Sistem Komputer Sistem Operasi (TKE133117) Program Studi Teknik Elektro, Unsoed

(1)

Sistem Komputer

Sistem Operasi (TKE133117)

Program Studi Teknik Elektro, Unsoed

(2)

Sistem Operasi (TKE133117) - Program Studi Teknik Elektro, Unsoed

2/65

Sistem Operasi?

● Memanfaatkan sumber daya perangkat keras, dari satu

atau lebih prosesor, yang digunakan untuk memberikan

layanan pada pengguna sistem.

(3)

Elemen Sistem Komputer

(4)

4/65

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

(5)

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

(6)

6/65

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

(7)

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.

(8)

8/65

Bus Sistem

● Menyediakan jalur komunikasi antar komponen di dalam

sebuah sistem komputer yaitu prosesor, memori utama,

dan modul I/O.

Ta ne nb a um , 2 00 9.

(9)

Stallings, 2011.

(10)

10/65

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.

(11)

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

(12)

12/65

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);

(13)

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

(14)

14/65

Single-Board Computer (SBC)

(15)

Single-Board Computer (SBC)

(16)

Eksekusi

Instruksi

(17)

Sebuah program terdiri dari set instruksi

yang tersimpan di dalam memori.

(18)

18/65

Pemrosesan Instruksi (1)

● Prosesor membaca/mengambil sebuah instruksi dari

memori.

● Prosesor menjalankan instruksi tersebut.

● Siklus instruksi dasar:

(19)

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

(20)

20/65 Stallings, 2011.

(21)

Contoh Eksekusi Program (Hal. 12-13)

Stallings, 2011. AC=Accumulator, single data register.

(22)

(23)

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.

(24)

24/65

Interrupt dan Tanpa Interrupt (Hal. 14-15)

(25)

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.

(26)

26/65

Siklus Instruksi dengan Interrupt

(27)

Diagram Pewaktu

S ta lli ng s, 2 01 1.

(28)

28/65

Sebuah interrupt dapat memicu kejadian, baik

pada perangkat keras prosesor maupun

(29)

Kelas-Kelas Interrupt

(30)

30/65

Pemrosesan Interrupt (1)

(31)

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,

(32)

32/65

Perubahan Saat Terjadi Interrupt

S ta lli n gs , 2 0 11 .

(33)

Banyak Interrupt (1)

S ta lli n gs , 2 0 11 .

(34)

34/65

Banyak Interrupt (2)

S ta lli ng s, 2 0 11 .

(35)

(36)

36/65

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

(37)

(38)

38/65

Hirarki Memori (1)

(39)

Hirarki Memori (2)

(40)

40/65

(41)

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.

(42)

42/65

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.

(43)

(44)

44/65

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

(45)

Prinsip Cache

(46)

46/65

Struktur Cache dan Memori Utama

(47)

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?

(48)

48/65

Operasi Pembacaan Cache

(49)

Pertimbangan Desain Cache (Hal. 30-31)

● Ukuran cache.

● Ukuran blok.

● Fungsi pemetaan/mapping.

● Algoritma penggantian/replacement.

● Kebijakan penulisan.

(50)

Direct Memory

Access (DMA)

(51)

Teknik I/O (Hal. 31-32)

● Programmed 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.

● Interrupt-driven I/O.

● 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.

(52)

52/65

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

(53)

Multiprosesor

dan Multiinti

(54)

54/65

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.

(55)

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

program-program yang sesuai dengan pekerjaan, tugas, berkas, dan

tingkat elemen data.

(56)

56/65

Kelebihan SMP

(57)

Tanenbaum, 2009.

(58)

58/65

Organisasi SMP

(59)

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

(60)

60/65

Intel Core i7 (1)

(61)

Intel Core i7 (2)

(62)

62/65

Server Asus (1)

(63)

Server Asus (2)

(64)

64/65

Sistem Operasi harus menyediakan perkakas

dan fungsi-fungsi yang dibutuhkan agar dapat

memanfaatkan teknologi multiprosesor

dan multiinti.

(65)