SISTEM INPUT DAN OUTPUT PADA KOMPUTER

Sistem I/O

• Perangkat Keras I/O
• Aplikasi Antarmuka I/O
• Kernel I/O Subsystem
• Mengubah I/O Request Menjadi Operasi Perangkat Keras
• Streams
• Performance

Perangkat Keras I/O

• Banyaknya jenis perangkat keras I/O
• Konsep Umum :

1. Port
2. Bus (Daisy chain atau shared direct access)
3. Controller (host adapter)

• Perangkat kontrol instruksi I/O
• Perangkat-perangkat tersebut memiliki alamat, digunakan untuk:

1. Instruksi I/O langsung
2. Memory-mapped I/O

Jenis Perangkat Keras

• Perangkat penyimpan data
• Perangkat penghubung
• Perangkat antarmuka dengan user

Konsep Umum

• Suatu perangkat berhubungan dengan sistem komputer dengan cara mengirim sinyal melalui suatu kabel atau bahkan melalui udara
• Perangkat tersebut berkomunikasi dengan mesin melalui port
• Struktur komputer yang umum dipakai adalah Daisy Chain

I/O Port Register

• Register Status
• Register Control
• Register Data-in
• Register Data-out

Polling

• Host terus membaca busy-bit secara berulang-ulang sampai bit tersebut clear
  

• Host set write-bit di command-register dan menulis satu byte di data-out register
  

• Host set bit command-ready

• Ketika controller mengetahui kalau bit command-ready di-set, dia men-set busy bit
  

• Controller membaca command-register dan melihat perintah tulis. Dia membaca data-out register untuk mendapatkan bytenya, dan melakukan operasi I/O
  

• Controller menghapus bit command-ready, membersihkan bit error di status register yang menandakan operasi I/O berhasil, dan menghapus busy-bit yang menandakan kalau operasi sudah selesai.

Interrupt

• Jalur interrupt dihasilkan oleh perangkat I/O

• Interrupt Handler menerima interrupt tersebut

• Mekanisme interrupt juga digunakan untuk penanganan exception

Direct Memory Access (DMA)

• Generasi komputer yang sangat tua

1. Controller membaca dari perangkat
2. Sistem Operasi meminta controller membaca data

• Generasi komputer yang tua

1. Controller membaca dari perangkat
2. Controller meng-interrupt OS
3. Sistem Operasi menyalin data ke memori

• Generasi DMA

1. Controller membaca dari perangkat
2. Controller menyalin data ke memori
3. Controller meng-interrupt OS

Aplikasi Antar-Muka I/O

• Sifat-sifat perangkat komputer diabstraksi oleh I/O system call berbentuk kelas-kelas umum.
  

• Lapisan driver perangkat menyembunyikan perbedaanperbedaan I/O controller dari kernel.
  

• Ragam device dari beberapa sisi:

1. Character-stream atau block
2. Sequential atau random-access
3. Synchronous atau asynchronous
4. Sharable atau dedicatedàSpeed atau operation
5. Read-write, read only, write only

Perangkat Block dan Character

• Perangkat block:

1. Meliputi berbagai disk drive
2. Perintah baca, tulis, pencarian data
3. Dimungkinkan untuk mengakses berkas secara memorymapped

• Perangkat character:

1. Contoh: keyboard, mouse
2. Perintah menulis, mengambil
3. Dapat dibuat library pengakses data per-baris

Perangkat Jaringan

• Interface berbeda dari baca, tulis disk, disebut interface socket.
• Socket: penghubung komputer dengan jaringan.
• Local socket dihubungkan dengan remote socket.
• Komunikasi antar komputer dilakukan melalui socket.

Clock dan Timer

• Fungsi clock dan timer pada hardware:

1. Waktu saat ini
2. Lama sebuah proses
3. Trigger proses pada suatu waktu

• Programmable interval timer : hardware pengukur waktu dan trigger.
• Sistem operasi mampu menangani time request lebih banyak dari jumlah hardware timer

Blocking dan Non-blocking I/O

• Blocking : proses dihentikan sementara

1. Lebih mudah dimengerti
2. Tidak cukup untuk beberapa hal

• Non-blocking : diimplementasikan lewat multi-threading
• Asynchronous : proses berjalan selama I/O dieksekusi

Kernel I/O Subsystem

• Scheduling :

1. Permohonan I/O dilakukan berdasarkan antrian perangkat
2. Beberapa sistem operasi berusaha untuk seadil mungkin

• Buffering : menyimpan data di memori selama proses transfer antar perangkat
  

1. Solusi perbedaan kecepatan dari perangkat yang ada
2. Solusi perbedaan ukuran transfer perangkat

Caching

• Cache : area memori yang cepat, yang berisikan kopian-kopian data.
• Beda BUFFER dan CACHE :

1. Buffer dapat menyimpan satu-satunya copy dari sebuah item data yang ada.
2. Cache hanya menyimpan sebuah salinan dari data di tempat lain pada storage sehingga lebih cepat diakses.

