetzt, dass alle darauffolgenden Ströme i+1, i+2, ..., n verzögert werden können.
  • Es ist auch klar, dass die Reihenfolge, in der die Ströme bedient werden, an die tatsächlichen Pufferauffüllungen der Ströme angepasst werden kann. Wenn der Strom 1 bei einer viel geringeren Rate von seinem Puffer verbraucht als durch seine maximale Rate r max / l gegeben, dann kann die Standbyperiode möglicherweise durch eine Neuordnung der Reihenfolge, in der die Puffer im nächsten Stapel wieder aufgefüllt werden, erweitert werden. Dies kann wie folgt erfolgen. Erstens wird das vorhergehende Verfahren schnell befolgt, um zur Zeit ti die nächste aktualisierte Zeit ti+1 zum Beschleunigen der Drehung unter der Annahme zu bestimmen, dass keine Neuordnung verwendet wird. In der Zeit zwischen ti und ti+1 ein heuristisches Verfahren verwendet werden, um zu prüfen, ob eine alternative Reihenfolge der Ströme im nächsten Stapel einen größeren Wert für ti+1 ergibt, wobei immer noch die Pufferfüllungen verwendet werden, wie sie zur Zeit ti waren.
  • Wenn dies der Fall ist, wird diese neue Reihenfolge angenommen und das Verfahren des Suchens nach weiteren Verbesserungen wird fortgesetzt, bis der gegenwärtige Wert von ti+1 erreicht wird. Das heuristische Verfahren kann die frühesten Termine der Ströme, d.h. der früheste Augenblick, zu dem das Unterlaufen des Puffers eintreten kann, sowie die Suchzeiten und Rotationsverzögerungen zwischen den entsprechenden Positionen auf der Platte berücksichtigen, die für den nächsten Lesezugriff für die Ströme besucht werden müssen.
  • Das Ziel des Ordnens der Wiederauffüllintervalle ist das Erweitern der gegenwärtigen Standbyzeit so lange wie möglich, d.h. die Wiederauffüllungen derart zu ordnen, dass die erste Wiederauffüllung so spät als möglich begonnen wird. Dies ergibt die folgende Problemstellung.
  • Gegeben sind eine Platte mit einer Rate rdisk und ein Satz von Strömen, wo für jeden Strom i die maximale Bitrate durch r max / i gegeben ist, und das späteste mögliche Wiederauffüllintervall durch [si, ei) gegeben ist. Zu Finden ist eine Reihenfolge der Wiederauffüllintervalle, derart, dass das Wiederauffüllen so spät als möglich begonnen wird.
  • Es wurde gezeigt, dass das Problem der Reihenfolge der Wiederauffüllung NP-schwer ist, d.h. es ist unwahrscheinlich, dass ein Algorithmus des Polynomtyps besteht, der es optimal löst. In der Praxis wird die Anzahl von Strömen für mobile Speicher recht klein sein und infolgedessen ist eine erschöpfende Suche gewöhnlich machbar. Zum schnellen Bestimmen einer vernünftigen unteren Schranke für die Zeit, zu der das Wiederauffüllen anfangen muss, teilt der folgende heuristische Algorithmus, der Back-Front-Back (BFB) genannt wird, die Wiederauffüllungen für verschiedene Ströme ein. Das wichtigste Ziel ist, so spät als möglich mit dem Wiederauffüllen für die verschiedenen Ströme zu beginnen und dabei zu gewährleisten, dass ein Unterlaufen der Puffer vermieden wird.
  • Der BFB-Algorithmus fährt in zwei Schritten fort. Im ersten Schritt werden die spätesten möglichen Wiederauffüllintervalle von hinten nach vorne, d.h., in der Reihenfolge von nicht aufsteigender Endzeit, untersucht. Im Beispiel von 4, zuerst Strom 4, dann Strom 3, usw. Wenn ein Wiederauffüllintervall [si, ei) früher beginnt als das Ende eines vorhergehenden Wiederauffüllintervall [sj, ej), d.h., wenn ej > sj, dann wird das vorhergehende Wiederauffüllintervall um eine Zeit ej – sj vorgezogen. Durch den früheren Beginn einer Wiederauffüllung, werden weniger Daten gelesen, dies verkürzt die Länge des Wiederauffüllintervalls, wie vorhergehend erläutert. Das Ergebnis wird im mittleren Teil (70) von 4 gezeigt.
