Perangkat Keras I/O

7.1. Perangkat Keras I/O

Menurut Silberschatz et. al. [Silberschatz2002], salah satu tujuan utama dari suatu sistem operasi ialah mengatur semua perangkat I/O (Input/Output) komputer. Sistem operasi harus dapat memberikan perintah ke perangkat-perangkat itu, menangkap dan menangani interupsi, dan menangani error yang terjadi. Sistem operasi juga harus menyediakan antarmuka antara sistem operasi itu sendiri dengan keseluruhan sistem itu yang sederhana dan mudah digunakan. Antarmuka itu harus sama untuk semua perangkat (device independent), agar dapat dikembangkan.

Secara umum, terdapat beberapa jenis perangkat I/O, seperti perangkat penyimpanan (disk, tape), perangkat transmisi (network card, modem), dan perangkat antarmuka dengan pengguna (screen, keyboard, mouse). Perangkat tersebut dikendalikan oleh instruksi I/O. Alamat-alamat yang dimiliki oleh perangkat 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 pengendali (host adapter ). Port ialah koneksi yang digunakan oleh perangkat untuk berkomunikasi dengan mesin. Bus ialah koneksi yang menghubungkan beberapa perangkat menggunakan kabel-kabel. Pengendali ialah alat-alat elektronik yang berfungsi untuk mengoperasikan port, bus, dan perangkat.

Langkah yang ditentukan untuk perangkat ialah command-ready, busy, dan error. Host mengeset command-ready ketika perintah telah siap untuk dieksekusi oleh pengendali. Pengendali mengeset busy ketika sedang mengerjakan sesuatu, dan men-clear busy ketika telah siap untuk menerima perintah selanjutnya. Error diset ketika terjadi kesalahan.

7.1.1. Perangkat I/O

Pendapat orang-orang mengenai I/O berbeda-beda. Seorang insinyur mungkin akan memandang perangkat keras I/O sebagai kumpulan chip-chip, kabel-kabel, catu daya, dan komponen fisik lainnya yang membangun perangkat keras ini. Seorang programmer akan memandangnya sebagai antarmuka yang disediakan oleh perangkat lunak -- perintah yang diterima perangkat keras, fungsi yang dikerjakannya, dan error yang ditimbulkan.

Perangkat I/O dapat dibagi secara umum menjadi dua kategori, yaitu: perangkat blok (block devices), dan perangkat karakter (character devices). Perangkat blok menyimpan informasi dalam sebuah blok yang ukurannya tertentu, dan memiliki alamat masing-masing. Umumnya blok berukuran antara 512 bytes sampai 32.768 bytes. Keuntungan dari perangkat blok ini ialah mampu membaca atau menulis setiap blok secara independen. Disk merupakan contoh perangkat blok yang paling banyak digunakan.

Tipe lain perangkat I/O ialah perangkat karakter. Perangkat karakter mengirim atau menerima sebarisan karakter, tanpa menghiraukan struktur blok. Tipe ini tidak memiliki alamat, dan tidak memiliki kemampuan mencari (seek). Printer dan antarmuka jaringan merupakan contoh perangkat jenis ini.

Pembagian ini tidaklah sempurna. Beberapa perangkat tidak memenuhi kriteria tersebut. Contohnya: clock yang tidak memiliki alamat dan juga tidak mengirim dan menerima barisan karakter. Yang ia lakukan hanya menimbulkan interupsi dalam jangka waktu tertentu.

7.1.2. Pengendali Perangkat

Unit I/O mengandung komponen mekanis dan elektronis. Komponen elektronis ini disebut pengendali perangkat (device controllers) atau adapter. Pada komputer personal (PC), komponen ini biasanya berupa kartu sirkuit yang Unit I/O mengandung komponen mekanis dan elektronis. Komponen elektronis ini disebut pengendali perangkat (device controllers) atau adapter. Pada komputer personal (PC), komponen ini biasanya berupa kartu sirkuit yang

atau bahkan delapan perangkat yang sejenis. Sistem operasi hampir selalu berhubungan dengan pengendali, bukan dengan perangkat secara langsung. Sebagian besar komputer yang berukuran kecil menggunakan model bus tunggal seperti pada Gambar 7-1 untuk berkomunikasi antara CPU dan pengendali. Sedangkan mainframe yang berukuran besar umumnya menggunakan model yang berbeda, dengan bus yang banyak dan I/O channels.

Gambar 7-1. Model Bus Tunggal

Sebuah model untuk menghubungkan CPU, memori, pengendali, dan perangkat I/O.

7.1.3. Polling

Busy-waiting/polling ialah ketika host mengalami looping yaitu membaca status register secara terus-menerus sampai status busy di-clear. Pada dasarnya polling dapat dikatakan efisien. Akan tetapi polling menjadi tidak efisien ketika setelah berulang-ulang melakukan looping, hanya menemukan sedikit perangkat yang siap untuk menservis, karena CPU processing yang tersisa belum selesai.

Gambar 7-2. Proses Polling

Contoh proses polling yang tipikal.

7.1.4. Interupsi

Mekanisme Dasar Interupsi

Ketika CPU mendeteksi bahwa sebuah pengendali 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 keadaan terkini CPU--contohnya nilai instruksi pointer, dan memanggil interrupt handler agar handler tersebut dapat melayani pengendali atau alat yang mengirim interupsi tersebut.

Fitur Tambahan pada Komputer Modern

Pada arsitektur komputer modern, tiga fitur disediakan oleh CPU dan pengendali interupsi (pada perangkat keras) untuk dapat menangani interrupsi dengan lebih bagus. Fitur-fitur ini antara lain ialah kemampuan menghambat sebuah proses penanganan interupsi selama proses berada dalam critical state, efisiensi penanganan interupsi sehingga tidak perlu dilakukan polling untuk mencari perangkat yang mengirimkan interupsi, dan fitur yang ketiga ialah adanya sebuah konsep interupsi multilevel sedemikian rupa sehingga terdapat prioritas dalam penanganan interupsi (diimplementasikan dengan interrupt priority level system).

