Kata Pengantar
Sistem operasi merupakan sebuah penghubung antara pengguna dari komputer dengan perangkat keras komputer. Sebelum ada sistem operasi, orang hanya mengunakan komputer dengan menggunakan sinyal analog dan sinyal digital. Seiring dengan berkembangnya pengetahuan dan teknologi, pada saat ini terdapat berbagai sistem operasi dengan keunggulan masing-masing. Untuk lebih memahami sistem operasi maka sebaiknya perlu diketahui terlebih dahulu beberapa konsep dasar mengenai sistem operasi itu sendiri.
Pengertian sistem operasi secara umum ialah pengelola seluruh sumber-daya yang terdapat pada sistem komputer dan menyediakan sekumpulan layanan (system calls) ke pemakai sehingga memudahkan dan menyamankan penggunaan serta pemanfaatan sumber-daya sistem komputer.
Makalah ini akan membahas tentang I/O dan Disk dimana materi – materi nya adala perangkat keras I/O, interface Aplikasi I/O, Kernel I/O Subsystem, Penanganan Permintaan I/O, Kinerja I/O, Struktur Disk, Penjadualan Disk, Managemen Disk, Penanganan Swap-Space, Kehandalan Disk, Implementasi Stable-Storage, Tertiary-Storage Structure. Materi ini akan dibahas satu persatu dalam makalah ini.
Dalam penyusunan makalah I/O dan Disk ini, masih banyak kekurangan – kekurangan yang masih perlu disempurnakan lagi sehingga dalam penyusunannya perlu ada bimbingan atau tanggapan dari dosen pengampu atau teman-teman sekalian guna penyempurnaan makalah ini.
BAB II
PEMBAHASAN
I/O dan Disk
A. Perangkat Keras I/O
Secara umum, terdapat beberapa jenis seperti device penyimpanan (disk, tape), transmission device (network card, modem), dan human-interface device (screen, keyboard, mouse). Device tersebut dikendalikan oleh instruksi I/O. Alamat-alamat yang dimiliki oleh device akan digunakan oleh direct I/O instruction dan memory-mapped I/O.
Beberapa konsep yang umum digunakan ialah port, bus (daisy chain/ shared direct access), dan controller (host adapter).
Langkah yang ditentukan untuk device adalah command-ready, busy, dan error. Host mengeset command-ready ketika perintah telah siap untuk dieksekusi oleh controller. Controller mengeset busy ketika sedang mengerjakan sesuatu, dan men clear busy ketika telah siap untuk menerima perintah selanjutnya. Error diset ketika terjadi kesalahan.
1. Polling
Busy-waiting / polling adalah ketika host mengalami looping yaitu membaca status register secara terus-menerus sampai status busy di-clear. Akan tetapi polling menjadi tidak efisien ketika setelah berulang-ulang melakukan looping, hanya menemukan sedikit device yang siap untuk men-service, karena CPU processing yang tersisa belum selesai.
2. Interupsi
a. Mekanisme Dasar Interupsi
Ketika CPU mendeteksi bahwa sebuah controller telah mengirimkan sebuah sinyal ke interrupt request line (membangkitkan sebuah interupsi), CPU kemudian menjawab interupsi tersebut (juga disebut menangkap interupsi) dengan menyimpan beberapa informasi mengenai state terkini CPU.
b. Fitur Tambahan pada Komputer Modern
Pada arsitektur komputer modern, tiga fitur disediakan oleh CPU dan interrupt controller (pada perangkat keras) untuk dapat menangani interrupsi dengan lebih bagus.
c. Interrupt Request Line
Pada peranti keras CPU terdapat kabel yang disebut interrupt request line, kebanyakan CPU memiliki dua macam interrupt request line, yaitu nonmaskable interrupt dan maskable interrupt.
d. Interrupt Vector dan Interrupt Chaining
Kebanyakan arsitektur komputer yang ada sekarang ini, alamat interrupt handling routine biasanya berupa sekumpulan bilangan yang menyatakan offset pada sebuah tabel (biasa disebut interrupt vector). Keuntungan dari pemakaian vektor adalah untuk mengurangi kebutuhan akan sebuah interrupt handler yang harus mencari semua kemungkinan sumber interupsi untuk menemukan pengirim interupsi.
e. Penyebab Interupsi
Interupsi dapat disebabkan berbagai hal, antara lain exception, page fault, interupsi yang dikirimkan oleh device controllers, dan system call Exception adalah suatu kondisi dimana terjadi sesuatu/ dari sebuah operasi didapat hasil tertentu yang dianggap khusus sehingga harus mendapat perhatian lebih.
3. DMA
a. Definisi
DMA adalah sebuah prosesor khusus (special purpose processor) yang guna menghindari pembebanan CPU utama oleh program I/O (PIO).
b. Transfer DMA
Tiga langkah dalam transfer DMA:
1. Menyiapkan Prosesor DMA transfer dengan menyedia kan data-data dari device, operasi yang akan ditampilkan, alamat memori yang menjadi sumber dan tujuan data, dan banyaknya byte yang di transfer.
2. DMA controller memulai operasi (menyiapkan bus, menyediakan alamat, menulis dan membaca data), sampai seluruh blok sudah di transfer.
3. DMA controller meng-interupsi prosesor, dimana selanjutnya akan ditentukan tindakan berikutnya.
Pada dasarnya, DMA mempunyai dua metode yang berbeda dalam mentransfer data, yaitu:Metode yang pertama adalah metode yang sangat baku dan simple disebut HALT, atau Burst Mode DMA, karena DMA controller memegang kontrol dari sistem bus dan mentransfer semua blok data ke atau dari memori pada single burst.
Metode yang kedua, mengikut-sertakan DMA controller untuk memegang kontrol dari sistem bus untuk jangka waktu yang lebih pendek pada periode dimana mikroprosessor sibuk dengan operasi internal dan tidak membutuhkan akses ke sistem bus.
c. Handshaking
Proses handshaking antara DMA controller dan device controller dilakukan melalui sepasang kabel yang disebut DMA-request dan DMA-acknowledge. Device controller mengirimkan sinyal melalui DMA-request ketika akan mentransfer data sebanyak satu word.
Hal ini berlangsung berulang-ulang sehingga disebut handshaking. Pada saat DMA controller mengambil alih memori, CPU sementara tidak dapat mengakses memori (dihalangi), walau pun masih dapat mengaksees data pada cache primer dan sekunder. Hal ini disebut cycle stealing, yang walau pun memperlambat komputasi CPU, tidak menurunkan kinerja karena memindahkan pekerjaan data transfer ke DMA controller meningkatkan performa sistem secara keseluruhan.
d. Cara-cara Implementasi DMA
Dalam pelaksanaannya, beberapa komputer menggunakan memori fisik untuk proses DMA , sedangkan jenis komputer lain menggunakan alamat virtual dengan melalui tahap "penerjemahan" dari alamat memori virtual menjadi alamat memori fisik, hal ini disebut direct virtual-memory address atau DVMA. Keuntungan dari DVMA adalah dapat mendukung transfer antara dua memory mapped device tanpa intervensi CPU.
B. Interface Aplikasi I/O
Interface aplikasi I/O adalah suatu aplikasi yang dapat membedakan jenis disk apa yang akan diaksesnya dan dapat mempermudah pengaksesan pada peralatan I/O.
Interface aplikasi I/O melibatkan abstraksi, enkapsulasi, dan software layering. Dengan membagi-bagi detail peralatan-peralatan I/O ke dalam kelas-kelas yang lebih umum ini, maka akan lebih mudah untuk membuat fungsi-fungsi standar (interface) untuk mengaksesnya. Pada masing-masing peralatan I/O, device driver berfungsi untuk enkapsulasi perbedaan-perbedaan yang ada dari masing-masing anggota kelas-kelas yang umum. Tujuan dari adanya lapisan device driver ini adalah untuk menyembunyikan perbedaan-perbedaan yang ada pada device controller dari subsistem I/O pada kernel.
a. Peralatan Block dan Karakter
Peralatan block diharapkan dapat memenuhi kebutuhan akses pada berbagai macam disk drive dan juga peralatan block lainnya. Block device diharapkan dapat memenuhi/mengerti perintah baca, tulis dan juga perintah pencarian data pada peralatan yang memiliki sifat random-access.
b. Peralatan Jaringan
Karena adanya perbedaan dalam kinerja dan pengalamatan dari jaringan I/O, maka biasanya sistem operasi memiliki interface I/O yang berbeda dari baca, tulis dan pencarian pada disk. Salah satu yang banyak digunakan pada sistem operasi adalah interface socket.
c. Jam dan Timer
System call untuk pemanggilan fungsi ini tidak di-standarisasi antar sistem operasi Hardware yang mengukur waktu dan melakukan operasi trigger dinamakan programmable interval timer. Dia dapat di set untuk menunggu waktu tertentu dan kemudian melakukan interupsi.
d. Blocking dan Nonblocking I/O
Ketika suatu aplikasi menggunakan sebuah blocking system call, eksekusi aplikasi itu akan diberhentikan untuk sementara. aplikasi tersebut akan dipindahkan ke wait queue. Dan setelah system call tersebut selesai, aplikasi tersebut dikembalikan ke run queue, sehingga pengeksekusian aplikasi tersebut akan dilanjutkan. Physical action dari peralatan I/O biasanya bersifat asynchronous. Akan tetapi, banyak sistem operasi yang bersifat blocking, hal ini terjadi karena blocking application lebih mudah dimengerti dari pada nonblocking application.
C. Kernel I/O Subsystem
Kernel menyediakan banyak service yang berhubungan dengan I/O. Pada bagian ini, kita akan mendeskripsikan beberapa service yang disediakan oleh kernel I/O subsystem, dan kita akan membahas bagaimana caranya membuat infrastruktur hardware dan device-driver. Service yang akan kita bahas adalah I/O scheduling, buffering, caching, spooling, reservasi device, error handling.
a. I/O Scheduling
Scheduling dapat meningkatkan kemampuan sistem secara keseluruhan, dapat membagi device secara rata di antara proses-proses, dan dapat mengurangi waktu tunggu rata-rata untuk menyelesaikan I/O.
Satu cara untuk meningkatkan efisiensi I/O subsistem dari sebuah komputer adalah dengan mengatur operasi I/O. Cara lain adalah dengan menggunakan tempat penyimpanan pada memori utama atau pada disk, melalui teknik yang disebut buffering, caching, dan spooling.
b. Buffering
Buffer adalah area memori yang menyimpan data ketika mereka sedang dipindahkan antara dua device atau antara device dan aplikasi.
Buffering dilakukan untuk tiga buah alasan, yaitu :
1. untuk men-cope dengan kesalahan yang terjadi karena perbedaan kecepatan antara produsen dengan konsumen dari sebuah stream data.
2. untuk menyesuaikan device-device yang mempunyai perbedaan dalam ukuran transfer data.
