Sistem Komputer Sistem Operasi (TKE133117) Program Studi Teknik Elektro, Unsoed Iwan Setiawan <stwn at unsoed.ac.id> 1/65
Sistem Operasi? Memanfaatkan sumber daya perangkat keras, dari satu atau lebih prosesor, yang digunakan untuk memberikan layanan pada pengguna sistem. Mengelola memori sekunder dan perangkat-perangkat I/O. 2/65
Elemen Sistem Komputer Stallings, 2011. 3/65
Prosesor Mengendalikan operasi komputer. Menjalankan fungsi pemrosesan data. Disebut sebagai Central Processing Unit (CPU), pada sistem komputer dengan prosesor tunggal/uniprosesor. Register alamat memori (MAR): menentukan alamat memori untuk pembacaan dan penulisan selanjutnya. Register bufer memori (MBR): berisi data yang akan dibaca/dituliskan dari/ke memori. Register alamat I/O (I/O AR): menentukan perangkat I/O. Register bufer I/O (I/O BR) digunakan untuk pertukaran data antara modul I/O dan prosesor. 4/65
ISA dan Microarchitecture Instruction Set Architecture (ISA): set kode untuk operasi CPU. Bahasa mesin/rakitan/assembly. Set instruksi, register prosesor, ukuran word, mode pengalamatan memori, format alamat dan data. Microarchitecture: berada di bawah ISA yang berisi data path, elemen pemrosesan data, dan elemen penyimpanan data. Implementasi bagaimana ISA dapat dilakukan pada sebuah arsitektur CPU. Baca ringkasannya di Wikipedia/Computer_architecture dan lihat referensi serta pranala eksternalnya. 5/65
Memori Utama Berfungsi untuk menyimpan data dan program. Secara umum bersifat volatil/volatile/ sementara. Informasi yang ada di dalam memori akan hilang ketika komputer dimatikan. Berbeda dengan memori diska yang akan tetap menyimpan informasi walaupun komputer dimatikan. Disebut pula dengan memori nyata/memori utama (real memory atau primary memory). Modul memori terdiri dari banyak lokasi yang didefinisikan dengan alamat berupa urutan angka. Setiap lokasi berisi pola bit tertentu yang dapat diinterpretasikan sebagai instruksi atau data. 6/65
Modul I/O Masukan dan keluaran. Input/Output (I/O). Untuk memindahkan data antara komputer (prosesor/memori) dan lingkungan eksternalnya. Lingkungan eksternal terdiri dari bermacam perangkat termasuk perangkat memori sekunder seperti diska atau harddrive, perangkat komunikasi, dan terminal. Memiliki bufer internal untuk menyimpan data sementara. 7/65
Bus Sistem Menyediakan jalur komunikasi antar komponen di dalam sebuah sistem komputer yaitu prosesor, memori utama, dan modul I/O. Tanenbaum, 2009. 8/65
Komponen Komputer: Top-level View Stallings, 2011. 9/65
Mikroprosesor Revolusi di perangkat keras, sehingga muncul komputasi destop dan bergerak. Prosesor dalam cip tunggal. Prosesor yang semakin cepat untuk komputasi bertujuan umum (general purpose). Sekarang muncul multiprosesor dan multiinti. Bedanya? Setiap cip/soket berisi lebih dari satu prosesor (inti/core). Ukuran memori cache yang besar (bertingkat, L1/L2/L3). Setiap inti memiliki prosesor logikal yang berbagi unit eksekusi. Umumnya terdapat 2 (hardware) thread untuk masing-masing inti. Cek spesifikasi prosesor. 10/65
Graphical Processing Unit (GPU) Menyediakan komputasi yang efisien pada sederetan (array) data dengan menggunakan teknik Single-Instruction Multiple Data (SIMD). Saat ini GPU sudah memiliki banyak inti untuk melakukan teknik tersebut. Superkomputer dan komputasi paralel. Semakin banyak CPU mulai memiliki kemampuan ini. Umumnya digunakan untuk melakukan pengolahan dan rendering grafis. Digunakan pula untuk pemrosesan numerik, simulasi fisik pada gim/permainan, atau tabel/spreadsheet yang besar. 11/65
Digital Signal Processor (DSP) Menangani sinyal streaming seperti audio dan video. Umumnya ditanamkan pada perangkat (embedded). Contoh pada modem dan perangkat portabel. Pada perangkat-perangkat khusus memberikan: dukungan enkoding/dekoding suara dan video (codec); dukungan enkripsi dan keamanan. 12/65