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. Maskable interrupt dapat dimatikan/dihentikan oleh CPU sebelum pengeksekusian deretan critical instruction (critical instruction sequence ) yang tidak boleh diinterupsi. Biasanya, interrupt jenis ini digunakan oleh pengendali perangkat untuk meminta pelayanan CPU.

Interrupt Vector dan Interrupt Chaining

Sebuah mekanisme interupsi akan menerima alamat interrupt handling routine yang spesifik dari sebuah set, pada kebanyakan arsitektur komputer yang ada sekarang ini, alamat ini biasanya berupa sekumpulan bilangan yang menyatakan offset pada sebuah tabel (biasa disebut vektor interupsi). Tabel ini menyimpan alamat-alamat interrupt handler spesifik di dalam memori. Keuntungan dari pemakaian vektor ialah untuk mengurangi kebutuhan akan sebuah interrupt handler yang harus mencari semua kemungkinan sumber interupsi untuk menemukan pengirim interupsi. Akan tetapi, vektor interupsi memiliki hambatan karena pada kenyataannya, komputer yang ada memiliki perangkat (dan interrupt handler) yang lebih banyak dibandingkan dengan jumlah alamat pada vektor interupsi. Karena itulah, digunakan teknik interrupt chaining setiap elemen dari vektor interupsi menunjuk pada elemen pertama dari sebuah daftar interrupt handler. Dengan teknik ini, overhead yang dihasilkan oleh besarnya ukuran tabel dan inefisiensi dari penggunaan sebuah interrupt handler (fitur pada CPU yang telah disebutkan sebelumnya) dapat dikurangi, sehingga keduanya menjadi kurang lebih seimbang.

Penyebab Interupsi

Interupsi dapat disebabkan berbagai hal, antara lain exception, page fault, interupsi yang dikirimkan oleh pengendali perangkat, dan system call. Exception ialah suatu kondisi dimana terjadi sesuatu, atau dari sebuah operasi didapat hasil tertentu yang dianggap khusus sehingga harus mendapat perhatian lebih, contohnya Interupsi dapat disebabkan berbagai hal, antara lain exception, page fault, interupsi yang dikirimkan oleh pengendali perangkat, dan system call. Exception ialah suatu kondisi dimana terjadi sesuatu, atau dari sebuah operasi didapat hasil tertentu yang dianggap khusus sehingga harus mendapat perhatian lebih, contohnya

7.1.5. Direct Memory Access (DMA)

DMA ialah sebuah prosesor khusus (special purpose processor) yang berguna untuk menghindari pembebanan CPU utama oleh program I/O (PIO).

Untuk memulai sebuah transfer DMA, host akan menuliskan sebuah DMA command block yang berisi pointer yang menunjuk ke sumber transfer, pointer yang menunjuk ke tujuan transfer, dan jumlah byte yang ditransfer, ke memori. CPU kemudian menuliskan alamat command block ini ke pengendali DMA, sehingga pengendali DMA dapat kemudian mengoperasikan bus memori secara langsung dengan menempatkan alamat-alamat pada bus tersebut untuk melakukan transfer tanpa bantuan CPU.

Tiga langkah dalam transfer DMA:

1. Prosesor menyiapkan DMA transfer dengan menyedia kan data-data dari perangkat, operasi yang akan ditampilkan, alamat memori yang menjadi sumber dan tujuan data, dan banyaknya byte yang ditransfer.

2. Pengendali DMA memulai operasi (menyiapkan bus, menyediakan alamat, menulis dan membaca data), sampai seluruh blok sudah di transfer.

3. Pengendali DMA meng-interupsi prosesor, dimana selanjutnya akan ditentukan tindakan berikutnya. Pada dasarnya, DMA mempunyai dua metode yang berbeda dalam mentransfer data. Metode yang pertama ialah

metode yang sangat baku dan sederhana disebut HALT, atau Burst Mode DMA, karena pengendali DMA memegang kontrol dari sistem bus dan mentransfer semua blok data ke atau dari memori pada single burst. Selagi transfer masih dalam prosres, sistem mikroprosessor di-set idle, tidak melakukan instruksi operasi untuk menjaga internal register. Tipe operasi DMA seperti ini ada pada kebanyakan komputer.

Metode yang kedua, mengikut-sertakan pengendali DMA 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. Metode DMA ini disebut cycle stealing mode. Cycle stealing DMA lebih kompleks untuk diimplementasikan dibandingkan HALT DMA, karena pengendali DMA harus mempunyai kepintaran untuk merasakan waktu pada saat sistem bus terbuka.

Handshaking

Proses handshaking antara pengendali DMA dan pengendali perangkat dilakukan melalui sepasang kabel yang disebut DMA-request dan DMA-acknowledge. Pengendali perangkat mengirimkan sinyal melalui DMA-request ketika akan mentransfer data sebanyak satu word. Hal ini kemudian akan mengakibatkan pengendali DMA memasukkan alamat-alamat yang dinginkan ke kabel alamat memori, dan mengirimkan sinyal melalui kabel DMA-acknowledge . Setelah sinyal melalui kabel DMA-acknowledge diterima, pengendali perangkat mengirimkan data yang dimaksud dan mematikan sinyal pada DMA-request.

Hal ini berlangsung berulang-ulang sehingga disebut handshaking. Pada saat pengendali DMA 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 pengendali DMA meningkatkan performa sistem secara keseluruhan.

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 ialah dapat mendukung transfer antara dua memori mapped device tanpa intervensi CPU.