System BUS, Standard Input / Output Interface, dan DMA

I

System BUS

System bus atau bus sistem, dalam arsitektur komputer merujuk pada bus yang digunakan oleh sistem komputer untuk menghubungkan semua komponennya dalam menjalankan tugasnya. Sebuah bus adalah sebutan untuk jalur di mana data dapat mengalir dalam komputer. Jalur-jalur ini digunakan untuk komunikasi dan dapat dibuat antara dua elemen atau lebih. Data atau program yang tersimpan dalam memori dapat diakses dan dieksekusi oleh CPU melalui perantara sistem bus.

Sebuah komputer memiliki beberapa bus, agar dapat berjalan. Banyaknya bus yang terdapat dalam sistem, tergantung dari arsitektur sistem komputer yang digunakan.

Bus disusun secara hierarkis, karena setiap bus yang memiliki kecepatan rendah akan dihubungkan dengan bus yang memiliki kecepatan tinggi. Setiap perangkat di dalam sistem juga dihubungkan ke salah satu bus yang ada.

Sedangkan jenis-jenis bus itu sendiri juga dikelompokkan berdasarkan masingmasing kriteria, tapi disini akan di jelaskan Jenis Bus berdasarkan fungsinya. Langsung saja berikut jenis-jenis Bus Berdasarkan Fungsi :

• Data Bus :

>Berfungsi untuk mentransfer data, membawa data dari dan ke perangkat atau peripheral

>Terdiri atas beberapa jalur penghantar, 8, 16, 32 bahkan 64 bahkan lebih jalur parallel

>Data ditransmisikan dalam dua arah, yaitu dari CPU atau mikroprosesor ke unit memori atau modul I/O dan sebaliknya.

>Semakin lebar bus maka semakin besar data yang dapat ditransfer sekali waktu.

• Control Bus:

>Berfungsi untuk mensinkronkan proses penerimaan dan pengiriman data.

>Untuk mengatur memori atau port agar siap ditulis atau dibaca.

>Sinyal Kontrol: RD, WR, IO/M

>Sinyal Read dan write : untuk mengakses data ke dan dari perangkat

• Address Bus:

>Membawa informasi untuk mengetahui lokasi suatu perangkat atau peripheral

>Untuk memilih lokasi memori atau port yang akan ditulis atau dibaca

>Untuk menentukan rute data, bersumber dari mana, tujuannya ke mana.

>Bersifat searah, cpu memberikan alamat yang bertujuan untuk menentukan periferal mana yang dituju.

II

Standard Input / Output Interface

• I/O Sistem Operasi

I/O System merupakan bagian untuk menangani inputan dan outputan dari DCS. Inputan dan outputan tersebut bisa analog atau digital. Inputan/outputan digital seperti sinyal-sinyal ON/OFF atau Start/Stop. Kebanyakan dari pengukuran proses dan outputan terkontrol merupakan jenis analog.

Pengertian Input
Input adalah semua data dan perintah yang dimasukkan ke dalam memori komputer untuk selanjutnya diproses lebih lanjut oleh prosesor. Sebuah perangkat input adalah komponen piranti keras yang memungkinkan user atau pengguna memasukkan data ke dalam komputer, atau bisa juga disebut sebagai unit luar yang digunakan untuk memasukkan data dari luar ke dalam mikroprosesor.

Pengertian Output
Output adalah data yang telah diproses menjadi bentuk yang dapat digunakan. Artinya komputer memproses data-data yang diinputkan menjadi sebuah informasi. Yang disebut sebagai perangkat output adalah semua komponen piranti keras yang menyampaikan informasi kepada orang-orang yang menggunakannya.

I/O system terdiri dari beberapa bagain penting yaitu:

• I/O Hardware

Secara umum, I/O Hardware terdapat beberapa jenis seperti device penyimpanan (disk,tape), transmission device (network card, modem), dan human-interface device (screen, keyboard,mouse). Device tersebut dikendalikan oleh instruksi I/O. Alamat-alamat yang dimiliki device 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 controller  (host adapter).