  • Im zweiten Schritt werden die resultierenden Wiederauffüllintervalle erneut untersucht, aber nun von vorne nach hinten, um etwaige übrige Lücken zu entfernen. Diese Lücken haben eine ungünstige Auswirkung auf die mögliche Standbyzeit und sie können in nachfolgenden Zyklen wachsen, wenn sie nicht gelöscht werden. So werden alle Wiederauffüllintervalle hinter einer Lücke in der Zeit nach vorne verschoben, was erneut kürzere Wiederauffüllintervalle ergibt. Das Ergebnis von diesem zweiten Schritt wird im unteren Teil (72) von 4 gezeigt.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass durch das Entfernen von Lücken am Ende eines Wiederauffüllstapels, d.h. zu dem Zeitpunkt, an dem die Drehung der Platte wieder abgebremst wird, die Puffer mindestens so voll sind, da die Zeit zwischen der Beendigung des Wiederauffüllens für einen Strom und das Abbremsen der Drehung der Platte nicht zunimmt und möglicherweise abnimmt. So verlängert das Entfernen von Lücken allgemein die Dauer des nächsten Standbyintervalls.
  • Der BFB-Algorithmus kann wiederholt in einem einzigen Wiederauffüll-Standbyzyklus angewandt werden. Basierend auf aktualisierten Informationen über die Pufferfüllungen kann die Standbyzeit wiederholt verlängert werden, bis die erwartete übrige Standbyzeit sich der Zeit für das Beschleunigen der Drehung der Platte annähert.
  • In der vorhergehenden Erläuterung wurde angenommen, dass die Puffer für die verschiedenen Ströme einer nach dem anderen wieder aufgefüllt werden. Zusätzlich wurde angenommen, dass das Wiederauffüllen für einen Strom fortgesetzt wird, bis der Puffer vollständig gefüllt ist. Ein Nachteil dieses Ansatzes ist, dass einige der Puffer am Beginn des Standbyintervalls nicht vollständig gefüllt sein werden.
  • Nun wird betrachtet, was gewonnen werden kann, wenn vorher belegtes Wiederauffüllen erlaubt wird. Unter der Annahme, dass die Suchzeiten und Rotationsverzögerungen null betragen, können alle Puffer parallel durch Hinzufügen von geringen Mengen zu jedem Puffer auf Round-Robin-Art wieder aufgefüllt werden. Der Einfachheit halber werden CBR-Ströme untersucht, aber Vorbelegungen können auch auf VBR-Ströme angewandt werden.
  • Es wird angenommen, dass die Puffer derart gefüllt werden, dass sie ungefähr zur gleichen Zeit vollständig gefüllt sind. Zusätzlich werden die Puffergrößen derart gewählt, dass das vollständige Leeren der Puffer für alle Ströme die gleiche Zeit erfordert. Folglich wird bi = m·ri/Σjrj gewählt und die Zeit, während der die Platte sich im Standby-Betriebsmodus befinden kann, ist so gegeben durch bi/ri = m/Σjrj.
  • Am Ende des Standbyintervalls werden alle Puffer leer sein und es wird angenommen, dass das Wiederauffüllen für alle Ströme gleichzeitig beginnt. Um ein erneutes Füllen der Puffer zur gleichen Zeit zu erhalten, muss auch die Wiederauffüllzeit für alle Ströme gleich sein. Es wird angenommen, dass βi der Teil der Plattenrate rdisk ist, die für das Wiederauffüllen des Puffers für den Strom i mit Σjβj = 1 verbraucht wird. Um zu erreichen, dass alle Puffer zur gleichen Zeit wiederaufgefüllt werden, βi = riΣjrj.
  • Infolgedessen ist die Wiederauffüllzeit gegeben durch m/(rdisk – Σjrj).
  • Für einen bestimmten Satz von n Strömen wird angenommen, dass f der Teil der Zeit ist, der für das Wiederauffüllen verbraucht werden muss, d. h. f = Σjrj/rdisk.