3. untuk buffering adalah untuk mendukung copy semantics untuk aplikasi I/O.
c. Caching
Sebuah cache adalah daerah memori yang cepat yang berisikan data kopian. Akses ke sebuah kopian yang di-cached lebih efisien daripada akses ke data asli. Perbedaan antara sebuah buffer dan ache adalah buffer dapat menyimpan satu-satunya informasi datanya sedangkan sebuah cache secara definisi hanya menyimpan sebuah data dari sebuah tempat untuk dapat diakses lebih cepat.
d. Spooling dan Reservasi Device
Sebuah spool adalah sebuah buffer yang menyimpan output untuk sebuah device, seperti printer, yang tidak dapat menerima interleaved data streams. Walau pun printer hanya dapat melayani satu pekerjaan pada waktu yang sama, beberapa aplikasi dapat meminta printer untuk mencetak, tanpa harus mendapatkan hasil output mereka tercetak secara bercampur. Spooling merupakan salah satu cara untuk mengatasi masalah ini. Cara lain adalah dengan membagi koordinasi untuk multiple concurrent ini.
e. Error Handling
Sebuah sistem operasi yang menggunakan protected memory dapat menjaga banyak kemungkinan error akibat hardware mau pun aplikasi. Devices dan transfer I/O dapat gagal dalam banyak cara, bisa karena alasan transient, seperti overloaded pada network, mau pun alasan permanen (kerusakan pada disk controller). Akan tetapi untuk kesalahan permanent, sistem operasi pada umumnya tidak akan bisa mengembalikan situasi seperti semula. Sebuah ketentuan umum, yaitu sebuah sistem I/O akan mengembalikan satu bit informasi tentang status panggilan tersebut, yang akan menandakan apakah proses tersebut berhasil atau gagal.
f. Kernel Data Structure
Kernel membutuhkan informasi state tentang penggunakan komponen I/O. Kernel menggunakan banyak struktur yang mirip untuk melacak koneksi jaringan, komunikasi karakter-device, dan aktivitas I/O lainnya. Untuk memproses citra, cukup perlu untuk mengkopi data ke dalam memori. UNIX mengkapsulasikan perbedaan-perbedaan ini di dalam struktur yang uniform dengan menggunakan teknik object oriented.
Beberapa sistem operasi bahkan menggunakan metode object oriented secara lebih extensif. Subsistem I/O mengkoordinasi kumpulan-kumpulan service yang banyak sekali, yang tersedia dari aplikasi mau pun bagian lain dari kernel. Subsistem I/O mengawasi:
1. Manajemen nama untuk file dan device.
2. Kontrol akses untuk file dan device.
3. Kontrol operasi, contoh: model yang tidak dapat dikenali.
4. Alokasi tempat sistem file.
5. Alokasi device.
6. Buffering, caching, spooling.
7. I/O scheduling
8. Mengawasi status device, error handling, & kesalahan dalam recovery.
9. Konfigurasi dan utilisasi driver device.
D. Penanganan Permintaan I/O
Di bagian sebelumnya, kita mendeskripsikan handshaking antara device driver dan device controller, tapi kita tidak menjelaskan bagaimana Sistem Operasi menyambungkan permintaan aplikasi untuk menyiapkan jaringan menuju sektor disk yang spesifik.
UNIX Sistem V mempunyai mekanisme yang menarik, yang disebut streams, yang membolehkan aplikasi untuk men-assemble pipeline dari kode driver secara dinamis. Sebuah stream adalah sebuah koneksi full duplex antara sebuah device driver dan sebuah proses user-level. Stream terdiri atas sebuah stream head yang merupakan antarmuka dengan user process, sebuah driver end yang mengontrol device, dan nol atau lebih stream modules diantara mereka. Stream dapat digunakan untuk interproses dan komunikasi jaringan. Faktanya, di Sistem V, mekanisme soket diimplementasikan dengan stream.
Berikut dideskripsikan sebuah lifecycle yang tipikal dari sebuah permintaan pembacaan blok.
1. Sebuah proses mengeluarkan sebuah blocking read system call ke sebuah file deskriptor dari berkas yang telah dibuka sebelumnya.
2. Kode system-call di kernel mengecek parameter untuk kebenaran.
3. Jika data tidak berada dalam buffer cache, sebuah physical I/O akan bekerja, sehingga proses akan dikeluarkan dari antrian jalan (run queue) dan diletakkan di antrian tunggu (wait queue) untuk alat, dan permintaan I/O pun dijadwalkan.
4. Device driver mengalokasikan ruang buffer pada kernel untuk menerima data, dan menjadwalkan I/O. Pada akhirnya, driver mengirim perintah ke device controller dengan menulis ke register device control.
5. Device controller mengoperasikan piranti keras device untuk melakukan transfer data.
6. Driver dapat menerima status dan data, atau dapat menyiapkan transfer DMA ke memori kernel. Kita mengasumsikan bahwa transfer diatur oleh sebuah DMA controller, yang meggunakan interupsi ketika transfer selesai.
7. Interrupt handler yang sesuai menerima interupsi melalui tabel vektor-interupsi, menyimpan sejumlah data yang dibutuhkan, menandai device driver, dan kembali dari interupsi.
8. Device driver menerima tanda, menganalisa permintaan I/O mana yang telah diselesaikan, menganalisa status permintaan, dan menandai subsistem I/O kernel yang permintaannya telah terselesaikan.
9. Kernel mentransfer data atau mengembalikan kode ke ruang alamat dari proses permintaan, dan memindahkan proses dari antrian tunggu kembali ke antrian siap.
10. Proses tidak diblok ketika dipindahkan ke antrian siap. Ketika penjadwal (scheduler) mengembalikan proses ke CPU, proses meneruskan eksekusi pada penyelesaian dari system call.
E. Kinerja I/O
a. Pengaruh I/O pada Kinerja
I/O sangat berpengaruh pada kinerja sebuah sistem komputer. Hal ini dikarenakan I/O sangat menyita CPU dalam pengeksekusian device driver dan penjadwalan proses, demikian sehingga alih konteks yang dihasilkan membebani CPU dan cache perangkat keras. Selain itu, I/O juga memenuhi bus memori saat mengkopi data antara controller dan physical memory, serta antara buffer pada kernel dan application space data.
b. Cara Meningkatkan Efisiensi I/O
1. Menurunkan jumlah alih konteks.
2. Mengurangi jumlah pengkopian data ke memori ketika sedang dikirimkan antara device dan aplikasi.
3. Mengurangi frekuensi interupsi, dengan menggunakan ukuran transfer yang besar, smart controller, dan polling.
4. Meningkatkan concurrency dengan controller atau channel yang mendukung DMA.
5. Memindahkan kegiatan processing ke perangkat keras, sehingga operasi kepada device controller dapat berlangsung bersamaan dengan CPU.
6. Menyeimbangkan antara kinerja CPU, memory subsystem, bus, dan I/O.
c. Implementasi Fungsi I/O
Pada dasarnya kita mengimplementasikan algoritma I/O pada level aplikasi. Hal ini dikarenakan kode aplikasi sangat fleksible, dan bugs aplikasi tidak mudah menyebabkan sebuah sistem crash. Lebih lanjut, dengan mengembangkan kode pada level aplikasi, kita akan menghindari kebutuhan untuk reboot atau reload device driver setiap kali kita mengubah kode. Implementasi pada level aplikasi juga bisa sangat tidak efisien.
Pada saat algoritma pada level aplikasi telah membuktikan keuntungannya, kita mungkin akan mengimplementasikannya di kernel. Langkah ini bisa meningkatkan kinerja tetapi perkembangannya dari kerja jadi lebih menantang, karena besarnya kernel dari sistem operasi, dan kompleksnya sistem sebuah perangkat lunak. Lebih lanjut , kita harus men-debug keseluruhan dari implementasi in-kernel untuk menghindari korupsi sebuah data dan sistem crash.
F. Struktur Disk
Disk menyediakan penyimpanan sekunder bagi sistem komputer modern. Magnetic tape sebelumnya digunakan sebagai media penyimpanan sekunder, tetapi waktu aksesnya lebih lambat dari disk.
Disk drive modern dialamatkan sebagai suatu array satu dimensi yang besar dari blok lojik, dimana blok lojik merupakan unit terkecil dari transfer. Ukuran dari blok lojik biasanya adalah 512 bytes, walau pun sejumlah disk dapat diformat di level rendah (low level formatted) untuk memilih sebuah ukuran blok lojik yang berbeda, misalnya 1024 bytes.
Dalam prakteknya, adalah sulit untuk melakukan translasi ini, dengan 2 alasan, yaitu :
1. Kebanyakan disk memiliki sejumlah sektor yang rusak, tetapi pemetaan menyembunyikan hal ini dengan mensubstitusikan dengan sektor yang dibutuhkan dari mana-mana di dalam disk.
2. Jumlah dari sektor per trek tidaklah konstan. Semakin jauh sebuah trek dari tengah disk, semakin besar panjangnya, dan juga semakin banyak sektor yang dipunyainya.
G. Penjadualan Disk
Salah satu tanggung jawab sistem operasi adalah menggunakan hardware dengan efisien. Khusus untuk disk drives, efisiensi yang dimaksudkan di sini adalah dalam hal waktu akses yang cepat dan aspek bandwidth disk. Waktu akses memiliki dua komponen utama yaitu waktu pencarian dan waktu rotasi disk.
- Waktu pencarian adalah waktu yang dibutuhkan disk arm untuk menggerakkan head ke bagian silinder disk yang mengandung sektor yang diinginkan.
- Waktu rotasi disk adalah waktu tambahan yang dibutuhkan untuk menunggu rotasi atau perputaran disk, sehingga sektor yang diinginkan dapat dibaca oleh head.
Sebagaimana kita ketahui, jika suatu proses membutuhkan pelayanan I/O dari atau menuju disk, maka proses tersebut akan melakukan system call ke sistem operasi. Permintaan tersebut membawa informasi-informasi antara lain:
1. Apakah operasi input atau output.
2. Alamat disk untuk proses tersebut.
3. Alamat memori untuk proses tersebut
4. Jumlah bytes yang akan ditransfer
Jika disk drive beserta controller tersedia untuk proses tersebut, maka proses akan dapat dilayani dengan segera. Jika ternyata disk drive dan controller tidak tersedia atau sedang sibuk melayani proses lain, maka semua permintaan yang memerlukan pelayanan disk tersebut akan diletakkan pada suatu antrian penundaan permintaan untuk disk tersebut.
a. Penjadualan FCFS
Bentuk paling sederhana dalam penjadualan disk adalah dengan sistem antrian (queue) atau First Come First Served (FCFS). Algoritma ini secara intrinsik bersifat adil, tetapi secara umum algoritma ini pada kenyataannya tidak memberikan pelayanan yang paling cepat.
b. Penjadualan SSTF
Algoritma shortest-seek-time-first (SSTF) memilih permintaan dengan berdasarkan waktu pencarian atau seek time paling minimum dari posisi head saat itu. Karena waktu pencarian meningkat seiring dengan jumlah silinder yang dilewati oleh head, maka SSTF memilih permintaan yang paling dekat posisinya di disk terhadap posisi head saat itu.
Penjadualan SSTF merupakan salah satu bentuk dari penjadualan shortest-job-first (SJF), dan karena itu maka penjadualan SSTF juga dapat mengakibatkan starvation pada suatu saat tertentu. Kita ketahui bahwa permintaan dapat datang kapan saja. Walau pun algoritma SSTF secara substansial meningkat jika dibandingkan dengan FCFS, tetapi algoritma SSTF ini tidak optimal
c. Penjadualan SCAN
Pada algoritma SCAN, pergerakan disk arm dimulai dari salah satu ujung disk, kemudian bergerak menuju ujung yang lain sambil melayani permintaan setiap kali mengunjungi masing-masing silinder Algoritma SCAN ini disebut juga algoritma lift/ elevator, karena kelakuan disk arm sama seperti elevator dalam suatu gedung, melayani dulu orang-orang yang akan naik ke atas, baru kemudian berbalik arah untuk melayani orang-orang yang ingin turun ke bawah.