Port adalah koneksi yang digunakan oleh device untuk berkomunikasi dengan mesin.

Bus adalah koneksi yang menghubungkan beberapa device menggunakan kabel-kabel.

Controller adalah alat-alat elektronik yang berfungsi untuk mengoperasikan port, bus, dan device.

• Application I/O Interface

Merupakan suatu mekanisme untuk mempermudah pengaksesan, sehingga sistem operasi melakukan standarisasi cara pengaksesan peralatan I/O. Interface aplikasi I/O melibatkan abstraksi, enkapsulasi, dan software layering. Device driver mengenkapsulasi tiap-tiap peralatan I/O ke dalam masing-masing 1 kelas yang umum (interface standar). Tujuan dari adanya lapisan device driver ini adalah untuk menyembunyikan  perbedaan-perbedaan yang ada pada device controller dari subsistem I/O pada  kernel. Karena hal ini, subsistem I/O dapat bersifat independen dari hardware.

Beberapa hal yang berhubungan dengan Application I/O Interface adalah:

>Peralatan Block dan Karakter:

Perangkat Block termasuk disk drive

Perintah termasuk baca, tulis dan cari

Raw I/O atau akses file-sistem

Pemetaan memori untuk pengaksesan file

Perangkat karakter termasuk keyboad, mouse dan serial port

Perintahnya seperti get, put

Library layered  dalam proses pengeditan

>Peralatan Jaringan

   Adanya perbedaan pengalamatan dari jaringan I/O, maka sistem operasi memiliki interface I/O yang berbeda dari baca, tulis dan pencarian pada disk. Salah satu yang banyak digunakan pada sistem operasi adalah interface socket. Socket berfungsi untuk menghubungkan komputer ke jaringan. System call pada socket interface dapat memudahkan suatu aplikasi untuk membuat local  socket, dan menghubungkannya ke remote socket.Dengan menghubungkan komputer ke socket, maka komunikasi antar komputer dapat dilakukan.

>Jam dan Timer

Jam dan timer pada hardware komputer, memiliki tiga fungsi : 

Memberi informasi waktu saat ini

Memberi informasi lamanya waktu sebuah proses

Sebagai trigger untuk suatu operasi pada suatu waktu. 

Fungsi ini sering digunakan oleh sistem operasi. Akan tetapi, system call untuk pemanggilan fungsi  ini tidak di-standarisasi antar sistem operasi. Hardware yang mengukur waktu dan melakukan operasi trigger dinamakan programmable interval timer yang dapat di set untuk menunggu waktu tertentu dan kemudian melakukan interupsi.

• Kernel I/O subsystems

   Kernel menyediakan banyak service yang berhubungan dengan I/O. Pada bagian ini, kita akan mendeskripsikan beberapa service yang disediakan oleh kernel I/O subsystem, dan kita akan membahas bagaimana caranya membuat infrastruktur hardware dan device-driver.

>I/O Scheduling

Untuk menjadualkan sebuah set permintaan I/O, kita harus menetukan urutan yang bagus untuk mengeksekusi permintaan tersebut. Scheduling dapat meningkatkan kemampuan sistem secara keseluruhan, dapat membagi device secara rata di antara proses-proses, dan dapat mengurangi waktu tunggu rata-rata untuk menyelesaikan I/O. 

>Buffering

Buffer adalah area memori yang menyimpan data ketika mereka sedang dipindahkan antara dua device atau antara device dan aplikasi. Buffering dilakukan untuk tiga buah alasan. Alasan pertama adalah untuk men-cope dengan kesalahan yang terjadi karena perbedaan kecepatan antara produsen dengan konsumen dari sebuah stream data.

