Konsep Dasar Perangkat Komputer dan Sistem Operasi

Konsep Dasar Perangkat Komputer dan Sistem Operasi - Apa itu Sistem Komputer? Sebuah sistem komputer dapat dibagi ke dalam beberapa komponen utama, seperti "para pengguna", "perangkat keras", serta "perangkat lunak".

1. Perangkat Keras (Hardware)
Perangkat ini berbentuk benda konkret yang dapat dilihat dan disentuh. Perangkat keras ini merupakan inti dari sebuah sistem kompter, serta penyedia sumber-daya (resources) untuk keperluan komputasi.

2. Para Pengguna (Users)
Ini merupakan pihak yang memanfaatkan sistem komputer tersebut. Para pengguna di sini bukan saja manusia, namun mungkin berbentuk program aplikasi lain, ataupun perangkat komputer lain.

3. Perangkat Lunak (Software)
Diantara "para pengguna" dan "perangkat keras" terdapat sebuah lapisan abstrak yang disebut dengan Perangkat Lunak. Secara keseluruhan, perangkat lunak membantu para pengguna untuk memanfaatkan sumber-daya komputasi yang disediakan perangkat keras.

Salah satu perangkat lunak yang memegang peranan penting sebagai jembatan penghubung Antara perangkat keras dan para pengguna adalah sistem operasi.

Gambar 1. Abstraksi Komponen Sistem Komputer

Perangkat Keras Sistem Komputer, Interkoneksi komponen dan Struktur I/O

Arsitektur perangkat keras komputer tradisional terdiri dari empat komponen utama yaitu "Prosesor", "Memori Penyimpanan", "Masukan" (Input), dan "Keluaran" (Output). Model tradisional tersebut sering dikenal dengan nama arsitektur von-Neumann (Gambar 2, “Arsitektur Komputer von-Neumann”).

Gambar 2. Arsitektur Komputer von-Neumann

baca juga: Pengertian Sinkronisasi Pada Sistem Operasi Komputer

Tidak ada suatu ketentuan khusus tentang bagaimana seharusnya struktur sistem sebuah komputer. Para ahli serta perancang arsitektur komputer memiliki pandangannya masing-masing. Akan tetapi, untuk mempermudah pemahaman rincian dari sistem operasi, kita perlu memiliki pengetahuan umum tentang struktur sistem komputer.

Secara umum, sistem komputer terdiri atas CPU dan sejumlah perangkat pengendali (device controller) yang terhubung melalui sebuah bus yang menyediakan akses ke memori (Gambar 3 menunjukkan arsitektur umum sebuah sistem komputer). Umumnya, setiap perangkat pengendali bertanggung-jawab atas sebuah hardware spesifik. Setiap device dan CPU dapat beroperasi secara konkuren untuk mendapatkan akses ke memori. Adanya beberapa hardware ini dapat menyebabkan masalah sinkronisasi. Karena itu untuk mencegahnya sebuah memory controller ditambahkan untuk sinkronisasi akses memori.

Sebuah sistem operasi akan mengkordinasikan penggunaan controller hardware ini dengan baik untuk menghindari masalah sinkronisasi dan interkoneksi antar perangkat.

Gambar 3. Arsitektur umum sebuah sistem komputer.

Gambar 4. Arsitektur PC Modern

PROSESOR

Prosesor sering juga disebut CPU (Central Processing Unit). Secara umum, prosesor atau CPU adalah sebuah perangkat didalam sistem komputer yang bertugas menjalankan instruksi-intruksi yang didapat dari program komputer dengan menjalankan proses dasar aritmatika, operasi logika dan operasi masukkan/keluaran.

MEDIA PENYIMPANAN

Salah satu device yang menjadi bagian dari arsitektur sistem computer adalah media penyimpanan. Media penyimpanan ini dapat berupa media penyimpanan utama (sementara) atau sekunder (permanen) dan tersier.

MEDIA PENYIMPANAN UTAMA

Dasar susunan media penyimpanan ialah kecepatan, biaya, sifat volatilitas. Gambat 5. Menunjukkan tingkatan penggunaan media penyimpanan Utama.