Kelemahan algoritma ini adalah jika banyak permintaan terletak pada salah satu ujung disk, sedangkan permintaan yang akan dilayani sesuai arah arm disk jumlahnya sedikit atau tidak ada, maka mengapa permintaan yang banyak dan terdapat pada ujung yang berlawanan arah dengan gerakan disk arm saat itu tidak dilayani duluan? Ide ini akan mendasari algoritma penjadualan berikut yang akan kita bahas.
d. Penjadualan C-SCAN
Circular-SCAN adalah varian dari algoritma SCAN yang sengaja didesain untuk menyediakan waktu tunggu yang sama. Seperti halnya SCAN, C-SCAN akan menggerakkan head dari satu ujung disk ke ujung lainnya sambil melayani permintaan yang terdapat selama pergerakan tersebut. Tetapi pada saat head tiba pada salah satu ujung, maka head tidak berbalik arah dan melayani permintaan-permintaan, melainkan akan kembali ke ujung disk asal pergerakannya. Jika head mulai dari ujung 0, maka setelah tiba di ujung disk yang lainnya, maka head tidak akan berbalik arah menuju ujung 0, tetapi langsung bergerak ulang dari 0 ke ujung satunya lagi.
e. Penjadualan LOOK
Perhatikan bahwa SCAN dan C-SCAN menggerakkan disk arm melewati lebar seluruh disk. Pada kenyataanya algoritma ini tidak diimplementasikan demikian (pergerakan melewati lebar seluruh disk). Pada umumnya, arm disk bergerak paling jauh hanya pada permintaan terakhir pada masing-masin arah pergerakannya. Kemudian langsung berbalik arah tanpa harus menuju ujung disk. Versi SCAN dan C-SCAN yang berprilaku seperti ini disebut LOOK SCAN dan LOOK C-SCAN, karena algoritma ini melihat dulu permintaan-permintaan sebelum melanjutkan arah pergerakannya.
f. Pemilihan Algoritma Penjadualan Disk
SSTF lebih umum dan memiliki prilaku yang lazim kita temui. SCAN dan C-SCAN memperlihatkan kemampuan yang lebih baik bagi sistem yang menempatkan beban pekerjaan yang berat kepada disk, karena algoritma tersebut memiliki masalah starvation yang paling sedikit. Untuk antrian permintaan tertentu, mungkin saja kita dapat mendefinisikan urutan akses dan pengambilan data dari disk yang optimal, tapi proses komputasi membutuhkan penjadualan optimal yang tidak kita dapatkan pada SSTF atau SCAN.
Lokasi blok-blok indeks dan directory juga tidak kalah penting. Karena file harus dibuka sebelum digunakan, proses pembukaan file membutuhkan pencarian pada struktur directory, dengan demikian directory akan sering diakses. Kita anggap catatan directory berada pada awal silinder, sedangkan data file berada pada silinder terakhir. Pada kasus ini, disk head harus bergerak melewati sepanjang lebar disk.
H. Managemen Disk
a. Memformat Disk
Sebelum disk tersebut dapat menyimpan data, harus dilakukan proses low-level formatting/ physical formatting, yaitu membagi disk menjadi beberapa sektor dan mengisinya dengan struktur data tertentu (biasanya header, area data, dan trailer) agar dapat dibaca dan ditulis oleh disk controller.
Salah satu informasi yang dibutuhkan oleh disk controller adalah error-correcting code (ECC). Disebut seperti itu karena jika terdapat satu atau dua bit data yang corrupt, controller dapat mengidentifikasi bit mana yang berubah dan mengoreksi nya. Proses ini otomatis dilakukan oleh controller setiap membaca atau menulis pada disk. Low-level formatting berfungsi agar pihak manufaktur dapat mengetes disk dan menginisialisasi mapping dari lojikal nomor blok ke pendeteksi sektor kosong. Semakin besar ukuran sektor yang diformat, semakin sedikit sektor yang dapat diisi pada masing-masing track dan semakin sedikit header dan trailer yang ditulis pada setiap track. Hal ini berarti ruang yang dapat digunakan untuk data semakin besar.
b. Boot Block
Ketika pertama kali menjalankan komputer, dibutuhkan program yang sudan diinisialisasi, yaitu bootstrap. Yang diinisialisasi adalah segala aspek sistem, dari CPU register sampai device controller dan isi dari main memory, kemudian menjalankan sistem operasi. Untuk itu bootstrap mencari kernel sistem operasi pada disk, me-load-nya ke memori, dan menggunakan alamat yang telah diinisialisasi untuk mulai menjalankan sistem operasi.
Kelebihan karena ROM read-only, ia tidak dapat terkena virus. Tetapi masalah yang timbul adalah jika kita mengubah kode bootstrap berarti mengubah chip ROM juga. Untuk mengatasinya, sistem menyimpan bootstrap loader di ROM, yang hanya berfungsi untuk memasukkan seluruh program bootstrap dari disk. Boot blocks adalah suatu partisi untuk menyimpan seluruh program bootstrap. Boot disk atau system disk adalah disk yang memiliki partisi boot.
c. Bad Blocks
Bad blocks adalah satu/lebih sektor yang rusak pada suatu disk. Pada disk sederhana, bad blocks diatasi secara manual. Untuk disk yang lebih kompleks seperti disk SCSI, bad blocks diatasi dengan sector sparing atau forwarding, yaitu controller dapat mengganti sektor yang rusak dengan sebuah sektor yang terpisah. Alternatif lainnya adalah mengganti sektor tersebut dengan cara sector slipping. Mengganti blok yang rusak bukan sepenuhnya merupakan proses yang otomatis, karena data-data yang tersimpan sebelum nya akan terhapus.
I. Penanganan Swap-Space
Penanganan (management) swap-space (tempat pertukaran; tetapi karena istilah swap-space sudah umum dipakai, maka untuk seterusnya kita tetap memakai istilah swap-space) adalah salah satu dari low-level task pada sebuah sistem operasi. Memori Virtual menggunakan disk space sebagai perpanjangan (atau space tambahan) dari memori utama. Karena kecepatan akses disk lebih lambat daripada kecepatan akses memori, menggunakan swap-space akan mengurangi performa sistem secara signifikan. Tujuan utama dari perancangan dan implementasi swap-space adalah untuk menghasilkan kinerja memori virtual yang optimal.
a. Penggunaan Swap-Space
Penggunaan swap-space pada berbagai macam sistem operasi berbeda-beda, tergantung pada algoritma memory management yang diimplementasikan. Swap-space ini biasanya disimpan dalam beberapa disk yang terpisah, jadi beban yang diterima oleh sistem I/O dari paging dan swapping bisa didistribusikan ke berbagai I/O device pada sistem.
Harap dicatat bahwa menyediakan swap-space yang berlebih lebih aman daripada kekurangan swap-space, karena bila kekurangan maka ada kemungkinan sistem terpaksa menghentikan sebuah atau lebih proses atau bahkan membuat sistem menjadi crash. Swap-space yang berlebih memang membuang disk space yang sebenarnya bisa digunakan untuk menyimpan berkas ( file), tapi setidaknya tidak menimbulkan resiko yang lain.
b. Lokasi Swap-Space
Ada dua tempat dimana swap-space bisa berada: swap-space bisa diletakkan pada partisi yang sama dengan sistem operasi, atau pada partisi yang berbeda. Apabila swap-space yang dipakai hanya berupa sebuah berkas yang besar di dalam sistem berkas, maka sistem berkas yang dipakai bisa digunakan untuk membuat, menamakan, dan mengalokasikan tempat swap-space. Maka dari itu, pendekatan seperti ini mudah untuk diimplementasikan. Sayangnya, juga tidak efisien.
Metode yang lebih umum adalah untuk membuat swap-space di partisi yang terpisah. Tidak ada sistem file atau struktur direktori di dalam partisi ini. Justru sebuah swap-space storage manager yang terpisah digunakan untuk mengalokasikan dan melepaskan blok-blok yang digunakan. Manager ini menggunakan algoritma yang dioptimalkan untuk kecepatan, daripada efisiensi tempat. Fragmentasi internal mungkin akan meningkat, tetapi ini bisa diterima karena data dalam swap-space biasanya umurnya lebih singkat daripada data-data di sistem file, dan swap area-nya diakses lebih sering.
c. Pengelolaan Swap-Space
Untuk mengilustrasikan metode-metode yang digunakan untuk mengelola swap-space, kita sekarang akan mengikuti evolusi dari swapping dan paging pada GNU/ Linux. GNU/ Linux memulai dengan implemen tasi swapping yang menyalin seluruh proses antara daerah disk yang contiguous (tidak terputus) dan memori. UNIX berevolusi menjadi kombinasi dari swapping dan paging dengan tersedianya hardware untuk paging.
Dua peta swap untuk setiap proses digunakan oleh kernel untuk melacak penggunaan swap-space. Segmen teks besarnya tetap, maka swap space yang dialokasikan sebesar 512K setiap potong (chunks), kecuali untuk potongan terakhir, yang menyimpan sisa halaman-halaman (pages) tadi, dengan kenaikan (increments) sebesar 1K. Peta swap dari Segmen data lebih rumit, karena segmen data bisa mem besar setiap saat.
Pada Solaris 1 (SunOS 4), para pembuatnya membuat perubahan pada metode standar UNIX untuk meningkatkan efisiensi dan untuk mencermin kan perubahan teknologi. Ketika sebuah proses berjalan, halaman-hala man (pages) dari segmen teks dibawa kembali dari sistem berkas, diak ses di memori utama, dan dibuang bila diputuskan untuk di-pageout. Akan lebih efisien untuk membaca ulang sebuah halaman (page) dari sistem berkas daripada menaruhnya di swap-space dan membacanya ulang dari sana.
J. Kehandalan Disk
Disk memiliki resiko untuk mengalami kerusakan. Kerusakan ini dapat berakibat turunnya performa atau pun hilangnya data. Meski pun terdapat backup data, tetap saja ada kemungkinan data yang hilang karena adanya perubahan setelah terakhir kali data di-backup. Karenanya reliabilitas dari suatu disk harus dapat terus ditingkatkan.
Berikut adalah beberapa macam penyebab terjadinya hilangnya data:
1. Ketidaksengajaan dalam menghapus.
2. Hilangnya tenaga listrik
3. Blok rusak pada disk.
4. Rusaknya Disk.
5. System Corrupt.
Ketika komputer sedang dijalankan, bisa saja terjadi OS error, program error, dan lain sebagainya. Hal ini tentu saja dapat menyebabkan hilangnya data.
Ketika mengirim data disk-disk tersebut bekerja secara pararel. Ditambah dengan sinkronisasi pada rotasi masing-masing disk, maka kinerja dari disk dapat ditingkatkan. Cara ini dikenal sebagai RAID (Redundant Array of Independent Disks). Selain masalah kinerja RAID juga dapat meningkatkan reabilitas dari disk dengan jalan melakukan redundansi data.
Salah satu cara yang digunakan pada RAID adalah dengan mirroring atau shadowing, yaitu dengan membuat duplikasi dari tiap-tiap disk. Pada cara ini, berarti diperlukan media penyimpanan yang dua kali lebih besar daripada ukuran data sebenarnya. Akan tetapi, dengan cara ini pengaksesan disk yang dilakukan untuk membaca dapat ditingkatkan dua kali lipat. Hal ini dikarenakan setengah dari permintaan membaca dapat dikirim ke masing-masing disk. Cara lain yang digunakan pada RAID adalah block interleaved parity. Pada cara ini, digunakan sebagian kecil dari disk untuk penyimpanan parity block.
