MANAJEMEN I/O

Pendahuluan

Manajemen perangkat masukan/keluaran merupakan aspek perancangan sistem operasi terluas dan kompleks karena sangat beragamnya perangkat dan aplikasinya.

Beberapa fungsi manajemen input/ouput (I/O) :

a. Mengirim perintah ke perangkat I/O agar menyediakan layanan.

b. Menangani interupsi perangkat I/O.

c. Menangani kesalahan perangkat I/O.

d. Menyediakan interface ke pemakai.

Klasifikasi perangkat I/O

Perangkat I/O dapat dikelompokkan berdasarkan :

a. Sifat aliran datanya, yang terbagi atas :

      1. Perangkat berorientasi blok.

          Yaitu menyimpan, menerima, dan mengirim informasi sebagai blok-blok berukuran tetap yang berukuran 128 sampai 1024 byte dan memiliki alamat tersendiri, sehingga memungkinkan membaca atau menulis blok-blok secara independen, yaitu dapat membaca atau menulis sembarang blok tanpa harus melewati blok-blok lain. Contoh : disk,tape,CD ROM, optical disk.

      2. Perangkat berorientasi aliran karakter.

          Yaitu perangkat yang menerima, dan mengirimkan aliran karakter tanpa membentuk suatu struktur blok. Contoh : terminal, line printer, pita kertas, kartu-kartu berlubang, interface jaringan, mouse.

b. Sasaran komunikasi, yang terbagi atas :.

      1. Perangkat yang terbaca oleh manusia. 

 Perangkat yang digunakan untuk berkomunikasi dengan manusia. Contoh : VDT (video di splay terminal) : monitor, keyboard, mouse.

      2. Perangkat yang terbaca oleh mesin. 

 Perangkat yang digunakan untuk berkomunikasi dengan perangkat elektronik.  Contoh : D isk dan tape, sensor, controller.

      3. Perangkat komunikasi. 

 Perangkat yang digunakan untuk komunikasi dengan perangkat jarak jauh. 

 Contoh : Modem.

 Faktor-faktor yang membedakan antar perangkat :

- Kecepatan transmisi data (data rate).

- Jenis aplikasi yang digunakan.

- Tingkat kerumitan dalam pengendalian.

- Besarnya unit yang ditransfer.

- Representasi atau perwujudan data.

- Kondisi-kondisi kesalahan.

Teknik pemograman perangkat I/O

Terdapat 3 teknik, yaitu :

a. I/O terprogram atau polling system.

     Ketika perangkat I/O menangani permintaan, perangkat men-set bit status di register status perangkat. Perangkat tidak memberitahu ke pemroses saat tugas telah selesai dilakukan sehingga pemroses harus selalu memeriksa register tersebut secara periodik dan melakukan tindakan berdasar status yang dibaca. Software pengendali perangkat (driver) dipemroses harus mentransfer data ke/dari pengendali. Driver mengekseksui perintah yang berkomunikasi dengan pengendali (adapter) di perangkat dan menunggui sampai operasi yang dilakukan perangkat selesai.Driver berisi kumpulan instruksi : 

     1.  Pengendalian.

          Berfungsi mengaktifkan perangkat eksternal dan memberitahu yang perlu dilakukan. conto h : unit tape magnetik diinstruksikan untuk kembali ke posisi awal, bergerak ke record ber ikut, dan sebagainya.

     2.  Pengujian.

          Berfungsi memeriksa status perangkat keras berkaitan dengan perangkat  I/O.

     3.  Pembacaan/penulisan

          Berfungsi membaca/menulis untuk transfer data antara register  pemroses dan perangkat  eksternal.

   Masalah utama I/O terprogram adalah pemroses diboroskan untuk menunggu dan menjagai operasi I/O. Diperlukan teknik lain untuk meningkatkan  efisiensi pemroses.

b. I/O dikendalikan interupsi.

   Teknik I/O dituntun interupsi mempunyai mekanisme kerja sebagai berikut :

   - Pemroses memberi instruksi ke perangkat I/O kemudian melanjutkan melakukan pekerjaan lainnya.