  • Dann kann die Standbyzeit durch die vorher belegte Wiederauffüllung anstatt von nicht vorher belegter Auffüllung um einen folgenden Faktor vergrößert werden:
    Figure 00170001
    Beweis. Die Standbyzeit für nicht vorher belegtes Wiederauffüllen ist gegeben durch
    Figure 00170002
    Das Teilen von m/ri durch diesen Ausdruck ergibt den Teil
    Figure 00170003
    Dieser Teil ist maximal, wenn n identische Ströme vorhanden sind, d.h. rj = f·rdisk/n für jeden Strom j. In diesem Fall wird das erwünschte Ergebnis geliefert.
  • Die Tabelle 1 gibt eine Angabe der Verlängerung, die für n = 2 und n → ∞ maximal erhalten werden kann.
    n Maximal erreichbare Verlängerung eines Standbyintervalls (%)
    f = 0,1 f = 0,2 f = 0,3 f = 0,4 f = 0,5 f = 0,6 f = 0,7 f = 0,8 f = 0,9 f → 1
    2 5.6 12.5 21.4 33.3 50.0 75.0 116.7 200.0 450.0 ∞
    ∞ 11.1 25.0 42.8 66.7 100.0 150.0 233.3 400.0 900.0 ∞
    Tabelle 1. Maximal erreichbare Verlängerung eines Standbyintervalls unter Verwendung von vorherbelegtem Wiederauffüllen anstatt von nicht vorherbelegtem Wiederauffüllen für n = 2 und n → ∞, für unterschiedliche Werte von f.
  • In der Praxis sind die Suchzeiten und die Rotationsverzögerungen nicht gleich null. Infolgedessen wird die Wiederauffüllzeit mit einem Teil zunehmen, der etwas größer ist als derjenige der Standbyzeit. Dies kann den Vorteil von vorher belegtem Auffüllen teilweise annullieren.
  • Experimente zeigen, dass der Stromverbrauch beim Lesen oder Schreiben nicht von der Stelle abhängig ist, wo die Daten gelesen oder geschrieben werden. Aber da die Transferrate am äußersten Bereich um 50% bis 100% größer sein kann als am innersten Bereich, kann die Energie, die zum Lesen oder Schreiben einer Datei auf dem äußersten Bereich verwendet wird, um 50% bis 70% niedriger sein als wenn am innersten Bereich gelesen oder geschrieben wird. Dies bietet eine zusätzliche Quelle von Energieersparnis.
  • Dateien, die unterwegs häufig verwendet werden, werden vorzugsweise in den äußeren Bereichen gespeichert, um die Stromentnahme aus der Batterie zu verringern und Energie zu sparen. Dateien, die unterwegs weniger häufig verwendet werden, werden in den inneren Bereichen gespeichert. Dateien, die häufig aber nur bei einer Verbindung mit einer Stromversorgung verwendet werden, müssen nicht in den äußeren Bereichen gespeichert werden.
  • Zusätzlich können Dateien, die unterwegs aufgezeichnet werden, zuerst auf den äußersten Bereichen gespeichert werden, um Energie zu sparen. Diese Dateien können später bei einer Verbindung mit einer Stromversorgung in die inneren Bereiche verschoben werden, wenn unterwegs weniger häufig auf sie zugegriffen wird.
  • Um einen Eindruck von den möglichen Energieersparnissen zu erlangen, wird eine Anzahl von Einstellungen betrachtet und der Betrag an Energie, der in jeder Einstellung gespeichert werden kann, wird gezeigt.
  • Ein Toshiba MKIOO3GAL 1.8 Zoll-Plattenlaufwerk weist zum Beispiel die folgenden Eigenschaften auf. Die Plattenrate, die am innersten Bereich der Platte aufrechterhalten werden kann, beträgt rdisk = 72 Mbit/s. Die Rate, die am äußersten Bereich aufrechterhalten werden kann, beträgt 120 Mbit/s. Die Stromverbräuche der Lese-, Schreib, Leerlauf- und Standby-Betriebsmodi sind gegeben durch Pwrite = 1.4 J/s, Pread = 1.4 J/s, Pidle = 0.6 J/s, und Ps tan dby = 0.2 J/s. Die Energie des Abbremsens der Drehung und des Beschleunigens der Drehung ist gegeben durch E = 3.65 J. Die Zeit, die für das Abbremsen und Beschleunigen der Platte erforderlich ist, ist gegeben durch 0.6 s beziehungsweise 2.5 s. Daher ist ΔP = 0.4 J/s und die Rentabilitätsgrenze beträgt ungefähr 9 s.