System on a Chip (SoC) Kebutuhan untuk perangkat bergerak/portabel. CPU dan cache terintegrasi ke dalam sebuah cip, bersama dengan DSP, GPU, memori utama, serta perangkat I/O seperti radio dan codec. Umumnya paling tidak terdapat CPU dan GPU yang terintegrasi dalam satu cip. 13/65
Single-Board Computer (SBC) Lucasbosch, CC By-SA, https://en.wikipedia.org/wiki/file:raspberry_pi_b%2b_top.jpg 14/65
Single-Board Computer (SBC) TimGremalm, CC By-SA, https://en.wikipedia.org/wiki/file:raspberrypi_pcb_overview_v04.svg 15/65
Eksekusi Instruksi
Sebuah program terdiri dari set instruksi yang tersimpan di dalam memori. 17/65
Pemrosesan Instruksi (1) Prosesor membaca/mengambil sebuah instruksi dari memori. Prosesor menjalankan instruksi tersebut. Siklus instruksi dasar: Stallings, 2011. 18/65
Pemrosesan Instruksi (2) Eksekusi instruksi dapat melibatkan banyak operasi. Program Counter (PC) menyimpan alamat instruksi selanjutnya. Secara umum isi PC akan diinkremen di setiap pengambilan instruksi, sesuai dengan lokasi alamat memori selanjutnya atau yang lebih tinggi. Instruksi yang diambil akan dimuat ke dalam register instruksi (IR) dan instruksi akan berisi bit yang menentukan aksi yang harus dilakukan oleh prosesor. Prosesor menerjemahkan instruksi yang ada di dalam IR dan melakukan aksi sesuai dengan kategori: prosesor-memori, prosesor-i/o, pemrosesan data (aritmatika atau logika), kontrol (contoh: mengeset PC ke alamat tertentu). 19/65
Komponen Komputer: Top-level View Stallings, 2011. 20/65
Contoh Eksekusi Program (Hal. 12-13) AC=Accumulator, single data register. Stallings, 2011. 21/65
Interrupt
Interrupt Setiap komputer menyediakan mekanisme yang dapat digunakan modul-modul di dalamnya seperti memori dan I/O untuk melakukan interupsi pada urutan normal aksi prosesor. Disediakan untuk meningkatkan utilisasi prosesor. Kebanyakkan perangkat I/O lebih lambat daripada prosesor. Prosesor harus berhenti dulu dan menunggu perangkat yang sedang bekerja. Lihak siklus instruksi dasar. Waktu tunggu prosesor dapat mencapai orde ribuan bahkan jutaan siklus instruksi. Komputer 1 GHz secara kasar dapat menjalankan 10 9 instruksi per detik. Hard disk 7200 RPM membutuhkan waktu half-track rotation sebesar ~4 ms. 23/65
Interrupt dan Tanpa Interrupt (Hal. 14-15) Stallings, 2012. 24/65
Program I/O Urutan instruksi untuk menyiapkan operasi I/O, termasuk menyalin data ke bufer khusus dan menyiapkan parameter perintah untuk perangkat. Perintah I/O yang sebenarnya. Program menunggu sampai perintah I/O ini selesai. Umumnya disertai dengan pemeriksaan atau polling status perangkat. Urutan instruksi untuk menyelesaikan operasi I/O. Melakukan set flag status operasi berhasil atau gagal. 25/65
Siklus Instruksi dengan Interrupt Stallings, 2011. 26/65
Stallings, 2011. Diagram Pewaktu 27/65
Sebuah interrupt dapat memicu kejadian, baik pada perangkat keras prosesor maupun perangkat lunak. 28/65
Kelas-Kelas Interrupt Stallings, 2011. 29/65
Pemrosesan Interrupt (1) Stallings, 2011. 30/65
Pemrosesan Interrupt (2) Program Status Word (PSW) berisi informasi status proses yang sedang berjalan saat itu, termasuk penggunaan memori, kode kondisi, dan informasi lain seperti bit interrupt aktif/tidak, bit mode kernel/pengguna. Banyak interrupt. Contoh: sebuah program melakukan pencetakan, atau menerima data dari jalur komunikasi. Setiap operasi pencetakan selesai, terjadi interrupt. Setiap unit data yang sampai, terjadi interrupt. Pendekatan ketika terjadi banyak interrupt: menonaktifkan interrupt saat interrupt lain sedang dalam pemrosesan, penggunaan skema prioritas interrupt. 31/65
Stallings, 2011. Perubahan Saat Terjadi Interrupt 32/65
Stallings, 2011. Banyak Interrupt (1) 33/65
Stallings, 2011. Banyak Interrupt (2) 34/65
Hirarki Memori
Memori Kendala dalam penggunaan memori: kapasitas, kecepatan, harga. Memori harus dapat mengimbangi prosesor. Harga memori harus sesuai dengan komponen lain dalam sebuah sistem komputer. Kapasitas, waktu akses, harga (per bit). Semakin cepat waktu akses, semakin mahal. Semakin besar kapasitas, semakin murah. Semakin besar kapasitas, semakin lambat waktu akses. 36/65
Dilema?