Gambar 5. Hirarki Media Penyimpanan Utama

1. Register

Tempat penyimpanan beberapa buah data volatile yang akan diolah langsung di prosesor yang berkecepatan sangat tinggi. Register ini berada di dalam prosesor dengan jumlah yang sangat terbatas karena fungsinya sebagai tempat perhitungan/komputasi data.

2. Cache Memory

Tempat penyimpanan sementara (volatile) sejumlah kecil data untuk meningkatkan kecepatan pengambilan atau penyimpanan data di memori oleh prosesor yang berkecepatan tinggi. Dahulu cache disimpan di luar prosesor dan dapat ditambahkan. Misalnya pipeline burst cache yang biasa ada di komputer awal tahun 90-an. Akan tetapi seiring menurunnya biaya produksi die atau wafer dan untuk meningkatkan kinerja, cache ditanamkan di prosesor. Memori ini biasanya dibuat berdasarkan desain memori statik.

3. Random Access Memory

Tempat penyimpanan sementara sejumlah data volatile yang dapat diakses langsung oleh prosesor. Pengertian langsung di sini berarti prosesor dapat mengetahui alamat data yang ada di memori secara langsung. Sekarang, RAM dapat diperoleh dengan harga yang cukup murah dangan kinerja yang bahkan dapat melewati cache pada komputer yang lebih lama.

4. Memori Ekstensi

Tambahan memori yang digunakan untuk membantu proses-proses dalam komputer, biasanya berupa buffer. Peranan tambahan memori ini sering dilupakan akan tetapi sangat penting artinya untuk efisiensi. Biasanya tambahan memori ini memberi gambaran kasar kemampuan dari perangkat tersebut, sebagai contoh misalnya jumlah memori VGA, memori soundcard.

5. Direct Memory Access

Perangkat DMA digunakan agar perangkat M/K (I/O device) yang dapat memindahkan data dengan kecepatan tinggi (mendekati frekuensi bus memori). Perangkat pengendali memindahkan data dalam blok-blok dari buffer langsung ke memory utama atau sebaliknya tanpa campur tangan prosesor. Interupsi hanya terjadi tiap blok bukan tiap word atau byte data. Seluruh proses DMA dikendalikan oleh sebuah controller bernama DMA Controller (DMAC). DMA Controller mengirimkan atau menerima signal dari memori dan I/O device. Prosesor hanya mengirimkan alamat awal data, tujuan data, panjang data ke pengendali DMA. Interupsi pada prosesor hanya terjadi saat proses transfer selesai. Hak terhadap penggunaan bus memory yang diperlukan pengendali DMA didapatkan dengan bantuan bus arbiter yang dalam PC sekarang berupa chipset Northbridge.

MEDIA PENYIMPANAN SEKUNDER

Media penyimpanan data yang non-volatile yang dapat berupa Flash Drive, Optical Disc, Magnetic Disk, Magnetic Tape. Media ini biasanya daya tampungnya cukup besar dengan harga yang relative murah. Portability-nya juga relatif lebih tinggi.

MEDIA PENYIMPANAN TERSIER

Pada standar arsitektur sequential komputer ada tiga tingkatan utama penyimpanan: primer,

sekunder, and tersier. Memori tersier menyimpan data dalam jumlah yang besar (terabytes, atau 1012 bytes), tapi waktu yang dibutuhkan untuk mengakses data biasanya dalam hitungan menit sampai jam. Saat ini, memori tersiser membutuhkan instalasi yang besar berdasarkan/bergantung pada disk atau tapes. Memori tersier tidak butuh banyak operasi menulis tapi memori tersier tipikal-nya write ones atau read many. Meskipun per-megabites-nya pada harga terendah, memory tersier umumnya yang paling mahal, elemen tunggal pada modern supercomputer installations. Ciri-ciri lain: non-volatile, penyimpanan off-line , umumnya dibangun pada removable media contoh optical disk, flash memory.