K. Implementasi Stable-Storage
Untuk mengimplementasikan informasi yang berada di dalam stable storage tidak akan pernah hilang, kita perlu mereplikasi informasi yang dibutuhkan ke banyak peralatan storage (biasanya disk-disk) dengan failure modes yang independen.
Sebuah disk write menyebabkan satu dari tiga kemungkinan:
1. Successful completion, yaitu : data disimpan dengan benar di dalam disk.
2. Partial failure, yaitu : kegagalan terjadi di tengah-tengah transfer, menyebabkan terjadi kegagalan menjadi rusak.
3. Total failure, yaitu : kegagalan terjadi sebelum disk write dimulai, jadi data yang sebe lumnya ada pada disk masih tetap ada.
Untuk melakukan restore blok ke sebuah keadaan yang konsisten, sistem harus menangani dua blok physical untuk setiap blok logical. Sebuah operasi output dieksekusi seperti berikut:
1. Tulis informasinya ke blok physical yang pertama.
2. Ketika penulisan pertama berhasil, tulis informasi yang sama ke blok physical yang kedua.
3. Operasi dikatakan berhasil hanya jika penulisan kedua berhasil.
Pada saat recovery dari sebuah kegagalan, setiap pasang blok physical diperiksa. Jika keduanya sama dan tidak terdeteksi adanya kesalahan, tetapi berbeda dalam isi, maka kita mengganti isi dari blok yang pertama dengan isi dari blok yang kedua. Prosedur recovery seperti ini memastikan bahwa sebuah penulisan ke stable storage akan sukses atau tidak ada perubahan sama sekali.
L. Tertiary-Storage Structure
Ciri-ciri Tertiary-Storage Structure:
• Biaya produksi lebih murah.
• Menggunakan removable media.
• Data yang disimpan bersifat permanen.
a. Macam-macam Tertiary-Strorage Structure
1. Floppy Disk
2. Magneto-optic disk
Magneto-optic Disk adalah Piringan optic yang keras dilapisi oleh material yang bersifat magnet, kemudian dilapisi pelindung dari plastik atau kaca yang berfungsi untuk menahan head yang hancur. Drive ini mempunyai medan magnet. Pada suhu kamar, medan magnet terlalu kuat dan terlalu lemah untuk memagnetkan satu bit ke disk. Magneto-optic disk head berjarak lebih jauh dari permukaan disk daripada magnetic disk head. Walau pun demikian, drive tetap dapat membaca bit, yaitu dengan bantuan sinar laser (disebut Kerr effect).
3. Optical Disk
Disk ini tidak menggunakan sifat magnet, tetapi menggunakan bahan khusus yang dimodifikasi menggunakan sinar laser. Setelah dimodifikasi dengan dengan sinar laser pada disk akan terdapat spot yang gelap atau terang. Spot ini menyimpan satu bit.
Optical-disk teknologi terbagi atas:
1. Phase-change disk, dilapisi oleh material yang dapat membeku menjadi crystalline atau amorphous state. Kedua state ini memantulkan sinar laser dengan kekuatan yang berbeda.
2. Dye-polimer disk, merekam data dengan membuat bump. Disk dilapisi plastik yang mengandung dye yang dapat menyerap sinar laser.
4. WORM Disk (Write Once, Read Many Times)
WORM adalah Aluminium film yang tipis dilapisi oleh piringan plastik atau kaca pada bagian atas dan bawahnya. Hole ini tidak dapat diubah seperti sebelumnya. Disk hanya dapat ditulis sekali.
Ciri-cirinya :
• Data hanya dapat ditulis sekali.
• Data lebih tahan lama dan dapat dipercaya.
• Read Only disk, seperti CD-ROM dan DVD yang berasal dari pabrik sudah berisi data.
5. Tapes
Random access tape lebih lambat daripada disk karena tape menggunakan operasi forward dan rewind. Pemasangan tape yang besar menggunakan robotic tape changers. robotic tape changers memindahkan beberapa tape antara beberapa tape drive dan beberapa slot penyimpanan yang berada di dalam tape library. library yang menyimpan beberapa tape disebut tape stacker. library yang menyimpan ribuan tape disebut tape silo.
Robotic tape library mengurangi biaya penyimpanan data. File yang ada di disk dapat dipindahkan ke tape dengan tujuan mengurangi biaya penyimpanan. Apabila file itu ingin digunakan, maka komputer akan memindahkan file tadi ke disk.
b. Masalah-Masalah yang Berkaitan Dengan Sistem Operasi
1. Tugas terpenting dari sistem operasi adalah mengatur physical devices dan menampilkan abstarksi mesin virtual dari aplikasi (Interface aplikasi).
2. Untuk hardisk, OS menyediakan dua abstaksi, yaitu:
• Raw device = array dari beberapa data blok.
• File sistem = sistem operasi mengantrikan dan menjadwalkan beberapa permintaan interleaved yang berasal dari beberapa aplikasi.
c. Interface Aplikasi
Kebanyakan sistem operasi menangani removable media hampir sama dengan fixed disk, yaitu cartridge di format dan dibuat file sistem yang kosong pada disk. Tapes ditampilkan sebagai media raw storage dan aplikasi tidak membuka file pada tape, tetapi tapes dibuka kesemuanya sebagai raw device. Penggunaan khusus ini dikarenakan random access tape membutuhkan waktu yang lama. Jadi, interleaving random access oleh tape oleh beberapa aplikasi akan menyebabkan thrashing.
Operasi dasar tape drive berbeda dengan operasi dasar disk drive. Contoh operasi dasar tape drive:
• Operasi locate berfungsi untuk menetapkan posisi tape head ke sebuah logical blok. Operasi ini mirip operasi yang ada di disk, yaitu: operasi seek. Operasi seek berfungsi untuk menetapkan posisi semua track.
• Operasi read position berfungsi memberitahu posisi tape head dengan menunjukkan nomor logical blok.
• Operasi space berfungsi memindahkan posisi tape head. Misalnya operasi space -2 akan memindahkan posisi tape head sejauh dua blok ke belakang.
Kapasitas blok ditentukan pada saat blok ditulis. Apabila terdapat area yang rusak pada saat blok ditulis, maka area yang rusak itu tidak dipakai dan penulisan blok dilanjutkan setelah daerah yang rusak tersebut. Tape drive "append-only" devices, maksudnya adalah apabila kita meng-update blok yang ada di tengah berarti kita akan menghapus semua data sebelumnya pada blok tersebut. Oleh karena itu, meng-update blok tidak diperbolehkan.
d. Penamaan Berkas
Menamakan berkas pada removable media cukup sulit terutama pada saat kita menulis data pada removable cartridge pada suatu komputer, kemudian menggunakan cartridge ini pada komputer yang lain. Jika jenis komputer yang digunakan sama dan jenis cartridge yang digunakan sama, maka permasalahannya adalah mengetahui isi dan data layout dari cartridge. Tetapi, bila jenis komputer yang digunakan dan jenis drive yang digunakan berbeda, maka berbagai masalah akan muncul. Apabila hanya 196jenis drive yang digunakan sama, komputer yang berbeda menyimpan bytes dengan berbagai cara dan juga menggunakan encoding yang berbeda untuk binary number atau huruf.
e. Managemen Penyimpanan Hirarkis
Managemen Penyimpanan Hirarkis (Hierachical Storage management) menjelaskan storage hierarchy antara primary memory dan secondary storage untuk membentuk tertiary storage. Tertiary storage biasanya diimplementasikan sebagai jukebox dari tapes atau removable media. Walau pun tertiary storage dapat mempergunakan sistem virtual-memory, cara ini tidak baik. Karena pengambilan data dari jukebox membutuhkan waktu yang agak lama. Selain itu diperlukan waktu yang agak lama untuk demand paging dan untuk bentuk lain dari penggunaan virtual-memory.
BAB III
PENUTUP
Kesimpulan
Dari uraian materi – materi diatas dapat disimpulkan bahwa :
A. I/O
Dasar dari elemen perangkat keras yang terkandung pada I/O adalah bus, device controller, dan I/O itu sendiri. Kinerja kerja pada data yang bergerak antara device dan memori utama di jalankan oleh CPU, diprogram oleh I/O atau mungkin DMA controller. Modul kernel yang mengatur device adalah device driver. System-call interface yang disediakan aplikasi dirancang untuk menghandle beberapa dasar kategori dari perangkat keras, termasuk block devices, character devices, memory mapped files, network sockets dan programmed interval timers.
Subsistem I/O kernel menyediakan beberapa servis. Diantaranya adalah I/O schedulling, buffering, spooling, error handling dan device reservation. Salah satu servis dinamakan translation, untuk membuat koneksi antara perangkat keras dan nama file yang digunakan oleh aplikasi. I/O system calls banyak dipakai oleh CPU, dikarenakan oleh banyaknya lapisan dari perangkat lunak antara physical device dan aplikasi. Lapisan ini mengimplikasikan overhead dari alih konteks untuk melewati kernel’s protection boundary, dari sinyal dan interrupt handling untuk melayani I/O devices.
B. Disk
Disk drives adalah major secondary-storage I/O device pada kebanyakan komputer. Permintaan untukdisk I/O digenerate oleh sistem file dan sistem virtual memori. Setiap permintaan menspesifikasikanalamat pada disk untuk dapat direferensikan pada form di logical block number.Algoritma disk schedulling dapat meningkatkan efektifitas bandwith, average response time, danvariance response time. Algoritma seperti SSTF, SCAN, C-SCAN, LOOK dan C-LOOK didesain untukmembuat perkembangan dengan menyusun ulang antrian disk untuk meningkatkan total waktupencarian.
Kinerja dapat rusak karena external fragmentation. Satu cara untuk menyusun ulang disk untukmengurangi fragmentasi adalah untuk back up dan restore seluruh disk atau partisi. Blok-blok dibacadari lokasi yang tersebar, me-restore tulisan mereka secara berbeda. Beberapa sistem mempunyaikemampuan untuk men-scan sistem file untuk mengidentifikasi file terfragmentasi, lalu menggerakan blok-blok mengelilingi untuk meningkatkan fragmentasi. Men-defragmentasi file yang sudah difragmentasi (tetapi hasilnya kurang optimal) dapat secara signifikan meningkatkan kinerja, tetapi system ini secara umum kurang berguna selama proses defragmentasi sedang berjalan. Sistem operasi me-manage blok-blok pada disk. Pertama, disk baru di format secara low level untuk menciptakan sektor pada perangkat keras yang masih belum digunakan. Lalu, disk dapat di partisi dan sistem file diciptakan, dan blok-blok boot dapat dialokasikan. Terakhir jika ada blok yang terkorupsi, sistem harus mempunyai cara untuk me-lock out blok tersebut, atau menggantikannya dengan cadangan.
Tertiary storage di bangun dari disk dan tape drives yang menggunakan media yang dapat dipindahkan.Contoh dari tertiary storage adalah magnetic tape, removable magnetic, dan magneto-optic disk.Untuk removable disk, sistem operasi secara general menyediakan servis penuh dari sistem file interface, termasuk space management dan request-queue schedulling. Untuk tape, sistem operasi secara general hanya menyediakan interface yang baru. Banyak sistem operasi yang tidak memiliki built-in support untuk jukeboxes. Jukebox support dapat disediakan oleh device driver.