Hirarki Memori (1) Stallings, 2011. 38/65
Hirarki Memori (2) Tanenbaum, 2009. 39/65
Hit and miss. 40/65
Prinsip Lokalitas Referensi memori oleh prosesor cenderung membentuk kelompok/klaster, baik instruksi maupun data. Program secara umum memiliki perulangan dan subrutin. Ketika program memasuki perulangan atau subrutin, akan muncul referensi berulang ke beberapa instruksi. Data dikelola supaya persentase akses ke tingkat bawah dari hirarki memori lebih rendah dari tingkat di atasnya. Dapat diterapkan pada lebih dari 2 tingkat memori. Memori cache L1, L2, dst. 41/65
Perluasan Memori Diska dapat digunakan untuk menyediakan perluasan atau ekstensi bagi memori utama pada abstraksi yang dikenal dengan memori virtual. Hirarki dapat ditambahkan melalui perangkat lunak. Sebagian memori utama dapat digunakan sebagai bufer untuk menyimpan data sementara yang akan dibaca dari diska. Disk cache meningkatkan unjuk kerja dengan 2 cara: Penulisan ke dalam diska dilakukan secara terkumpul atau clustered. Yang diperlukan bukan banyak transfer data kecil, tapi beberapa transfer data yang lebih besar. Sebagian data akan menjadi referensi sebuah program, sebelum data tersebut dituliskan pada diska. Data akan lebih cepat diambil dari cache perangkat lunak, daripada diska. 42/65
Memori Cache
Memori Cache (1) Tidak terlihat oleh SO. Berinteraksi dengan perangkat keras pengelola memori. Prosesor paling tidak mengakses memori sekali pada setiap siklus instruksi. Mengambil satu atau lebih instruksi. Mengambil operan dan/atau menyimpan hasil. Eksekusi prosesor dibatasi oleh waktu siklus memori. Sistem perlu memanfaatkan prinsip lokalitas dengan memori berukuran kecil tetapi memiliki akses cepat, yaitu cache atau tembolok. 44/65
Prinsip Cache Stallings, 2011. 45/65
Struktur Cache dan Memori Utama Stallings, 2011. 46/65
Memori Cache (2) Permasalahan yang berkaitan dengan memori cache. Kapan item baru diletakkan di cache? Pada lini cache/cache line mana item baru tersebut diletakkan? Item mana yang perlu dihapus dari cache ketika sebuah lini/slot dibutuhkan? Akan diletakkan di lokasi mana di dalam memori yang lebih besar ketika sebuah item baru sudah dikeluarkan dari cache? 47/65
Operasi Pembacaan Cache Stallings, 2011. 48/65
Pertimbangan Desain Cache (Hal. 30-31) Ukuran cache. Ukuran blok. Fungsi pemetaan/mapping. Algoritma penggantian/replacement. Kebijakan penulisan. Jumlah tingkat cache. 49/65
Direct Memory Access (DMA)
Teknik I/O (Hal. 31-32) Programmed I/O. Interrupt-driven I/O. Modul I/O melakukan aksi yang diminta oleh prosesor, setelah itu mengeset bit register status I/O tanpa memberitahu prosesor. Tidak ada interrupt. Prosesor harus secara aktif memeriksa status instruksi I/O dengan polling. Setelah mengirimkan instruksi ke modul I/O, prosesor melakukan hal lain sampai muncul interrupt dari modul I/O. Tetap membutuhkan keaktifan prosesor saat melakukan aksi transfer data. Kedua teknik tersebut memiliki kelemahan: (1) laju transfer I/O dibatasi oleh kecepatan prosesor dalam menguji dan melayani modul, (2) prosesor terikat dengan pengelolaan transfer data I/O. 51/65