>Caching

Sebuah cache adalah daerah memori yang cepat yang berisikan data kopian. Akses ke sebuah kopian yang di-cached lebih efisien daripada akses ke data asli. Sebagai contoh, instruksi-instruksi dari proses yang sedang dijalankan disimpan ke dalam disk, dan ter-cached di dalam memori physical, dan kemudian dicopy lagi ke dalam cache secondary and primary dari CPU. Perbedaan antara sebuah buffer dan ache adalah buffer dapat menyimpan satu-satunya informasi datanya sedangkan sebuah cache secara definisi hanya menyimpan sebuah data dari sebuah tempat untuk dapat diakses lebih cepat. Caching dan buffering adalah dua fungsi yang berbeda, tetapi terkadang sebuah daerah memori dapat digunakan untuk keduanya.

>Spooling dan Reservasi Device

Sebuah spool adalah sebuah buffer yang menyimpan output untuk sebuah device, seperti printer, yang tidak dapat menerima interleaved data streams. Walau pun printer hanya dapat melayani satu pekerjaan pada waktu yang sama, beberapa aplikasi dapat meminta printer untuk mencetak, tanpa harus mendapatkan hasil output mereka tercetak secara bercampur. Sistem operasi akan menyelesaikan masalah ini dengan meng-intercept semua output kepada printer. Tiap output aplikasi sudah di-spooled ke disk file yang berbeda. Ketika sebuah aplikasi selesai mengeprint, sistem spooling akan melanjutkan ke antrian berikutnya. Di dalam beberapa sistem operasi, spooling ditangani oleh sebuah sistem proses daemon.

>Error Handling

Sebuah sistem operasi yang menggunakan protected memory dapat menjaga banyak kemungkinan error akibat hardware mau pun aplikasi. Devices dan transfer I/O dapat gagal dalam banyak cara, bisa karena alasan transient, seperti overloaded pada network, mau pun alasan permanen yang seperti kerusakan yang terjadi pada disk controller. Sistem operasi seringkali dapat mengkompensasikan untuk kesalahan transient. Seperti, sebuah kesalahan baca pada disk akan mengakibatkan pembacaan ulang kembali dan sebuah kesalahan pengiriman pada network akan mengakibatkan pengiriman ulang apabila protokolnya diketahui. Akan tetapi untuk kesalahan permanent, sistem operasi pada umumnya tidak akan bisa mengembalikan situasi seperti semula.

>Kernel Data Structure

Kernel membutuhkan informasi state tentang penggunakan komponen I/O. Kernel menggunakan banyak struktur yang mirip untuk melacak koneksi jaringan, komunikasi karakter-device, dan aktivitas I/O lainnya. UNIX menyediakan akses sistem file untuk beberapa entiti, seperti file user, raw devices, dan alamat tempat proses. Walau pun tiap entiti ini didukung sebuah operasi baca, semantics-nya berbeda untuk tiap entiti. Seperti untuk membaca file user, kernel perlu memeriksa buffer cache sebelum memutuskan apakah akan melaksanakan I/O disk. Untuk membaca sebuah raw disk, kernel perlu untuk memastikan bahwa ukuran permintaan adalah kelipatan dari ukuran sektor disk, dan masih terdapat di dalam batas sektor. Untuk memproses citra, cukup perlu untuk mengkopi data ke dalam memori. UNIX mengkapsulasikan perbedaan-perbedaan ini di dalam struktur yang uniform dengan menggunakan teknik object oriented.Beberapa sistem operasi bahkan menggunakan metode object oriented secara lebih extensif.

• I/O Requests to Hardware Operations

   Salah satu contohnya adalah:

>Ilustrasi membuka sebuah
–  Device mana tempat file yang akan dibuka
–  Menerjemahkan _nama_ ke dalam device yang dimaksud
–  Membaca secara fisik file yang hendak dibuka
–  Data sudah siap untuk diakses
–  Mengembalikan kontrol pada proses 

>Ilustrasi lain pada waktu boot
   Sistem mula-mula meminta bus piranti keras untuk menentukan device apa yang ada.