• Peningkatan performa I/O, terutama untuk:

1. berkas yang digunakan secara bersama oleh beberapa aplikasi,
2. berkas yang sedang di baca/tulis secara berulang-ulang.

Spooling (1)

• Spool : buffer yang menyimpan output device

1. Tidak dapat menerima interleaved data stream.

• device memenuhi 1 permintaan, tapi aplikasi bisa minta bersamaan.
  

• Sistem operasi meng-intercept semua output ke device. Masing-masing output aplikasi di-spooled ke berkas disk yang berbeda.
  

• Setiap Sistem Operasi menyediakan control interface yang :

1. Membuat users dan administrator sistem menampilkan antrian,
2. Menyingkirkan pekerjaan yang tidak diinginkan.
3. dll.

Device Reservation

• Menyediakan akses eksklusif bagi sebuah device.
• System Call untuk alokasi dan dealokasi device.
• Punya parameter untuk membuka system call yang mendeklarasikan tipe akses yang diijinkan untuk thread-thread konkruen yang lain.
• Perlu waspada terhadap Dead Lock.

Error Handling

• Sistem Operasi dengan pelindung memori dapat bertahan dari berbagai jenis error dari perangkat keras dan aplikasi.
• Sistem Operasi sulit memperbaiki kesalahan permanen bila terjadi pada komponen penting,.
• Umumnya akan me-return sebuah error number atau kode ketika permintaan I/O gagal.
• Log system error menyimpan laporan masalah yang ada.

Struktur Data Kernel

• Kernel menyimpan informasi penggunaan komponen I/O, termasuk tabel open-file, koneksi networking, informasi karakter device.
  

• Struktur data yang rumit dapat digunakan untuk memeriksa buffer, alokasi memori, dan menentukan batasan sektor/blok.
  

• Beberapa sistem operasi menggunakan tehnik object oriented untuk mengkapsulasikan perbedaan-perbedaan semantik yang ada.

Transformasi I/O Menjadi Operasi H/W
Proses:

• Blocking read system call diberikan pada pendeskripsi data dari data yang sudah terbuka sebelumnya.
  

• Kode di kernel memeriksa parameter. Dalam proses input, jika data sudah ada di buffer, data dikembalikan ke proses dan permintaan I/O selesai
  

Contoh: membaca data dari disk untuk di proses.

• Menentukan device yang mengandung data,
• Menerjemahkan nama ke perwakilan device
• Secara fisik memindahkan data dari disk ke buffer
• Mempersiapkan data untuk proses permintaan I/O
• Mengembalikan kontrol ke proses

I/O Stream (1)

• I/O stream adalah suatu mekanisme pengiriman data secara bertahap dan terus menerus melalui suatu aliran data (dua arah)
• Biasa digunakan dalam network protocol
• Asynchronous
• Menggunakan message passing dalam men-transfer data

I/O Stream (2)

• Untuk memasukkan ke dalam stream digunakan ioctl system call
• Untuk menuliskan data ke device digunakan write / putmsg system call
• Untuk membaca data dari device digunakan read / getmsg system call

• User process berhubungan langsung dengan stream head
• Ada beberapa modul dengan write dan read queue
• Device berhubungan langsung dengan driver end

Kinerja I/O

• Pembuat CPU melaksanakan kode device-driver
• Memberitahukan ke-tidak efisien-an pada mekanisme penanganan interrupt dalam kernel
• Me-load memory bus sewaktu menyalin data yang dilakukan di controller dan physical memory

Meningkatkan Kinerja I/O (1)

• Memperkecil jumlah context switch
• Memperkecil jumlah penyalinan data yang dilakukan sewaktu pengoperan data antara device dan aplikasi
• Memperkecil jumlah interrupt dengan menggunakan transfer secara besar-besaran, smart controllers dan polling (jika busywaiting bisa diminimalisir)

Meningkatkan Kinerja I/O (2)

• Menambah konkurensi dengan menggunakan DMA controllers atau channels yang telah diketahui untuk meng-offload pennyalin sederhana dari CPU
  

• Memindahkan proses-proses primitif ke perangkat keras, untuk membuat operasinya dalam device controllers konkuren dengan CPU dan operasi Bus
  

• Menyeimbangkan CPU, memory subsystem, bus, dan I/O performance, karena kelebihan di salah satu area akan membuat keterlambatan pada yang lain

Mengimplementasikan I/O

• I/O seharusnya diimplementasikan dalam pada waktu application level
  

• Ketika algoritma pada application-level sudah menunjukkan kegunaannya, implementasikan kembali dalam kernel
  

• Kinerja tertinggi bisa didapatkan dari implementasi spesial ke perangkat keras, baik dalam device atau dalam controller

sumber: http://kambing.ui.ac.id/bebas/v06/Kuliah/SistemOperasi/BUKU/bahan/bahan-bab7.html (13 november 2010)