Fungsi-Fungsi Sistem Operasi

Sistem operasi adalah sebuah perangkat lunak yang menjadi jembatan atau penghubung antara perangkat keras dengan pengguna. Pengguna disini bisa saja manusia atau dapat berupa perangkat lunak lain. Sebuah sistem operasi dapat dibagi menjadi beberapa komponen. Secara umum, para pakar sepakat bahwa terdapat sekurangnya empat komponen manajeman utama yaitu:

• Manajemen Proses,
• Manajemen Memori, dan
• Manajamen Sistem Berkas.
• Manajemen Masukan/Keluaran.

Selain keempat komponen di atas, Avi Silberschatz, dan kawan-kawan menambahkan beberapa komponen seperti:

• Manajemen Penyimpanan Sekunder.
• Manajemen Sistem Proteksi.
• Manajemen Jaringan.
• Command-Interpreter System.

Manajemen Proses

Proses adalah sebuah program yang sedang dieksekusi. Sebuah proses membutuhkan beberapa sumber daya untuk menyelesaikan tugasnya. Alokasi sumber daya tersebut dikelola oleh Sistem Operasi. Umpamanya, waktu CPU, memori, berkas-berkas, dan perangkat-perangkat M/K. Ketika proses tersebut berhenti dijalankan, sistem operasi akan mendapatkan kembali semua sumber daya yang bisa digunakan kembali. Sistem operasi bertanggung-jawab atas aktivitas-aktivitas yang berkaitan dengan manajemen proses seperti:

• Membuat dan menghapus proses pengguna dan sistem proses.
• Menunda atau melanjutkan proses.
• Menyediakan mekanisme untuk sinkronisasi proses.
• Menyediakan mekanisme untuk komunikasi proses.
• Menyediakan mekanisme untuk penanganan deadlock.

Manajemen Memori

Memori utama atau lebih dikenal sebagai memori adalah sebuah array yang besar dari word atau byte, yang ukurannya mencapai ratusan, ribuan, atau bahkan jutaan. Setiap word atau byte mempunyai alamat tersendiri. Memori utama berfungsi sebagai tempat penyimpanan instruksi/data yang akses datanya digunakan oleh CPU dan perangkat Masukan/Keluaran. Memori Utama termasuk tempat penyimpanan data yang yang bersifat volatile -- tidak permanen -- yaitu data akan hilang kalau komputer dimatikan. Sistem operasi bertanggung-jawab atas aktivitas-aktivitas yang berkaitan dengan manajemen memori seperti:

• Menjaga track dari memori yang sedang digunakan dan siapa yang menggunakannya.
• Memilih program yang akan di-load ke memori.

Manajamen Sistem Berkas

Berkas adalah kumpulan informasi yang berhubungan, sesuai dengan tujuan pembuat berkas tersebut. Umumnya berkas merepresentasikan program dan data. Berkas dapat mempunyai struktur yang bersifat hirarkis (direktori, volume, dll.). Sistem operasi mengimplementasikan konsep abstrak dari berkas dengan mengatur media penyimpanan massa, misalnya tapes dan disk. Sistem operasi bertanggung-jawab dalam aktivitas yang berhubungan dengan manajemen berkas:

• Pembuatan dan penghapusan berkas.
• Pembuatan dan penghapusan direktori.
• Mendukung manipulasi berkas dan direktori.
• Memetakan berkas ke secondary-storage.
• Mem-back-up berkas ke media penyimpanan yang permanen (non-volatile).

Manajemen Masukan/Keluaran

Sistem ini sering disebut dengan device manager. Menyediakan device driver yang umum sehingga operasi Masukan/Keluaran dapat seragam (membuka, membaca, menulis, menutup). Contoh: pengguna menggunakan operasi yang sama untuk membaca berkas pada perangkat keras, CD-ROM dan floppy disk.