• Streams

   I/O stream adalah suatu mekanisme pengiriman data secara bertahap dan terus menerus melalui suatu aliran data (dua arah).Biasa digunakan dalam network protocol dan menggunakan  message passingdalam men-transferdata Stream terdiri atas : 

Sebuah stream head yang merupakan antarmuka dengan user process,

sebuah driver end yang mengontrol device, dan nol atau lebih stream modules 

• Performance

Faktor utama dalam performa sistem :

>Permintaan CPU untuk menjalankan device driver, kode kernel I/O

>Keadaan/state untuk melayani interrupt 

>Copy data

>Network traffic khususnya pada beban kinerja 

Improving Perfomance:

>Menurunkan jumlah alih konteks. 

>Mengurangi jumlah pengkopian data ke memori ketika sedang dikirimkan antara device dan aplikasi. 

>Mengurangi frekuensi interupsi, dengan menggunakan ukuran transfer yang besar, smart controller, dan polling.

>Meningkatkan concurrency dengan controller atau channel yang mendukung DMA. 

>Memindahkan kegiatan processing ke perangkat keras, sehingga operasi kepada device controller dapat berlangsung bersamaan dengan CPU. 

>Menyeimbangkan antara kinerja CPU, memory subsystem, bus, dan I/O.

III

DMA

Direct memory access (DMA) adalah suatu alat pengendali khusus disediakan untuk memungkinkan transfes blok data langsung antar perangkat eksternal dan memori utama, tanpa intervensi terus menerus dari prosesor.

Transfer DMA dilakukan oleh sirkuit kontrol yang merupakan bagian dari antar muka perangkat I/O. Istilah ini yang sering banyak kita ketahui adalah sebagai kontroler DMA. Kontroler DMA melakukan fungsi yang biasanya dilakukan oleh prosesor pada saat mengakses memori utama (yang sering disebut :RAM). Untuk setiap word yang ditransfer, kontroler ini menyediakan alamat memori dan semua sinyal bus yang mengontrol transfer data. Karena harus mentransfer sejumlah blok data, maka kontroler DMA harus menaikkan alamat memori untuk word yang berurutan dan mencatat jumlah transfer.

Sekalipun kontroler DMA dapat mentransfer data tanpa intervensi dari prosesor, operasinya tetap berada dibawah kontrol program yang dieksekusi oleh prosesor. Untuk menginisiasi transfer suatu blok word, prosesor mengirim alamat awal, jumlah word dalam blok, dan arah transfer. Pada saat seluruh blok telah ditransfer, kontroler tersebut memberitahu prosesor dengan memunculkan sinyal interupt. Pada saat transfer DMA terjadi, program yang meminta transfer tersebut berhenti bekerja dan prosesor dapat digunakan untuk mengeksekusi program lain. Setelah transfer DMA selesai, prosesor dapat kembali ke program yang meminta transfer tersebut.

Operasi I/O selalu dilakukan oleh OS sebagai respon terhadap request dari program aplikasi. OS juga bertanggung jawab untuk menunda eksekusi satu program dan memulai eksekusi program lain. Sehingga, untuk operasi I/O yang melibatkan DMA, OS menetapkan program yang meminta transfer tsb pada keadaan blocked, menginisiasi operasi DMA, dan memulai eksekusi program lain. Pada saat transfer selesai, kontroler DMA memberitahu prosesor dengan mengirim interupt request. Sebagai responnya, OS menetapkan program yang ditunda ke keadaan runnable sehingga dapat dipilih oleh scheduler untuk melanjutkan eksekusi.

https://id.wikipedia.org/wiki/Bus_sistem
https://ubay16.wordpress.com/2013/12/27/sistem-inputoutput-io/
http://margono.staff.uns.ac.id/2009/04/08/direct-memory-access-dma/
http://nifan10.blogspot.co.id/2013/04/pengertian-bus-dan-jenis-jenis-bus.html