Daftar Pustaka
Gabungan Kelompok Kerja 21–28 IKI-20230 Semester Genap 2002/2003, Sistem Operas. 2003
Sistem operasi merupakan sebuah penghubung antara pengguna dari komputer dengan perangkat keras komputer. Sebelum ada sistem operasi, orang hanya mengunakan komputer dengan menggunakan sinyal analog dan sinyal digital. Seiring dengan berkembangnya pengetahuan dan teknologi, pada saat ini terdapat berbagai sistem operasi dengan keunggulan masing-masing. Untuk lebih memahami sistem operasi maka sebaiknya perlu diketahui terlebih dahulu beberapa konsep dasar mengenai sistem operasi itu sendiri.
Pengertian sistem operasi secara umum ialah pengelola seluruh sumber-daya yang terdapat pada sistem komputer dan menyediakan sekumpulan layanan (system calls) ke pemakai sehingga memudahkan dan menyamankan penggunaan serta pemanfaatan sumber-daya sistem komputer.
Makalah ini akan membahas tentang I/O dan Disk dimana materi – materi nya adala perangkat keras I/O, interface Aplikasi I/O, Kernel I/O Subsystem, Penanganan Permintaan I/O, Kinerja I/O, Struktur Disk, Penjadualan Disk, Managemen Disk, Penanganan Swap-Space, Kehandalan Disk, Implementasi Stable-Storage, Tertiary-Storage Structure. Materi ini akan dibahas satu persatu dalam makalah ini.
Dalam penyusunan makalah I/O dan Disk ini, masih banyak kekurangan – kekurangan yang masih perlu disempurnakan lagi sehingga dalam penyusunannya perlu ada bimbingan atau tanggapan dari dosen pengampu atau teman-teman sekalian guna penyempurnaan makalah ini.
BAB II
PEMBAHASAN
I/O dan Disk
A. Perangkat Keras I/O
Secara umum, terdapat beberapa jenis seperti device penyimpanan (disk, tape), transmission device (network card, modem), dan human-interface device (screen, keyboard, mouse). Device tersebut dikendalikan oleh instruksi I/O. Alamat-alamat yang dimiliki oleh device akan digunakan oleh direct I/O instruction dan memory-mapped I/O.
Beberapa konsep yang umum digunakan ialah port, bus (daisy chain/ shared direct access), dan controller (host adapter).
Langkah yang ditentukan untuk device adalah command-ready, busy, dan error. Host mengeset command-ready ketika perintah telah siap untuk dieksekusi oleh controller. Controller mengeset busy ketika sedang mengerjakan sesuatu, dan men clear busy ketika telah siap untuk menerima perintah selanjutnya. Error diset ketika terjadi kesalahan.
1. Polling
Busy-waiting / polling adalah ketika host mengalami looping yaitu membaca status register secara terus-menerus sampai status busy di-clear. Akan tetapi polling menjadi tidak efisien ketika setelah berulang-ulang melakukan looping, hanya menemukan sedikit device yang siap untuk men-service, karena CPU processing yang tersisa belum selesai.
2. Interupsi
a. Mekanisme Dasar Interupsi
Ketika CPU mendeteksi bahwa sebuah controller telah mengirimkan sebuah sinyal ke interrupt request line (membangkitkan sebuah interupsi), CPU kemudian menjawab interupsi tersebut (juga disebut menangkap interupsi) dengan menyimpan beberapa informasi mengenai state terkini CPU.
b. Fitur Tambahan pada Komputer Modern
Pada arsitektur komputer modern, tiga fitur disediakan oleh CPU dan interrupt controller (pada perangkat keras) untuk dapat menangani interrupsi dengan lebih bagus.
c. Interrupt Request Line
Pada peranti keras CPU terdapat kabel yang disebut interrupt request line, kebanyakan CPU memiliki dua macam interrupt request line, yaitu nonmaskable interrupt dan maskable interrupt.
d. Interrupt Vector dan Interrupt Chaining
Kebanyakan arsitektur komputer yang ada sekarang ini, alamat interrupt handling routine biasanya berupa sekumpulan bilangan yang menyatakan offset pada sebuah tabel (biasa disebut interrupt vector). Keuntungan dari pemakaian vektor adalah untuk mengurangi kebutuhan akan sebuah interrupt handler yang harus mencari semua kemungkinan sumber interupsi untuk menemukan pengirim interupsi.
e. Penyebab Interupsi
Interupsi dapat disebabkan berbagai hal, antara lain exception, page fault, interupsi yang dikirimkan oleh device controllers, dan system call Exception adalah suatu kondisi dimana terjadi sesuatu/ dari sebuah operasi didapat hasil tertentu yang dianggap khusus sehingga harus mendapat perhatian lebih.
3. DMA
a. Definisi
DMA adalah sebuah prosesor khusus (special purpose processor) yang guna menghindari pembebanan CPU utama oleh program I/O (PIO).
b. Transfer DMA
Tiga langkah dalam transfer DMA:
1. Menyiapkan Prosesor DMA transfer dengan menyedia kan data-data dari device, operasi yang akan ditampilkan, alamat memori yang menjadi sumber dan tujuan data, dan banyaknya byte yang di transfer.
2. DMA controller memulai operasi (menyiapkan bus, menyediakan alamat, menulis dan membaca data), sampai seluruh blok sudah di transfer.
3. DMA controller meng-interupsi prosesor, dimana selanjutnya akan ditentukan tindakan berikutnya.
Pada dasarnya, DMA mempunyai dua metode yang berbeda dalam mentransfer data, yaitu:Metode yang pertama adalah metode yang sangat baku dan simple disebut HALT, atau Burst Mode DMA, karena DMA controller memegang kontrol dari sistem bus dan mentransfer semua blok data ke atau dari memori pada single burst.
Metode yang kedua, mengikut-sertakan DMA controller untuk memegang kontrol dari sistem bus untuk jangka waktu yang lebih pendek pada periode dimana mikroprosessor sibuk dengan operasi internal dan tidak membutuhkan akses ke sistem bus.
c. Handshaking
Proses handshaking antara DMA controller dan device controller dilakukan melalui sepasang kabel yang disebut DMA-request dan DMA-acknowledge. Device controller mengirimkan sinyal melalui DMA-request ketika akan mentransfer data sebanyak satu word.
Hal ini berlangsung berulang-ulang sehingga disebut handshaking. Pada saat DMA controller mengambil alih memori, CPU sementara tidak dapat mengakses memori (dihalangi), walau pun masih dapat mengaksees data pada cache primer dan sekunder. Hal ini disebut cycle stealing, yang walau pun memperlambat komputasi CPU, tidak menurunkan kinerja karena memindahkan pekerjaan data transfer ke DMA controller meningkatkan performa sistem secara keseluruhan.
d. Cara-cara Implementasi DMA
Dalam pelaksanaannya, beberapa komputer menggunakan memori fisik untuk proses DMA , sedangkan jenis komputer lain menggunakan alamat virtual dengan melalui tahap "penerjemahan" dari alamat memori virtual menjadi alamat memori fisik, hal ini disebut direct virtual-memory address atau DVMA. Keuntungan dari DVMA adalah dapat mendukung transfer antara dua memory mapped device tanpa intervensi CPU.
B. Interface Aplikasi I/O
Interface aplikasi I/O adalah suatu aplikasi yang dapat membedakan jenis disk apa yang akan diaksesnya dan dapat mempermudah pengaksesan pada peralatan I/O.
Interface aplikasi I/O melibatkan abstraksi, enkapsulasi, dan software layering. Dengan membagi-bagi detail peralatan-peralatan I/O ke dalam kelas-kelas yang lebih umum ini, maka akan lebih mudah untuk membuat fungsi-fungsi standar (interface) untuk mengaksesnya. Pada masing-masing peralatan I/O, device driver berfungsi untuk enkapsulasi perbedaan-perbedaan yang ada dari masing-masing anggota kelas-kelas yang umum. Tujuan dari adanya lapisan device driver ini adalah untuk menyembunyikan perbedaan-perbedaan yang ada pada device controller dari subsistem I/O pada kernel.
a. Peralatan Block dan Karakter
Peralatan block diharapkan dapat memenuhi kebutuhan akses pada berbagai macam disk drive dan juga peralatan block lainnya. Block device diharapkan dapat memenuhi/mengerti perintah baca, tulis dan juga perintah pencarian data pada peralatan yang memiliki sifat random-access.
b. Peralatan Jaringan
Karena adanya perbedaan dalam kinerja dan pengalamatan dari jaringan I/O, maka biasanya sistem operasi memiliki interface I/O yang berbeda dari baca, tulis dan pencarian pada disk. Salah satu yang banyak digunakan pada sistem operasi adalah interface socket.
c. Jam dan Timer
System call untuk pemanggilan fungsi ini tidak di-standarisasi antar sistem operasi Hardware yang mengukur waktu dan melakukan operasi trigger dinamakan programmable interval timer. Dia dapat di set untuk menunggu waktu tertentu dan kemudian melakukan interupsi.
d. Blocking dan Nonblocking I/O
Ketika suatu aplikasi menggunakan sebuah blocking system call, eksekusi aplikasi itu akan diberhentikan untuk sementara. aplikasi tersebut akan dipindahkan ke wait queue. Dan setelah system call tersebut selesai, aplikasi tersebut dikembalikan ke run queue, sehingga pengeksekusian aplikasi tersebut akan dilanjutkan. Physical action dari peralatan I/O biasanya bersifat asynchronous. Akan tetapi, banyak sistem operasi yang bersifat blocking, hal ini terjadi karena blocking application lebih mudah dimengerti dari pada nonblocking application.
C. Kernel I/O Subsystem
Kernel menyediakan banyak service yang berhubungan dengan I/O. Pada bagian ini, kita akan mendeskripsikan beberapa service yang disediakan oleh kernel I/O subsystem, dan kita akan membahas bagaimana caranya membuat infrastruktur hardware dan device-driver. Service yang akan kita bahas adalah I/O scheduling, buffering, caching, spooling, reservasi device, error handling.
a. I/O Scheduling
Scheduling dapat meningkatkan kemampuan sistem secara keseluruhan, dapat membagi device secara rata di antara proses-proses, dan dapat mengurangi waktu tunggu rata-rata untuk menyelesaikan I/O.
Satu cara untuk meningkatkan efisiensi I/O subsistem dari sebuah komputer adalah dengan mengatur operasi I/O. Cara lain adalah dengan menggunakan tempat penyimpanan pada memori utama atau pada disk, melalui teknik yang disebut buffering, caching, dan spooling.
b. Buffering
Buffer adalah area memori yang menyimpan data ketika mereka sedang dipindahkan antara dua device atau antara device dan aplikasi.
Buffering dilakukan untuk tiga buah alasan, yaitu :
1. untuk men-cope dengan kesalahan yang terjadi karena perbedaan kecepatan antara produsen dengan konsumen dari sebuah stream data.
2. untuk menyesuaikan device-device yang mempunyai perbedaan dalam ukuran transfer data.