   - Perangkat I/O akan menginterupsi meminta layanan saat perangkat telah siap bertukar data dengan pemroses.

   - Saat menerima interupsi perangkat keras (yang memberitahukan bahwa perangkat siap     melakukan transfer), pemroses segera mengeksekusi transfer data.

   Keunggulan :

   - Pemroses tidak disibukkan menunggui dan menjaga perangkat I/O untuk memeriksa status perangkat.

   Kelemahan :

   - Rate transfer I/O dibatasi kecepatan menguji dan melayani operasi  perangkat.

   - Pemroses terikat ketat dalam mengelola transfer I/O. Sejumlah intruksi harus dieksekusi untuk tiap transfer I/O.

c. Dengan DMA (direct memory access).

   DMA berfungsi membebaskan pemroses menunggui transfer data yang dilakukan   perangkat I/O. Saat pemroses ingin membaca atau menulis data, pemroses    memerintahkan DMA controller dengan mengirim informasi berikut :

     - Perintah penulisan/pembacaan.

     - Alamat perangkat I/O.

     - Awal lokasi memori yang ditulis/dibaca.

     - Jumlah word (byte) yang ditulis/dibaca.

    Setelah mengirim informasi-informasi itu ke DMA controller, pemroses  dapat melanjutkan kerja lain. Pemroses mendelegasikan operasi I/O ke DMA. DMA mentransfer seluruh data yang diminta ke/dari memori secara langsung tanpa melewati pemroses. Ketika transfer data selesai, DMA mengirim sinyal interupsi ke pemroses. Sehingga pemroses hanya dilibatkan pada awal dan akhir transfer data. Operasi transfer antara perangkat dan    memori utama dilakukan sepenuhnya oleh DMA lepas dari pemroses dan hanya    melakukan interupsi bila operasi telah selesai.

     Keunggulan :

     - Penghematan waktu pemroses.

     - Peningkatan kinerja I/O.

Evolusi fungsi perangkat I/O

Sistem komputer mengalami peningkatan kompleksitas dan kecanggihan komponen-komponennya, yang sangat tampak pada fungsi-fungsi I/O sebagai berikut :

a. Pemroses mengendalikan perangkat I/O secara langsung.

    Masih digunakan sampai saat ini untuk perangkat sederhana yang dikendalikan   mikroprosessor sehingga menjadi perangkat berintelijen  (inteligent device).

b. Pemroses dilengkapi pengendali I/O (I/O controller).

     Pemroses menggunakan I/O terpogram tanpa interupsi, sehingga tak perlu    memperhatikan rincian-rincian spesifik antarmuka perangkat.

c. Perangkat dilengkapi fasilitas interupsi.

   Pemroses tidak perlu menghabiskan waktu menunggu selesainya operasi I/O, sehingga meningkatkan efisiensi pemroses.

d. I/O controller mengendalikan memori secara langsung lewat DMA.

     Pengendali dapat memindahkan blok data ke/dari memori tanpa melibatkan pemroses kecuali diawal dan akhir transfer.

e. Pengendali I/O menjadi pemroses terpisah.

    Pemroses pusat mengendalikan.memerintahkan pemroses khusus I/O untuk    mengeksekusi program I/O di memori utama. Pemroses I/O mengambil dan    mengeksekusi intruksi-intruksi ini tanpa intervensi pemroses pusat. Dimungkinkan pemroses pusat menspesifikasikan barisan aktivitas I/O dan hanya diinterupsi ketika seluruh barisan intruksi diselesaikan.

f. Pengendali I/O mempunyai memori lokal sendiri.

   Perangkat I/O dapat dikendalikan dengan keterlibatan pemroses pusat yang  minimum.

Arsitektur ini untuk pengendalian komunikasi dengan terminal-terminal interaktif. Pemroses I/O mengambil alih kebanyakan tugas yang melibatkan pengendalian terminal.Evolusi bertujuan meminimalkan keterlibatan pemroses pusat, sehingga pemroses tidak disibukkan dengan tugas I/O dan dapat meningkatkan kinerja sistem.

Prinsip manajemen perangkat I/O

Terdapat dua sasaran perancangan I/O, yaitu :

a. Efisiensi.