  • Zuerst wird angenommen, dass ein einziger CBR-Strom von 6 Mbit/s abzuspielen ist. Wenn nur ein Strom vorhanden ist, dann ist für diesen Strom bi = m. Für unterschiedliche Werte von m stellt die Tabelle 2 obere und untere Grenzen der Energieersparnis, die durch wiederholtes Versetzen der Platte in den Standby-Betriebsmodus realisiert wird, als einen Teil des Energieverbrauchs, wenn kein Standby-Betriebsmodus verwendet wird, dar. Die untere Grenze wird erreicht, wenn die Daten immer vom innersten Bereich gelesen werden; die obere Grenze wird erreicht, wenn die Daten immer vom äußersten Bereich gelesen werden. Die Dauer eines Wiederauffüll-Standbyzyklus steigt linear mit m und liegt in einem Bereich von 11.6 für m = 8 Mbyte zu ungefähr 25 Minuten für m = 1 Gbyte.
  • Es wird darauf hingewiesen, dass für m → ∞ die Energiereduktion sich Folgendem angleicht:
    Figure 00190001
    wo
    Figure 00190002
    . Für einen VBR-Strom mit max / j = 6 Mbit/s sind die Energieersparnisse für eine gegebene Speichergröße mindestens so groß wie für einen gegebenen CBR-Strom, da die Standbyintervalle allgemein größer sein werden. Die tatsächlichen Ersparnisse sind abhängig von der Differenz zwischen r max / j und der durchschnittlichen Bitrate.
  • Die Aufmerksamkeit wird nun auf mehrere Ströme gerichtet, um zu sehen, wie viel Energie gespart wird. Es wird angenommen, dass n CBR-Ströme, jeder von 6 Mbit/s, vorhanden sind. Da identische Bitraten angenommen werden, ist der Puffer für jeden Strom gegeben durch m/n. Daher ist die Dauer p eines Wiederauffüll-Standbyzyklus gegeben durch m/(n·rdisk – n·ri) + m/(n·ri). Infolgedessen ist die Zykluszeit p für einen festen Betrag m von Speicher umgekehrt proportional zu n. Die Tabelle 3 gibt obere und untere Grenzen der Energiereduktion für einen bis zu fünf Ströme für unterschiedliche Speichergrößen an.
    m Energiereduktion (%) Energiereduktion (%)
    (MByte) (innerster Bereich) (äußerster Bereich)
    8 8.0 8.6
    16 31.5 34.0
    32 43.2 46.7
    64 49.1 53.0
    128 52.1 56.2
    256 53.5 57.8
    512 54.3 58.6
    1024 54.6 59.0
    ∞ 55.0 59.4
    Tabelle 2. Teil der Energie, der für einen einzigen Wiedergabestrom als eine Funktion des zum Puffern verfügbaren Speichers, sowohl für das Lesen vom innersten Bereich als auch das Lesen vom äußersten Bereich der Platte, gespart werden kann.
  • Die Standardfirmware von Toshiba-Plattenlaufwerken schaltet, wenn während 15 Sekunden keine Anforderungen ausgegeben wurden, vom Leerlauf-Betriebsmodus in den Niedrigstrom-Leerlauf-Betriebsmodus um. Der Stromverbrauch für die Platte für den Niedrigstrom-Leerlauf-Betriebsmodus beträgt 0.4 J/s. Beim Vergleich zwischen wiederholtem Versetzen in den Standby-Betriebsmodus mit dem wiederholten Versetzen in den Niedrigstrom-Leerlauf-Betriebsmodus nach 15 Sekunden betragen die unteren und oberen Grenzen der Energiereduktion für m → ∞ 37.9-42.2%, 29.4-36.0%, 23.1-30.9%, 18.2-26.7% und 14.3-23.1% für einen bis beziehungsweise fünf Ströme.