DMA Dijalankan oleh modul terpisah pada bus sistem, atau dapat tergabung ke dalam sebuah modul I/O. Ketika prosesor akan membaca atau menulis data, sebuah perintah akan dikirimkan ke modul DMA yang berisi: permintaan baca atau tulis, alamat perangkat I/O yang dilibatkan, lokasi awal di memori untuk pembacaan atau penulisan, jumlah word yang akan dibaca atau ditulis. Terdapat delegasi dari prosesor ke DMA. Aksi transfer data tidak melibatkan prosesor. 52/65
Multiprosesor dan Multiinti
Multiprosesor dan Multiinti Komputer sering dilihat sebagai sistem yang menjalankan instruksi sekuensial/berurutan. Setiap instruksi dijalankan dalam urutan operasi. Mengambil instruksi, mengambil operan, melakukan operasi, menyimpan hasil. Sebenarnya pada tingkat operasi mikro, terdapat banyak sinyal kontrol yang dibangkitkan dalam satu waktu. Instruction pipelining. Menjalankan fungsi secara paralel. Pendekatan yang umum: Symmetric Multiprocessors (SMP), komputer dengan multiinti/multicore, atau klaster/cluster. 54/65
Karakteristik SMP Sistem komputer stand-alone dengan: dua atau lebih prosesor yang sama kemampuannya, semua prosesor tersebut berbagi memori utama dan fasilitas I/O yang sama, diinterkoneksikan dengan bus atau skema koneksi internal supaya waktu akses ke memori sama untuk kedua prosesor, semua prosesor tersebut berbagi akses ke perangkat I/O, semua prosesor dapat menjalankan fungsi-fungsi yang sama, sistem komputer tersebut dikendalikan oleh SO terintegrasi yang menyediakan interaksi antar prosesor dan programprogram yang sesuai dengan pekerjaan, tugas, berkas, dan tingkat elemen data. 55/65
Kelebihan SMP Stallings, 2011. 56/65
Cip Quad-core dengan Cache L1/L2 Tanenbaum, 2009. 57/65
Organisasi SMP Stallings, 2011. 58/65
Komputer Multiinti/Multicore Dikenal dengan cip multiprosesor. Mengkombinasikan dua atau lebih prosesor (inti/core) pada sebuah potongan silikon (die). Setiap inti memiliki semua komponen yang ada pada sebuah prosesor tersendiri/independen. Register, ALU, pipeline hardware, unit kendali, instruksi L1, cache data. Cip multiinti menyediakan cache L2, dan pada beberapa tipe prosesor terdapat cache L3. 59/65
Intel Core i7 (1) Stallings, 2011. 60/65
Intel Core i7 (2) Stallings, 2011. 61/65
Server Asus (1) Rendy Maulana, http://rendymaulana.com/archives/2014/10/01/testing-bnib-asus-server/ 62/65
Server Asus (2) Rendy Maulana, http://rendymaulana.com/archives/2014/10/01/testing-bnib-asus-server/ 63/65
Sistem Operasi harus menyediakan perkakas dan fungsi-fungsi yang dibutuhkan agar dapat memanfaatkan teknologi multiprosesor dan multiinti. 64/65
Daftar Bacaan Stallings, W. 2012. Operating Systems: Internals and Design Principles, Seventh Edition, Prentice Hall. Stallings, W. 2011. Operating Systems: Internals and Design Principles, Seventh Edition, salindia presentasi. Tanenbaum, A. 2009. Modern Operating Systems, Third Edition, Prentice Hall. 65/65