   Aspek penting karena operasi I/O sering menimbulkan bottleneck.

b. Generalitas (device independence).

   Manajemen perangkat I/O selain berkaitan dengan simplisitas dan bebas kesalahan, juga menangani perangkat secara seragam baik dari cara proses memandang maupun cara sistem operasi mengelola perangkat dan operasi I/O.

Software diorganisasikan berlapis. Lapisan bawah berurusan menyembunyikan kerumitan perangkat keras untuk lapisan-lapisan lebih atas. Lapisan lebih atas berurusan memberi antar muka yang bagus, bersih, nyaman dan seragam ke pemakai. Masalah-masalah manajemen I/O adalah :

a. Penamaan yang seragam (uniform naming).

    Nama berkas atau perangkat adalah string atau integer, tidak bergantung pada perangkat sama sekali.

b. Penanganan kesalahan (error handling).

   Umumnya penanganan kesalahan ditangani sedekat mungkin dengan perangkat    keras.

c. Transfer sinkron vs asinkron.

     Kebanyakan I/O adalah asinkron. Pemroses mulai transfer dan mengabaikan untuk melakukan kerja lain sampai interupsi tiba. Program pemakai sangat lebih mudah ditulis jika operasi I/O berorientasi blok. Setelah perintah read, program kemudian ditunda secara otomatis sampai data tersedia di  buffer. 

d. Sharable vs dedicated.

     Beberapa perangk dapat dipakai bersama seperti disk, tapi ada juga perangkat yang hanya satu pemakai yang dibolehkan memakai pada satu saat. Contoh : printer.

Hirarki manajemen perangkat I/O

Hirarki manajemen perangkat I/O :

a. Interrupt handler.

     Interupsi harus disembunyikan agar tidak terlihat rutin berikutnya. Device driver di blocked    saat perintah I/O diberikan dan menunggu interupsi. Ketika interupsi terjadi, prosedur penanganan interupsi  bekerja agar device driver keluar dari state blocked.

b. Device drivers.

   Semua kode bergantung perangkat ditempatkan di device driver. Tiap device driver menangani satu tipe (kelas) perangkat dan bertugas menerima permintaan abstrak perangkat lunak device independent diatasnya dan melakukan layanan permintaan. Mekanisme kerja device driver :

   - Menerjemahkan perintah abstrak menjadi perintah konkret.

   - Setelah ditentukan perintah yang harus diberikan ke pengendali, device driver mulai menulis ke register-register pengendali perangkat.

   - Setelah operasi selesai dilakukan perangkat, device driver memeriksa status kesalahan         yang terjadi.

   - Jika berjalan baik, device driver melewatkan data ke perangkat lunak  device independent.

   - Kemudian device driver melaporkan status operasinya ke pemanggil.

c. Perangkat lunak device independent.

Bertujuan membentuk fungsi-fungsi I/O yang berlaku untuk semua perangkat  dan memberi antarmuka seragam ke perangkat lunak tingkat pemakai.  Fungsi-fungsi lain yang dilakukan : 

   - Sebagai interface seragam untuk seluruh device driver.

   - Penamaan perangkat.

   - Proteksi perangkat.

   - Memberi ukuran blok perangkat agar bersifat device independent.

   - Melakukan buffering.

   - Alokasi penyimpanan pada block devices.

   - Alokasi dan pelepasan dedicated devices.

   - Pelaporan kesalahan.

d. Perangkat lunak level pemakai.

   Kebanyakan perangkat lunak I/O terdapat di sistem operasi. Satu bagian kecil berisi pustaka-pustaka yang dikaitkan pada program pemakai dan  berjalan diluar kernel. System calls I/O umumnya dibuat sebagai prosedur-prosedur pustaka. Kumpulan prosedur pustaka I/O merupakan bagian sistem I/O. Tidak semua perangkat lunak I/O level pemakai berupa prosedur-prosedur pustaka. Kategori penting adalah sistem spooling. Spooling adalah cara khusus berurusan dengan perangkat I/O yang harus   didedikasikan pada sistem multiprogramming.