    m untere und obere Grenzen der Energiereduktion (%)
    (MByte) n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 n = 5
    8 8.0–8.6 – – – –
    16 31.5–34.0 2.7–5.2 – – –
    32 43.2–46.7 24.1–29.1 8.1–13.4 – –
    64 49.1–53.0 34.8–41.0 22.8–30.3 12.7–20.7 0.4–12.1
    128 52.1–56.2 40.1–47.0 30.2–38.8 21.7–31.4 14.5–24.8
    m untere und obere Grenzen der Energiereduktion (%)
    (MByte) n = 1 n = 2 n = 3 n = 4 n = 5
    256 53.5–57.8 42.8–50.0 33.8–43.0 26.2–36.8 19.8–31.2
    512 54.3–58.6 44.1–51.4 35.7–45.1 28.5–39.4 22.4–34.4
    1024 54.6–59.0 44.8–52.2 36.6–46.2 29.4–40.8 23.7–35.9
    ∞ 55.0–59.4 45.5–52.9 37.5–47.2 30.8–42.1 25.0–37.5
    Tabelle 3. Untere und obere Grenzen der Energiereduktion für einen bis fünf Ströme als eine Funktion des verfügbaren Speichers für das Puffern werden unter der Annahme gegeben, dass das Lesen nur vom innersten beziehungsweise äußersten Bereich der Platte erfolgt.
  • Hierin wurde eine Anzahl von Strategien zum Sparen von Energie in tragbaren plattenbasierten Speichern betrachtet. Die Beispiele zeigen, dass die Ersparnisse erheblich sind. Die gesparte Energie ist abhängig von einer Anzahl von Parametern, unter denen der Betrag an Speicher, der zum Puffern verfügbar ist, ein wichtiger ist. Bei der Konstruktion von tragbaren Speichern lohnt es sich, beim Betrag von Festspeicher großzügig zu sein, da große Speicher zu mehr Energieersparnis und längeren Batterielebensdauern führen.
  • Die Verfahren und Strategien zum Sparen von Energie in tragbaren Geräten wurden mit Bezug auf Puffer beschrieben, die geleert werden, wenn z.B. Video von der Festplatte abgespielt wird. In Wiedergabesituationen leeren sich die Puffer bei ihren jeweiligen Bitraten ri und werden bei einer Rate wiederaufgefüllt, die gleich der Differenz zwischen der Plattenrate (Lesen) und der Wiedergabebitrate ist rdisk – ri. Es sollte leicht ersichtlich sein, dass die gleichen Verfahren und Strategien in gleicher Weise auf Aufzeichnungsszenarien anwendbar sind, z.B. wenn ein Video zur späteren Wiedergabe auf der Festplatte aufgezeichnet wird. Die Aufzeichnungsverfahren sind im Grunde genommen symmetrisch zu den Wiedergabeverfahren. Zum Beispiel füllen sich die Puffer bei ihren entsprechenden Aufzeichnungs-/Empfangsbitraten ri und leeren sich bei einer Rate, die gleich der Differenz zwischen der Plattenrate (Schreiben) und der Aufzeichnungs-/Empfangsbitrate ist rdisk – ri. Hier wird indes, anstatt zu versuchen, ein Unterlaufen des Puffers zu verhindern, die Situation umgekehrt und es werden Vorkehrungen gegen Pufferüberlauf getroffen. Ferner tritt der Standby-Betriebsmodus ein, nachdem die Puffer geleert wurden anstatt, nachdem die Puffer wiederaufgefüllt wurden.
  • 6 stellt ein Blockdiagramm eines Beispiels einer mobilen Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Ein Plattenlaufwerk 80 wird als Speichermedium für Multimediainhalt bereitgestellt. Das Plattenlaufwerk 80 wird unter der Steuerung eines Plattentreibers 82 betrieben, der mit einem Lese-/Schreibmodul 84 in Verbindung steht, das Lese-, Schreib- und Steuerbefehle an den Plattentreiber 82 ausgibt. Ein Festspeicher 86 wird zum Teilen eines Satzes von Puffer 88 bereitgestellt, wobei der gesamte Festspeicher mindestens einer Anzahl von m Bytes entspricht. Ein Systemcontroller 90 steuert den Betrieb der mobilen Vorrichtung. Er steuert den Zugriff auf die Puffer 88, Eingangs-/Ausgangsoperationen in eine Benutzerschnittstelle 92 und den Plattenzugriff über ein Dateisystem 94. Die Benutzerschnittstelle 92 weist Merkmale auf, die für mobile Vorrichtungen typisch sind, um Multimediaströme anzuzeigen und Befehle von einem Benutzer zu empfangen. Ein Einteilungsmodul 96 wird bereitgestellt, das Merkmale der vorliegenden Erfindung umfasst, wie beispielsweise das Round-Robin-Einteilungsmodul 98, und das BFB-Algorithmusmodul 100. Obgleich diese mobile Vorrichtung in einer abstrahierten Form veranschaulicht ist, dient es zur Veranschaulichung von einer Klasse von Geräten, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst.