3. untuk buffering adalah untuk mendukung copy semantics untuk aplikasi I/O.
c. Caching
Sebuah cache adalah daerah memori yang cepat yang berisikan data kopian. Akses ke sebuah kopian yang di-cached lebih efisien daripada akses ke data asli. Perbedaan antara sebuah buffer dan ache adalah buffer dapat menyimpan satu-satunya informasi datanya sedangkan sebuah cache secara definisi hanya menyimpan sebuah data dari sebuah tempat untuk dapat diakses lebih cepat.
d. Spooling dan Reservasi Device
Sebuah spool adalah sebuah buffer yang menyimpan output untuk sebuah device, seperti printer, yang tidak dapat menerima interleaved data streams. Walau pun printer hanya dapat melayani satu pekerjaan pada waktu yang sama, beberapa aplikasi dapat meminta printer untuk mencetak, tanpa harus mendapatkan hasil output mereka tercetak secara bercampur. Spooling merupakan salah satu cara untuk mengatasi masalah ini. Cara lain adalah dengan membagi koordinasi untuk multiple concurrent ini.
e. Error Handling
Sebuah sistem operasi yang menggunakan protected memory dapat menjaga banyak kemungkinan error akibat hardware mau pun aplikasi. Devices dan transfer I/O dapat gagal dalam banyak cara, bisa karena alasan transient, seperti overloaded pada network, mau pun alasan permanen (kerusakan pada disk controller). Akan tetapi untuk kesalahan permanent, sistem operasi pada umumnya tidak akan bisa mengembalikan situasi seperti semula. Sebuah ketentuan umum, yaitu sebuah sistem I/O akan mengembalikan satu bit informasi tentang status panggilan tersebut, yang akan menandakan apakah proses tersebut berhasil atau gagal.
f. Kernel Data Structure
Kernel membutuhkan informasi state tentang penggunakan komponen I/O. Kernel menggunakan banyak struktur yang mirip untuk melacak koneksi jaringan, komunikasi karakter-device, dan aktivitas I/O lainnya. Untuk memproses citra, cukup perlu untuk mengkopi data ke dalam memori. UNIX mengkapsulasikan perbedaan-perbedaan ini di dalam struktur yang uniform dengan menggunakan teknik object oriented.
Beberapa sistem operasi bahkan menggunakan metode object oriented secara lebih extensif. Subsistem I/O mengkoordinasi kumpulan-kumpulan service yang banyak sekali, yang tersedia dari aplikasi mau pun bagian lain dari kernel. Subsistem I/O mengawasi:
1. Manajemen nama untuk file dan device.
2. Kontrol akses untuk file dan device.
3. Kontrol operasi, contoh: model yang tidak dapat dikenali.
4. Alokasi tempat sistem file.
5. Alokasi device.
6. Buffering, caching, spooling.
7. I/O scheduling
8. Mengawasi status device, error handling, & kesalahan dalam recovery.
9. Konfigurasi dan utilisasi driver device.
D. Penanganan Permintaan I/O
Di bagian sebelumnya, kita mendeskripsikan handshaking antara device driver dan device controller, tapi kita tidak menjelaskan bagaimana Sistem Operasi menyambungkan permintaan aplikasi untuk menyiapkan jaringan menuju sektor disk yang spesifik.
UNIX Sistem V mempunyai mekanisme yang menarik, yang disebut streams, yang membolehkan aplikasi untuk men-assemble pipeline dari kode driver secara dinamis. Sebuah stream adalah sebuah koneksi full duplex antara sebuah device driver dan sebuah proses user-level. Stream terdiri atas sebuah stream head yang merupakan antarmuka dengan user process, sebuah driver end yang mengontrol device, dan nol atau lebih stream modules diantara mereka. Stream dapat digunakan untuk interproses dan komunikasi jaringan. Faktanya, di Sistem V, mekanisme soket diimplementasikan dengan stream.
Berikut dideskripsikan sebuah lifecycle yang tipikal dari sebuah permintaan pembacaan blok.
1. Sebuah proses mengeluarkan sebuah blocking read system call ke sebuah file deskriptor dari berkas yang telah dibuka sebelumnya.
2. Kode system-call di kernel mengecek parameter untuk kebenaran.
3. Jika data tidak berada dalam buffer cache, sebuah physical I/O akan bekerja, sehingga proses akan dikeluarkan dari antrian jalan (run queue) dan diletakkan di antrian tunggu (wait queue) untuk alat, dan permintaan I/O pun dijadwalkan.
4. Device driver mengalokasikan ruang buffer pada kernel untuk menerima data, dan menjadwalkan I/O. Pada akhirnya, driver mengirim perintah ke device controller dengan menulis ke register device control.
5. Device controller mengoperasikan piranti keras device untuk melakukan transfer data.
6. Driver dapat menerima status dan data, atau dapat menyiapkan transfer DMA ke memori kernel. Kita mengasumsikan bahwa transfer diatur oleh sebuah DMA controller, yang meggunakan interupsi ketika transfer selesai.
7. Interrupt handler yang sesuai menerima interupsi melalui tabel vektor-interupsi, menyimpan sejumlah data yang dibutuhkan, menandai device driver, dan kembali dari interupsi.
8. Device driver menerima tanda, menganalisa permintaan I/O mana yang telah diselesaikan, menganalisa status permintaan, dan menandai subsistem I/O kernel yang permintaannya telah terselesaikan.
9. Kernel mentransfer data atau mengembalikan kode ke ruang alamat dari proses permintaan, dan memindahkan proses dari antrian tunggu kembali ke antrian siap.
10. Proses tidak diblok ketika dipindahkan ke antrian siap. Ketika penjadwal (scheduler) mengembalikan proses ke CPU, proses meneruskan eksekusi pada penyelesaian dari system call.
E. Kinerja I/O
a. Pengaruh I/O pada Kinerja
I/O sangat berpengaruh pada kinerja sebuah sistem komputer. Hal ini dikarenakan I/O sangat menyita CPU dalam pengeksekusian device driver dan penjadwalan proses, demikian sehingga alih konteks yang dihasilkan membebani CPU dan cache perangkat keras. Selain itu, I/O juga memenuhi bus memori saat mengkopi data antara controller dan physical memory, serta antara buffer pada kernel dan application space data.
b. Cara Meningkatkan Efisiensi I/O
1. Menurunkan jumlah alih konteks.
2. Mengurangi jumlah pengkopian data ke memori ketika sedang dikirimkan antara device dan aplikasi.
3. Mengurangi frekuensi interupsi, dengan menggunakan ukuran transfer yang besar, smart controller, dan polling.
4. Meningkatkan concurrency dengan controller atau channel yang mendukung DMA.
5. Memindahkan kegiatan processing ke perangkat keras, sehingga operasi kepada device controller dapat berlangsung bersamaan dengan CPU.
6. Menyeimbangkan antara kinerja CPU, memory subsystem, bus, dan I/O.
c. Implementasi Fungsi I/O
Pada dasarnya kita mengimplementasikan algoritma I/O pada level aplikasi. Hal ini dikarenakan kode aplikasi sangat fleksible, dan bugs aplikasi tidak mudah menyebabkan sebuah sistem crash. Lebih lanjut, dengan mengembangkan kode pada level aplikasi, kita akan menghindari kebutuhan untuk reboot atau reload device driver setiap kali kita mengubah kode. Implementasi pada level aplikasi juga bisa sangat tidak efisien.
Pada saat algoritma pada level aplikasi telah membuktikan keuntungannya, kita mungkin akan mengimplementasikannya di kernel. Langkah ini bisa meningkatkan kinerja tetapi perkembangannya dari kerja jadi lebih menantang, karena besarnya kernel dari sistem operasi, dan kompleksnya sistem sebuah perangkat lunak. Lebih lanjut , kita harus men-debug keseluruhan dari implementasi in-kernel untuk menghindari korupsi sebuah data dan sistem crash.
F. Struktur Disk
Disk menyediakan penyimpanan sekunder bagi sistem komputer modern. Magnetic tape sebelumnya digunakan sebagai media penyimpanan sekunder, tetapi waktu aksesnya lebih lambat dari disk.
Disk drive modern dialamatkan sebagai suatu array satu dimensi yang besar dari blok lojik, dimana blok lojik merupakan unit terkecil dari transfer. Ukuran dari blok lojik biasanya adalah 512 bytes, walau pun sejumlah disk dapat diformat di level rendah (low level formatted) untuk memilih sebuah ukuran blok lojik yang berbeda, misalnya 1024 bytes.
Dalam prakteknya, adalah sulit untuk melakukan translasi ini, dengan 2 alasan, yaitu :
1. Kebanyakan disk memiliki sejumlah sektor yang rusak, tetapi pemetaan menyembunyikan hal ini dengan mensubstitusikan dengan sektor yang dibutuhkan dari mana-mana di dalam disk.
2. Jumlah dari sektor per trek tidaklah konstan. Semakin jauh sebuah trek dari tengah disk, semakin besar panjangnya, dan juga semakin banyak sektor yang dipunyainya.
G. Penjadualan Disk
Salah satu tanggung jawab sistem operasi adalah menggunakan hardware dengan efisien. Khusus untuk disk drives, efisiensi yang dimaksudkan di sini adalah dalam hal waktu akses yang cepat dan aspek bandwidth disk. Waktu akses memiliki dua komponen utama yaitu waktu pencarian dan waktu rotasi disk.
- Waktu pencarian adalah waktu yang dibutuhkan disk arm untuk menggerakkan head ke bagian silinder disk yang mengandung sektor yang diinginkan.
- Waktu rotasi disk adalah waktu tambahan yang dibutuhkan untuk menunggu rotasi atau perputaran disk, sehingga sektor yang diinginkan dapat dibaca oleh head.
Sebagaimana kita ketahui, jika suatu proses membutuhkan pelayanan I/O dari atau menuju disk, maka proses tersebut akan melakukan system call ke sistem operasi. Permintaan tersebut membawa informasi-informasi antara lain:
1. Apakah operasi input atau output.
2. Alamat disk untuk proses tersebut.
3. Alamat memori untuk proses tersebut
4. Jumlah bytes yang akan ditransfer
Jika disk drive beserta controller tersedia untuk proses tersebut, maka proses akan dapat dilayani dengan segera. Jika ternyata disk drive dan controller tidak tersedia atau sedang sibuk melayani proses lain, maka semua permintaan yang memerlukan pelayanan disk tersebut akan diletakkan pada suatu antrian penundaan permintaan untuk disk tersebut.
a. Penjadualan FCFS
Bentuk paling sederhana dalam penjadualan disk adalah dengan sistem antrian (queue) atau First Come First Served (FCFS). Algoritma ini secara intrinsik bersifat adil, tetapi secara umum algoritma ini pada kenyataannya tidak memberikan pelayanan yang paling cepat.
b. Penjadualan SSTF
Algoritma shortest-seek-time-first (SSTF) memilih permintaan dengan berdasarkan waktu pencarian atau seek time paling minimum dari posisi head saat itu. Karena waktu pencarian meningkat seiring dengan jumlah silinder yang dilewati oleh head, maka SSTF memilih permintaan yang paling dekat posisinya di disk terhadap posisi head saat itu.
Penjadualan SSTF merupakan salah satu bentuk dari penjadualan shortest-job-first (SJF), dan karena itu maka penjadualan SSTF juga dapat mengakibatkan starvation pada suatu saat tertentu. Kita ketahui bahwa permintaan dapat datang kapan saja. Walau pun algoritma SSTF secara substansial meningkat jika dibandingkan dengan FCFS, tetapi algoritma SSTF ini tidak optimal
c. Penjadualan SCAN
Pada algoritma SCAN, pergerakan disk arm dimulai dari salah satu ujung disk, kemudian bergerak menuju ujung yang lain sambil melayani permintaan setiap kali mengunjungi masing-masing silinder Algoritma SCAN ini disebut juga algoritma lift/ elevator, karena kelakuan disk arm sama seperti elevator dalam suatu gedung, melayani dulu orang-orang yang akan naik ke atas, baru kemudian berbalik arah untuk melayani orang-orang yang ingin turun ke bawah.