Komponen Sistem Operasi untuk sistem Masukan/Keluaran:

• Penyangga (buffer): menampung sementara data dari/ke perangkat Masukan/Keluaran.
• Spooling: melakukan penjadwalan pemakaian Masukan/Keluaran sistem supaya lebih efisien (antrian dsb.). 
• Menyediakan driver: untuk dapat melakukan operasi rinci untuk perangkat keras Masukan/Keluaran tertentu.

Manajemen Penyimpanan Sekunder

Data yang disimpan dalam memori utama bersifat sementara dan jumlahnya sangat kecil. Oleh karena itu, untuk menyimpan keseluruhan data dan program komputer dibutuhkan penyimpanan sekunder yang bersifat permanen dan mampu menampung banyak data, sebagai back-up dari memori utama. Contoh dari penyimpanan sekunder adalah hard-disk, disket, dll. Sistem operasi bertanggung-jawab atas aktivitas-aktivitas yang berkaitan dengan manajemen disk seperti:

• Free space management.
• Alokasi penyimpanan.
• Penjadwalan disk.

Manajemen Sistem Proteksi

Proteksi mengacu pada mekanisme untuk mengontrol akses yang dilakukan oleh program, prosesor, atau pengguna ke sistem sumber daya. Mekanisme proteksi harus:

• Membedakan antara penggunaan yang sudah diberi izin dan yang belum.
• Menspesifikasi kontrol untuk dibebankan/diberi tugas.
• Menyediakan alat untuk pemberlakuan sistem. 

Manajemen Jaringan

Sistem terdistribusi adalah sekumpulan prosesor yang tidak berbagi memori, atau clock. Setiap prosesor mempunyai memori dan clock tersendiri. Prosesor-prosesor tersebut terhubung melalui jaringan komunikasi Sistem terdistribusi menyediakan akses pengguna ke bermacam sumber-daya sistem. Akses tersebut menyebabkan peningkatan kecepatan komputasi dan meningkatkan kemampuan penyediaan data.

Command-Interpreter System

Sistem Operasi menunggu instruksi dari pengguna (command driven). Program yang membaca instruksi dan mengartikan control statements umumnya disebut: control-card interpreter, command-line interpreter dan terkadang dikenal sebagai shell. Command-Interpreter System sangat bervariasi dari satu sistem operasi ke sistem operasi yang lain dan disesuaikan dengan tujuan dan teknologi perangkat Masukan/Keluaran yang ada. Contohnya: CLI, Windows, Pen-based (touch), dan lain-lain.

Proteksi Perangkat Keras

Pada awalnya semua operasi pada sebuah sistem komputer ditangani oleh hanya seorang pengguna. Sehingga semua pengaturan terhadap perangkat keras maupun perangkat lunak dilakukan oleh pengguna tersebut. Namun seiring dengan berkembangnya Sistem Operasi pada sebuah sistem komputer, pengaturan ini pun diserahkan kepada Sistem Operasi tersebut. Segala macam manajemen sumber daya diatur oleh Sistem Operasi.

Pengaturan perangkat keras dan perangkat lunak ini berkaitan erat dengan proteksi dari perangkat keras maupun perangkat lunak itu sendiri. Sehingga, apabila dahulu segala macam proteksi terhadap perangkat keras dan perangkat lunak agar sistem dapat berjalan stabil dilakukan langsung oleh pengguna maka sekarang Sistem Operasi-lah yang banyak bertanggung jawab terhadap hal tersebut. Sistem Operasi harus dapat mengatur penggunaan segala macam sumber daya perangkat keras yang dibutuhkan oleh sistem agar tidak terjadi hal-hal yang tidak diinginkan. Seiring dengan maraknya berbagi sumberdaya yang terjadi pada sebuah sistem, maka Sistem Operasi harus dapat secara pintar mengatur mana yang harus didahulukan. Hal ini dikarenakan, apabila pengaturan ini tidak dapat berjalan lancar maka dapat dipastikan akan terjadi kegagalan proteksi perangkat keras.