  • Die Erfindung wurde mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.
  • 1
    • 10
    PUFFERFÜLLUNG STROM 1
    12
    PUFFERFÜLLUNG STROM 2
    REFILL
    WIEDERAUFFÜLLEN
    STANDBY
    STANDBY
    TIME
    ZEIT
  • 3
    • BUFFER FILLING
    PUFFERFÜLLUNG
    ADVANCED REFILL INTERVAL
    VORGEZOGENES
    WIEDERAUFFÜLLINTERVALL LATEST
    POSSIBLE REFILL INTERVALL
    SPÄTESTES MÖGLICHES WIEDERAUFFÜLLINTERVALL
    TIME
    ZEIT
  • 4
    • STREAM
    STROM
    TIME
    ZEIT
  • 6
    • 84
    LESEN/SCHREIBEN
    90
    STEUERUNG
    82
    PLATTENLAUFWERK
    98
    ROUND ROBIN
    96
    EINTEILER
    FILE SYSTEM
    DATEISYSTEM
    100
    B-F-B

Claims (20)

  1. Batteriebetriebene Vorrichtung, die Folgendes umfasst: einen Plattenspeicher (80); ein Mittel (82) zum Rotieren des Plattenspeichers; ein Lese-/Schreibmittel (84) zum mindestens Lesen oder Schreiben von Streamingdaten vom oder auf den Plattenspeicher; einen Pufferspeicher (86) zum Speichern von Daten, die vom Plattenspeicher gelesen werden oder darauf zu schreiben sind; ein Energiespar-Einteilungsmittel (96, 100) zum Überwachen des Pufferspeichers und Steuern des den Plattenspeicher rotierenden Mittels gemäß dem überwachten Pufferspeicher; dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferspeicher in n Puffer (88) für mehrere von n Datenströmen aufgeteilt ist, wobei die Datenströme an separaten Orten auf der Platte gespeichert sind; und das Energiespar-Einteilungsmittel für Folgendes eingerichtet ist: Bestimmen, zu welcher Zeit die Drehung der Platte erneut beschleunigt werden sollte, um zu gewährleisten, dass die Puffer von allen Strömen nicht unterlaufen oder überlaufen; und Beschleunigen der Drehung der Platte und Wiederauffüllen des Puffers von jedem Strom.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Einteilungsmittel (100) Folgendes umfasst: (1) ein Mittel zum Überwachen, wie voll der Pufferspeicher ist; und (2) ein Mittel zum Überwachen einer Rate von Datentransfer in den/aus dem Pufferspeicher.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Einteilungsmittel (100) die eingeteilten Plattenstart- und Stoppzeiten gemäß der überwachten Fülle des Pufferspeichers (86) und der Datentransferrate anpasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, die ferner Folgendes umfasst: ein Back-Front-Back-Einteilungsverfahren (100) zum Neuordnen eines Wiederauffüllens/Leerens von verschiedenen Puffer und zum Beseitigen von Lücken zwischen Pufferspeicher-Füllintervallen, das Folgendes umfasst: einen ersten Schritt, in dem die spätesten möglichen Wiederauffüllintervalle von hinten nach vorne untersucht werden, wobei hinten nach vorne in der Reihenfolge von nicht aufsteigender Endzeit ist; und einen zweiten Schritt, in dem die resultierenden Wiederauffüllintervalle erneut von vorne nach hinten untersucht werden.