Kelemahan algoritma ini adalah jika banyak permintaan terletak pada salah satu ujung disk, sedangkan permintaan yang akan dilayani sesuai arah arm disk jumlahnya sedikit atau tidak ada, maka mengapa permintaan yang banyak dan terdapat pada ujung yang berlawanan arah dengan gerakan disk arm saat itu tidak dilayani duluan? Ide ini akan mendasari algoritma penjadualan berikut yang akan kita bahas.
d. Penjadualan C-SCAN
Circular-SCAN adalah varian dari algoritma SCAN yang sengaja didesain untuk menyediakan waktu tunggu yang sama. Seperti halnya SCAN, C-SCAN akan menggerakkan head dari satu ujung disk ke ujung lainnya sambil melayani permintaan yang terdapat selama pergerakan tersebut. Tetapi pada saat head tiba pada salah satu ujung, maka head tidak berbalik arah dan melayani permintaan-permintaan, melainkan akan kembali ke ujung disk asal pergerakannya. Jika head mulai dari ujung 0, maka setelah tiba di ujung disk yang lainnya, maka head tidak akan berbalik arah menuju ujung 0, tetapi langsung bergerak ulang dari 0 ke ujung satunya lagi.
e. Penjadualan LOOK
Perhatikan bahwa SCAN dan C-SCAN menggerakkan disk arm melewati lebar seluruh disk. Pada kenyataanya algoritma ini tidak diimplementasikan demikian (pergerakan melewati lebar seluruh disk). Pada umumnya, arm disk bergerak paling jauh hanya pada permintaan terakhir pada masing-masin arah pergerakannya. Kemudian langsung berbalik arah tanpa harus menuju ujung disk. Versi SCAN dan C-SCAN yang berprilaku seperti ini disebut LOOK SCAN dan LOOK C-SCAN, karena algoritma ini melihat dulu permintaan-permintaan sebelum melanjutkan arah pergerakannya.
f. Pemilihan Algoritma Penjadualan Disk
SSTF lebih umum dan memiliki prilaku yang lazim kita temui. SCAN dan C-SCAN memperlihatkan kemampuan yang lebih baik bagi sistem yang menempatkan beban pekerjaan yang berat kepada disk, karena algoritma tersebut memiliki masalah starvation yang paling sedikit. Untuk antrian permintaan tertentu, mungkin saja kita dapat mendefinisikan urutan akses dan pengambilan data dari disk yang optimal, tapi proses komputasi membutuhkan penjadualan optimal yang tidak kita dapatkan pada SSTF atau SCAN.
Lokasi blok-blok indeks dan directory juga tidak kalah penting. Karena file harus dibuka sebelum digunakan, proses pembukaan file membutuhkan pencarian pada struktur directory, dengan demikian directory akan sering diakses. Kita anggap catatan directory berada pada awal silinder, sedangkan data file berada pada silinder terakhir. Pada kasus ini, disk head harus bergerak melewati sepanjang lebar disk.
H. Managemen Disk
a. Memformat Disk
Sebelum disk tersebut dapat menyimpan data, harus dilakukan proses low-level formatting/ physical formatting, yaitu membagi disk menjadi beberapa sektor dan mengisinya dengan struktur data tertentu (biasanya header, area data, dan trailer) agar dapat dibaca dan ditulis oleh disk controller.
Salah satu informasi yang dibutuhkan oleh disk controller adalah error-correcting code (ECC). Disebut seperti itu karena jika terdapat satu atau dua bit data yang corrupt, controller dapat mengidentifikasi bit mana yang berubah dan mengoreksi nya. Proses ini otomatis dilakukan oleh controller setiap membaca atau menulis pada disk. Low-level formatting berfungsi agar pihak manufaktur dapat mengetes disk dan menginisialisasi mapping dari lojikal nomor blok ke pendeteksi sektor kosong. Semakin besar ukuran sektor yang diformat, semakin sedikit sektor yang dapat diisi pada masing-masing track dan semakin sedikit header dan trailer yang ditulis pada setiap track. Hal ini berarti ruang yang dapat digunakan untuk data semakin besar.
b. Boot Block
Ketika pertama kali menjalankan komputer, dibutuhkan program yang sudan diinisialisasi, yaitu bootstrap. Yang diinisialisasi adalah segala aspek sistem, dari CPU register sampai device controller dan isi dari main memory, kemudian menjalankan sistem operasi. Untuk itu bootstrap mencari kernel sistem operasi pada disk, me-load-nya ke memori, dan menggunakan alamat yang telah diinisialisasi untuk mulai menjalankan sistem operasi.
Kelebihan karena ROM read-only, ia tidak dapat terkena virus. Tetapi masalah yang timbul adalah jika kita mengubah kode bootstrap berarti mengubah chip ROM juga. Untuk mengatasinya, sistem menyimpan bootstrap loader di ROM, yang hanya berfungsi untuk memasukkan seluruh program bootstrap dari disk. Boot blocks adalah suatu partisi untuk menyimpan seluruh program bootstrap. Boot disk atau system disk adalah disk yang memiliki partisi boot.
c. Bad Blocks
Bad blocks adalah satu/lebih sektor yang rusak pada suatu disk. Pada disk sederhana, bad blocks diatasi secara manual. Untuk disk yang lebih kompleks seperti disk SCSI, bad blocks diatasi dengan sector sparing atau forwarding, yaitu controller dapat mengganti sektor yang rusak dengan sebuah sektor yang terpisah. Alternatif lainnya adalah mengganti sektor tersebut dengan cara sector slipping. Mengganti blok yang rusak bukan sepenuhnya merupakan proses yang otomatis, karena data-data yang tersimpan sebelum nya akan terhapus.
I. Penanganan Swap-Space
Penanganan (management) swap-space (tempat pertukaran; tetapi karena istilah swap-space sudah umum dipakai, maka untuk seterusnya kita tetap memakai istilah swap-space) adalah salah satu dari low-level task pada sebuah sistem operasi. Memori Virtual menggunakan disk space sebagai perpanjangan (atau space tambahan) dari memori utama. Karena kecepatan akses disk lebih lambat daripada kecepatan akses memori, menggunakan swap-space akan mengurangi performa sistem secara signifikan. Tujuan utama dari perancangan dan implementasi swap-space adalah untuk menghasilkan kinerja memori virtual yang optimal.
a. Penggunaan Swap-Space
Penggunaan swap-space pada berbagai macam sistem operasi berbeda-beda, tergantung pada algoritma memory management yang diimplementasikan. Swap-space ini biasanya disimpan dalam beberapa disk yang terpisah, jadi beban yang diterima oleh sistem I/O dari paging dan swapping bisa didistribusikan ke berbagai I/O device pada sistem.
Harap dicatat bahwa menyediakan swap-space yang berlebih lebih aman daripada kekurangan swap-space, karena bila kekurangan maka ada kemungkinan sistem terpaksa menghentikan sebuah atau lebih proses atau bahkan membuat sistem menjadi crash. Swap-space yang berlebih memang membuang disk space yang sebenarnya bisa digunakan untuk menyimpan berkas ( file), tapi setidaknya tidak menimbulkan resiko yang lain.
b. Lokasi Swap-Space
Ada dua tempat dimana swap-space bisa berada: swap-space bisa diletakkan pada partisi yang sama dengan sistem operasi, atau pada partisi yang berbeda. Apabila swap-space yang dipakai hanya berupa sebuah berkas yang besar di dalam sistem berkas, maka sistem berkas yang dipakai bisa digunakan untuk membuat, menamakan, dan mengalokasikan tempat swap-space. Maka dari itu, pendekatan seperti ini mudah untuk diimplementasikan. Sayangnya, juga tidak efisien.
Metode yang lebih umum adalah untuk membuat swap-space di partisi yang terpisah. Tidak ada sistem file atau struktur direktori di dalam partisi ini. Justru sebuah swap-space storage manager yang terpisah digunakan untuk mengalokasikan dan melepaskan blok-blok yang digunakan. Manager ini menggunakan algoritma yang dioptimalkan untuk kecepatan, daripada efisiensi tempat. Fragmentasi internal mungkin akan meningkat, tetapi ini bisa diterima karena data dalam swap-space biasanya umurnya lebih singkat daripada data-data di sistem file, dan swap area-nya diakses lebih sering.
c. Pengelolaan Swap-Space
Untuk mengilustrasikan metode-metode yang digunakan untuk mengelola swap-space, kita sekarang akan mengikuti evolusi dari swapping dan paging pada GNU/ Linux. GNU/ Linux memulai dengan implemen tasi swapping yang menyalin seluruh proses antara daerah disk yang contiguous (tidak terputus) dan memori. UNIX berevolusi menjadi kombinasi dari swapping dan paging dengan tersedianya hardware untuk paging.
Dua peta swap untuk setiap proses digunakan oleh kernel untuk melacak penggunaan swap-space. Segmen teks besarnya tetap, maka swap space yang dialokasikan sebesar 512K setiap potong (chunks), kecuali untuk potongan terakhir, yang menyimpan sisa halaman-halaman (pages) tadi, dengan kenaikan (increments) sebesar 1K. Peta swap dari Segmen data lebih rumit, karena segmen data bisa mem besar setiap saat.
Pada Solaris 1 (SunOS 4), para pembuatnya membuat perubahan pada metode standar UNIX untuk meningkatkan efisiensi dan untuk mencermin kan perubahan teknologi. Ketika sebuah proses berjalan, halaman-hala man (pages) dari segmen teks dibawa kembali dari sistem berkas, diak ses di memori utama, dan dibuang bila diputuskan untuk di-pageout. Akan lebih efisien untuk membaca ulang sebuah halaman (page) dari sistem berkas daripada menaruhnya di swap-space dan membacanya ulang dari sana.
J. Kehandalan Disk
Disk memiliki resiko untuk mengalami kerusakan. Kerusakan ini dapat berakibat turunnya performa atau pun hilangnya data. Meski pun terdapat backup data, tetap saja ada kemungkinan data yang hilang karena adanya perubahan setelah terakhir kali data di-backup. Karenanya reliabilitas dari suatu disk harus dapat terus ditingkatkan.
Berikut adalah beberapa macam penyebab terjadinya hilangnya data:
1. Ketidaksengajaan dalam menghapus.
2. Hilangnya tenaga listrik
3. Blok rusak pada disk.
4. Rusaknya Disk.
5. System Corrupt.
Ketika komputer sedang dijalankan, bisa saja terjadi OS error, program error, dan lain sebagainya. Hal ini tentu saja dapat menyebabkan hilangnya data.
Ketika mengirim data disk-disk tersebut bekerja secara pararel. Ditambah dengan sinkronisasi pada rotasi masing-masing disk, maka kinerja dari disk dapat ditingkatkan. Cara ini dikenal sebagai RAID (Redundant Array of Independent Disks). Selain masalah kinerja RAID juga dapat meningkatkan reabilitas dari disk dengan jalan melakukan redundansi data.
Salah satu cara yang digunakan pada RAID adalah dengan mirroring atau shadowing, yaitu dengan membuat duplikasi dari tiap-tiap disk. Pada cara ini, berarti diperlukan media penyimpanan yang dua kali lebih besar daripada ukuran data sebenarnya. Akan tetapi, dengan cara ini pengaksesan disk yang dilakukan untuk membaca dapat ditingkatkan dua kali lipat. Hal ini dikarenakan setengah dari permintaan membaca dapat dikirim ke masing-masing disk. Cara lain yang digunakan pada RAID adalah block interleaved parity. Pada cara ini, digunakan sebagian kecil dari disk untuk penyimpanan parity block.
K. Implementasi Stable-Storage
Untuk mengimplementasikan informasi yang berada di dalam stable storage tidak akan pernah hilang, kita perlu mereplikasi informasi yang dibutuhkan ke banyak peralatan storage (biasanya disk-disk) dengan failure modes yang independen.