Dengan hadirnya multiprogramming yang memungkinkan adanya utilisasi beberapa program di memori pada saat bersamaan, maka utilisasi dapat ditingkatkan dengan penggunaan sumberdaya secara bersamaan tersebut, akan tetapi di sisi lain akan menimbulkan masalah karena sebenarnya hanya ada satu program yang dapat berjalan pada satuan waktu yang sama. Akan banyak proses yang terpengaruh hanya akibat adanya gangguan pada satu program. Sebagai contoh saja apabila sebuah harddisk menjadi sebuah sumberdaya yang dibutuhkan oleh berbagai macam program yang dijalankan, maka bisa-bisa terjadi kerusakan harddisk akibat suhu yang terlalu panas akibat terjadinya sebuah situasi kemacetan penggunaan sumber daya secara bersamaan akibat begitu banyak program yang mengirimkan request akan penggunaan harddisk tersebut.

Di sinilah proteksi perangkat keras berperan. Sistem Operasi yang baik harus menyediakan proteksi yang maksimal, sehingga apabila ada satu program yang tidak bekerja maka tidak akan menggangu kinerja Sistem Operasi tersebut maupun program-program yang sedang berjalan lainnya.

Proteksi Fisik

Proteksi fisik merupakan fungsi Sistem Operasi dalam menjaga, memproteksi fisik dari pada sumberdaya (perangkat keras). Misal proteksi CPU dan proteksi hardisk. Contohnya adalah dalam kasus dual-mode operation (dibahas di sub-bab berikutnya).

Proteksi Media
Dalam keseharian kita ada beberapa jenis media yang digunakan untuk penyimpanan data, Antara lain tape, disket, CD, USB flash disk, dan lainnya. Untuk menjamin keamanan data yang tersimpan dalam media-media tersebut, maka perlu sebuah mekanisme untuk menanganinya. Mekanisme proteksi antara satu media dengan media yang lain tidak sama. Umpamanya, media disket menggunakan katup yang dapat di geser. Jika katupnya dibuka maka disket bisa ditulis dan di baca, jika ditutup maka disket hanya bisa dibaca tetapi tidak bisa ditulis.

Konsep Mode Operasi Ganda
Membagi sumber daya sistem yang memerlukan Sistem Operasi untuk menjamin bahwa program yang salah tidak menyebabkan program lain berjalan salah juga. Menyediakan dukungan perangkat keras untuk membedakan minimal dua mode operasi yaitu:

• User Mode Eksekusi - dikendalikan oleh pengguna; 
• Monitor/Kernel/System Mode - Eksekusi dikendalikan oleh Sistem Operasi. 

Proteksi Masukan/Keluaran
Semua instruksi masukan/keluaran umumnya Privileged Instruction (kecuali pada DOS, dan program tertentu). Harus menjamin pengguna program tidak dapat mengambil alih kontrol komputer di monitor mode.

Proteksi Memori
Sistem Operasi harus menyediakan perlindungan terhadap memori minimal untuk interrupt vector dan interrupt service routine. Ditambahkan dua register yang menentukan di mana alamat legal sebuah program boleh mengakses, yaitu base register untuk menyimpan alamat awal yang legal dan limit register untuk menyimpan ukuran memori yang boleh diakses Memori di luar jangkauan dilindungi.

Proteksi CPU
Timer melakukan interrupt setelah perioda waktu tertentu untuk menjamin kendali Sistem Operasi. Timer diturunkan setiap clock. Ketika timer mencapai nol, sebuah Interrupt terjadi. Timer biasanya digunakan untuk mengimplementasikan pembagian waktu. Timer dapat juga digunakan untuk menghitung waktu sekarang walaupun fungsinya sekarang ini sudah digantikan Real Time Clock (RTC). System Clock Timer terpisah dari Pencacah Waktu. Timer sekarang secara perangkat keras lebih dikenal sebagai System Timer/CPU Timer. Load Timer juga Privileged Instruction.

Daftar Pustaka

1. Masyarakat Digital Gotong Royong (MDGR), Pengantar Sistem Operasi Komputer, 2006
2. Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Central_processing_unit, diakses pada 02 September 2016.

Sekian artikel tentang Konsep Dasar Perangkat Komputer dan Sistem Operasi.