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Lese-/Schreibmittel (84) sowohl liest als auch schreibt und wobei der Pufferspeicher (86) mehrere Pufferspeicher umfasst, wobei während eines Betriebsmodus mit gleichzeitigem Lesen und Schreiben mindestens ein Pufferspeicher zu schreibende Daten puffert und mindestens ein Pufferspeicher Daten puffert, die gelesen wurden, wobei das Einteilungsmittel (100) den Schreibpufferspeicher überwacht, um zu bestimmen, wie lange es dauert, bis er voll ist, und den Lesepufferspeicher überwacht, um zu bestimmen, wie lange es dauert, bis er leer ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner Folgendes umfasst: ein Systemmittel (90) zum Steuern des Zugriffs auf das Speichermittel; ein Mittel (92) zur Benutzereingabe/Ausgabe, das mit dem Controllermittel (90) in Verbindung steht; ein Dateisystem (94) zum Steuern des Plattenzugriffs, das mit dem Controllermittel (90) in Verbindung steht.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Einteilungsmittel die folgenden Schritte ausführt: Beschleunigen der Drehung eines Plattenspeichers; Füllen/Leeren von jedem Strom i von einem Satz S der n Datenströme durch Lesen/Schreiben von dem/auf das Speichermittel, bis der entsprechende Strom voll/leer ist; Bestimmen einer frühesten Zeit t0 zum nächsten Beschleunigen der Drehung; Versetzen der Speichermittel in den Standby-Betriebsmodus, wodurch die Drehung des Plattenspeichers abgebremst wird; bei oder unmittelbar vor der Zeit t0, erneutes Bestimmen einer neuen frühesten Zeit tk zum Beschleunigen der Drehung basierend auf gegenwärtigen Pufferfüllungen fi(t) zu einer gegenwärtigen Zeit t für jeden Strom i im Satz S; iteratives Ausführen des erneuten Bestimmens der neuen frühesten Zeit tk zum Beschleunigen der Drehung, bis die Zeit tk innerhalb einer vorbestimmten Nähe zu tk-1 oder innerhalb einer vorbestimmten Nähe zur gegenwärtigen Zeit t liegt; und Warten bis zur Zeit tk oder unmittelbar vor der Zeit tk.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die früheste nächste Zeit t0 zum Beschleunigen der Drehung innerhalb von mindestens M/Ej∈Sr max / j Zeiteinheiten der gegenwärtigen Zeit t, liegt, wobei r max / i eine maximale Bitrate des Stroms i ist, und m ein Gesamtbetrag von aufgeteiltem Speicher der n Puffer ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, die ferner Folgendes umfasst: ein Mittel zum Untersuchen des spätesten möglichen Füll-/Leerungsintervalls [si, ei) für jeden Strom i des Satzes S in der Reihenfolge von nicht aufsteigender Endzeit, wobei si die Anfangszeit für das Intervall des Stromes i ist und ei eine Endzeit ist, das Folgendes umfasst: ein Mittel zum Vorziehen eines vorhergehenden Füll-/Leerungsintervalls [si, ei) um eine Vorziehzeit ej – sj wenn ej > sj; und ein Mittel zum erneuten Untersuchen des spätesten möglichen Füll-/Leerungsintervalls [si, ei) für jeden Strom i des Satzes S in der Reihenfolge aufsteigender Endzeit, das Folgendes umfasst: ein Mittel zum Beseitigen von Lücken zwischen aufeinander folgenden Füll-/Leerungsintervallen durch zeitliches Vorziehen von Intervallen hinter einer Lücke, wobei eine Lücke immer dann besteht, wenn sj+1 > ej.