Sebuah disk write menyebabkan satu dari tiga kemungkinan:
1. Successful completion, yaitu : data disimpan dengan benar di dalam disk.
2. Partial failure, yaitu : kegagalan terjadi di tengah-tengah transfer, menyebabkan terjadi kegagalan menjadi rusak.
3. Total failure, yaitu : kegagalan terjadi sebelum disk write dimulai, jadi data yang sebe lumnya ada pada disk masih tetap ada.
Untuk melakukan restore blok ke sebuah keadaan yang konsisten, sistem harus menangani dua blok physical untuk setiap blok logical. Sebuah operasi output dieksekusi seperti berikut:
1. Tulis informasinya ke blok physical yang pertama.
2. Ketika penulisan pertama berhasil, tulis informasi yang sama ke blok physical yang kedua.
3. Operasi dikatakan berhasil hanya jika penulisan kedua berhasil.
Pada saat recovery dari sebuah kegagalan, setiap pasang blok physical diperiksa. Jika keduanya sama dan tidak terdeteksi adanya kesalahan, tetapi berbeda dalam isi, maka kita mengganti isi dari blok yang pertama dengan isi dari blok yang kedua. Prosedur recovery seperti ini memastikan bahwa sebuah penulisan ke stable storage akan sukses atau tidak ada perubahan sama sekali.
L. Tertiary-Storage Structure
Ciri-ciri Tertiary-Storage Structure:
• Biaya produksi lebih murah.
• Menggunakan removable media.
• Data yang disimpan bersifat permanen.
a. Macam-macam Tertiary-Strorage Structure
1. Floppy Disk
2. Magneto-optic disk
Magneto-optic Disk adalah Piringan optic yang keras dilapisi oleh material yang bersifat magnet, kemudian dilapisi pelindung dari plastik atau kaca yang berfungsi untuk menahan head yang hancur. Drive ini mempunyai medan magnet. Pada suhu kamar, medan magnet terlalu kuat dan terlalu lemah untuk memagnetkan satu bit ke disk. Magneto-optic disk head berjarak lebih jauh dari permukaan disk daripada magnetic disk head. Walau pun demikian, drive tetap dapat membaca bit, yaitu dengan bantuan sinar laser (disebut Kerr effect).
3. Optical Disk
Disk ini tidak menggunakan sifat magnet, tetapi menggunakan bahan khusus yang dimodifikasi menggunakan sinar laser. Setelah dimodifikasi dengan dengan sinar laser pada disk akan terdapat spot yang gelap atau terang. Spot ini menyimpan satu bit.
Optical-disk teknologi terbagi atas:
1. Phase-change disk, dilapisi oleh material yang dapat membeku menjadi crystalline atau amorphous state. Kedua state ini memantulkan sinar laser dengan kekuatan yang berbeda.
2. Dye-polimer disk, merekam data dengan membuat bump. Disk dilapisi plastik yang mengandung dye yang dapat menyerap sinar laser.
4. WORM Disk (Write Once, Read Many Times)
WORM adalah Aluminium film yang tipis dilapisi oleh piringan plastik atau kaca pada bagian atas dan bawahnya. Hole ini tidak dapat diubah seperti sebelumnya. Disk hanya dapat ditulis sekali.
Ciri-cirinya :
• Data hanya dapat ditulis sekali.
• Data lebih tahan lama dan dapat dipercaya.
• Read Only disk, seperti CD-ROM dan DVD yang berasal dari pabrik sudah berisi data.
5. Tapes
Random access tape lebih lambat daripada disk karena tape menggunakan operasi forward dan rewind. Pemasangan tape yang besar menggunakan robotic tape changers. robotic tape changers memindahkan beberapa tape antara beberapa tape drive dan beberapa slot penyimpanan yang berada di dalam tape library. library yang menyimpan beberapa tape disebut tape stacker. library yang menyimpan ribuan tape disebut tape silo.
Robotic tape library mengurangi biaya penyimpanan data. File yang ada di disk dapat dipindahkan ke tape dengan tujuan mengurangi biaya penyimpanan. Apabila file itu ingin digunakan, maka komputer akan memindahkan file tadi ke disk.
b. Masalah-Masalah yang Berkaitan Dengan Sistem Operasi
1. Tugas terpenting dari sistem operasi adalah mengatur physical devices dan menampilkan abstarksi mesin virtual dari aplikasi (Interface aplikasi).
2. Untuk hardisk, OS menyediakan dua abstaksi, yaitu:
• Raw device = array dari beberapa data blok.
• File sistem = sistem operasi mengantrikan dan menjadwalkan beberapa permintaan interleaved yang berasal dari beberapa aplikasi.
c. Interface Aplikasi
Kebanyakan sistem operasi menangani removable media hampir sama dengan fixed disk, yaitu cartridge di format dan dibuat file sistem yang kosong pada disk. Tapes ditampilkan sebagai media raw storage dan aplikasi tidak membuka file pada tape, tetapi tapes dibuka kesemuanya sebagai raw device. Penggunaan khusus ini dikarenakan random access tape membutuhkan waktu yang lama. Jadi, interleaving random access oleh tape oleh beberapa aplikasi akan menyebabkan thrashing.
Operasi dasar tape drive berbeda dengan operasi dasar disk drive. Contoh operasi dasar tape drive:
• Operasi locate berfungsi untuk menetapkan posisi tape head ke sebuah logical blok. Operasi ini mirip operasi yang ada di disk, yaitu: operasi seek. Operasi seek berfungsi untuk menetapkan posisi semua track.
• Operasi read position berfungsi memberitahu posisi tape head dengan menunjukkan nomor logical blok.
• Operasi space berfungsi memindahkan posisi tape head. Misalnya operasi space -2 akan memindahkan posisi tape head sejauh dua blok ke belakang.
Kapasitas blok ditentukan pada saat blok ditulis. Apabila terdapat area yang rusak pada saat blok ditulis, maka area yang rusak itu tidak dipakai dan penulisan blok dilanjutkan setelah daerah yang rusak tersebut. Tape drive "append-only" devices, maksudnya adalah apabila kita meng-update blok yang ada di tengah berarti kita akan menghapus semua data sebelumnya pada blok tersebut. Oleh karena itu, meng-update blok tidak diperbolehkan.
d. Penamaan Berkas
Menamakan berkas pada removable media cukup sulit terutama pada saat kita menulis data pada removable cartridge pada suatu komputer, kemudian menggunakan cartridge ini pada komputer yang lain. Jika jenis komputer yang digunakan sama dan jenis cartridge yang digunakan sama, maka permasalahannya adalah mengetahui isi dan data layout dari cartridge. Tetapi, bila jenis komputer yang digunakan dan jenis drive yang digunakan berbeda, maka berbagai masalah akan muncul. Apabila hanya 196jenis drive yang digunakan sama, komputer yang berbeda menyimpan bytes dengan berbagai cara dan juga menggunakan encoding yang berbeda untuk binary number atau huruf.
e. Managemen Penyimpanan Hirarkis
Managemen Penyimpanan Hirarkis (Hierachical Storage management) menjelaskan storage hierarchy antara primary memory dan secondary storage untuk membentuk tertiary storage. Tertiary storage biasanya diimplementasikan sebagai jukebox dari tapes atau removable media. Walau pun tertiary storage dapat mempergunakan sistem virtual-memory, cara ini tidak baik. Karena pengambilan data dari jukebox membutuhkan waktu yang agak lama. Selain itu diperlukan waktu yang agak lama untuk demand paging dan untuk bentuk lain dari penggunaan virtual-memory.
BAB III
PENUTUP
Kesimpulan
Dari uraian materi – materi diatas dapat disimpulkan bahwa :
A. I/O
Dasar dari elemen perangkat keras yang terkandung pada I/O adalah bus, device controller, dan I/O itu sendiri. Kinerja kerja pada data yang bergerak antara device dan memori utama di jalankan oleh CPU, diprogram oleh I/O atau mungkin DMA controller. Modul kernel yang mengatur device adalah device driver. System-call interface yang disediakan aplikasi dirancang untuk menghandle beberapa dasar kategori dari perangkat keras, termasuk block devices, character devices, memory mapped files, network sockets dan programmed interval timers.
Subsistem I/O kernel menyediakan beberapa servis. Diantaranya adalah I/O schedulling, buffering, spooling, error handling dan device reservation. Salah satu servis dinamakan translation, untuk membuat koneksi antara perangkat keras dan nama file yang digunakan oleh aplikasi. I/O system calls banyak dipakai oleh CPU, dikarenakan oleh banyaknya lapisan dari perangkat lunak antara physical device dan aplikasi. Lapisan ini mengimplikasikan overhead dari alih konteks untuk melewati kernel’s protection boundary, dari sinyal dan interrupt handling untuk melayani I/O devices.
B. Disk
Disk drives adalah major secondary-storage I/O device pada kebanyakan komputer. Permintaan untukdisk I/O digenerate oleh sistem file dan sistem virtual memori. Setiap permintaan menspesifikasikanalamat pada disk untuk dapat direferensikan pada form di logical block number.Algoritma disk schedulling dapat meningkatkan efektifitas bandwith, average response time, danvariance response time. Algoritma seperti SSTF, SCAN, C-SCAN, LOOK dan C-LOOK didesain untukmembuat perkembangan dengan menyusun ulang antrian disk untuk meningkatkan total waktupencarian.
Kinerja dapat rusak karena external fragmentation. Satu cara untuk menyusun ulang disk untukmengurangi fragmentasi adalah untuk back up dan restore seluruh disk atau partisi. Blok-blok dibacadari lokasi yang tersebar, me-restore tulisan mereka secara berbeda. Beberapa sistem mempunyaikemampuan untuk men-scan sistem file untuk mengidentifikasi file terfragmentasi, lalu menggerakan blok-blok mengelilingi untuk meningkatkan fragmentasi. Men-defragmentasi file yang sudah difragmentasi (tetapi hasilnya kurang optimal) dapat secara signifikan meningkatkan kinerja, tetapi system ini secara umum kurang berguna selama proses defragmentasi sedang berjalan. Sistem operasi me-manage blok-blok pada disk. Pertama, disk baru di format secara low level untuk menciptakan sektor pada perangkat keras yang masih belum digunakan. Lalu, disk dapat di partisi dan sistem file diciptakan, dan blok-blok boot dapat dialokasikan. Terakhir jika ada blok yang terkorupsi, sistem harus mempunyai cara untuk me-lock out blok tersebut, atau menggantikannya dengan cadangan.
Tertiary storage di bangun dari disk dan tape drives yang menggunakan media yang dapat dipindahkan.Contoh dari tertiary storage adalah magnetic tape, removable magnetic, dan magneto-optic disk.Untuk removable disk, sistem operasi secara general menyediakan servis penuh dari sistem file interface, termasuk space management dan request-queue schedulling. Untuk tape, sistem operasi secara general hanya menyediakan interface yang baru. Banyak sistem operasi yang tidak memiliki built-in support untuk jukeboxes. Jukebox support dapat disediakan oleh device driver.
Daftar Pustaka
Gabungan Kelompok Kerja 21–28 IKI-20230 Semester Genap 2002/2003, Sistem Operas. 2003
Title : I/O & Disk
Description : Kata Pengantar Sistem operasi merupakan sebuah penghubung antara pengguna dari komputer dengan perangkat keras komputer. Sebelum ada sistem ...
Description : Kata Pengantar Sistem operasi merupakan sebuah penghubung antara pengguna dari komputer dengan perangkat keras komputer. Sebelum ada sistem ...
0 Response to "I/O & Disk"
Post a Comment