  10. Energieeffizientes Platteneinteilungsverfahren, das Folgendes umfasst: mindestens Lesen oder Schreiben von Streamingdaten von einem/auf einen Plattenspeicher; Speichern der Daten, die vom Speicher gelesen wurden oder darauf zu schreiben sind, in einem Pufferspeicher (86); Überwachen des Pufferspeichers; und Steuern des den Plattenspeicher rotierenden Mittels gemäß dem überwachten Pufferspeicher; dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferspeicher in n Puffer für mehrere von n Datenströmen unterteilt wird, wobei die Datenströme an unterschiedlichen Orten auf der Platte gespeichert werden; und das Verfahren ferner Folgendes umfasst: Bestimmen, zu welcher Zeit die Drehung der Platte erneut beschleunigt werden sollte, um zu gewährleisten, dass die Puffer von allen Strömen nicht unterlaufen oder überlaufen; und Beschleunigen der Drehung der Platte und Wiederauffüllen des Puffers von jedem Strom.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Überwachung Folgendes umfasst: (1) Überwachen, wie voll ein Pufferspeicher ist; und (2) Überwachen einer Rate von Datentransfer in den/aus dem Pufferspeicher.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Pufferspeicher (86) mehrere Pufferspeicher umfasst, und das ferner Folgendes umfasst: sowohl Lesen als auch Schreiben von mindestens Pufferspeicher-Pufferdaten, die zu schreiben sind, und von mindestens Pufferspeicher-Pufferdaten, die gelesen wurden; Überwachen des Schreibpufferspeichers zum Bestimmen, wie lange es dauert, bis er voll ist, und des Lesepufferspeichers zum Bestimmen, wie lange es dauert, bis er leer ist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Einteilen Folgendes umfasst: Beschleunigen der Drehung eines Plattenspeichers; Füllen/Leeren von jedem Strom i des Satzes S durch Lesen/Schreiben von dem/in das Speichermittel, bis der entsprechende Strom voll/leer ist; Bestimmen einer frühesten Zeit t0 zum nächsten Beschleunigen der Drehung; Versetzen der Speichermittel in den Standby-Betriebsmodus, wodurch die Drehung der Speichermittel abgebremst wird; erneutes Bestimmen einer neuen frühesten Zeit tk zum Beschleunigen der Drehung bei der Zeit t0 oder unmittelbar davor, basierend auf den gegenwärtigen Pufferfüllungen fi(t) zu einer gegenwärtigen Zeit t für jeden Strom i im Satz S; iteratives Ausführen des erneuten Bestimmens der neuesten frühesten Zeit tk zum Beschleunigen der Drehung, bis die Zeit tk innerhalb einer vorbestimmten Nähe zu tk-1 oder innerhalb einer vorbestimmten Nähe zur gegenwärtigen Zeit t ist; und, Warten bis zur Zeit tk oder unmittelbar vor der Zeit tk.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der aufgeteilte Betrag von Speicher für jeden Strom i des Satzes S ungefähr r ma x / iM/Ej∈Sr max / j beträgt, wobei r ma x / i eine maximale Bitrate des Stroms i ist.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die früheste Zeit zum nächsten Beschleunigen der Drehung t0 innerhalb von mindestens M/Ej∈Sr max / j max Zeiteinheiten der gegenwärtigen Zeit t liegt, wobei r ma ma x / i x die maximale Bitrate des Stroms i ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der gesamte Betrag M von Speicher Festspeicher ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 13, das ferner die Steuerung der Annahme von Strömen umfasst, um sicherzustellen, dass Ei∈Sr max / i max < rdisk, wobei r ma ma x / i x eine maximale Bitrate des Stromes i ist und rdisk eine Rate des Speichermittels ist.
  18. Verfahren nach Anspruch 13, das ferner das Anhalten zwischen zwei aufeinander folgenden Strömen j und j+1 umfasst, wenn alle darauffolgenden Ströme j+1, j+2, ..., n verzögert werden können.
  19. Verfahren nach Anspruch 13, das ferner Folgendes umfasst: Untersuchen des letzten möglichen Füll-/Leerungsintervalls [sj, ej) für jeden Strom i des Satzes S in der Reihenfolge von nicht aufsteigender Endzeit, wobei si eine Anfangszeit für das Intervall des Stromes i ist und ei eine Endzeit ist, das Folgendes umfasst: Vorziehen eines vorhergehenden Füll-/Leerungsintervalls [sj, ej) um eine Vorziehzeit ej – sj wenn ej > sj; und erneutes Untersuchen des letzten möglichen Füll-/Leerungsintervalls [si, ei) für jeden Strom i des Satzes S in der Reihenfolge aufsteigender Endzeit; das Folgendes umfasst: Entfernen von Lücken zwischen aufeinander folgenden Füll-/Leerungsintervallen durch zeitliches Vorziehen von Intervallen hinter einer Lücke, wobei eine Lücke immer dann besteht, wenn si+1 > ei.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, das ferner das wiederholte Anwenden des Untersuchens und erneuten Untersuchens in jedem der Einteilungszyklen umfasst.
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