Scheduling (Penjadwalan CPU)

Sistem operasi

 (bahasa Inggris: operating system ; OS) adalah seperangkat program yang mengelola sumber daya perangkat keras komputer, dan menyediakan layanan umum untuk aplikasi perangkat lunak. Sistem operasi adalah jenis yang paling penting dari perangkat lunak sistem dalam sistem komputer. Tanpa sistem operasi, pengguna tidak dapat menjalankan program aplikasi pada komputer mereka, kecuali program aplikasi booting.
Sistem operasi mempunyai penjadwalan yang sistematis mencakup perhitungan penggunaan memori, pemrosesan data, penyimpanan data, dan sumber daya lainnya.
Untuk fungsi-fungsi perangkat keras seperti sebagai masukan dan keluaran dan alokasi memori, sistem operasi bertindak sebagai perantara antara program aplikasi dan perangkat keras komputer,
meskipun kode aplikasi biasanya dieksekusi langsung oleh perangkat keras dan seringkali akan menghubungi OS atau terputus oleh itu. Sistem operasi yang ditemukan pada hampir semua perangkat yang berisi komputer-dari ponsel dan konsol permainan video untuk superkomputer dan server web.
Contoh sistem operasi modern adalah Linux, Android, iOS, Mac OS X, dan Microsoft Windows.

Pendahuluan

Biasanya, istilah Sistem Operasi sering ditujukan kepada semua perangkat lunak yang masuk dalam satu paket dengan sistem komputer sebelum aplikasi-aplikasi perangkat lunak terinstal. Sistem operasi adalah perangkat lunak sistem yang bertugas untuk melakukan kontrol dan manajemen perangkat keras serta operasi-operasi dasar sistem, termasuk menjalankan perangkat lunak aplikasi seperti program-program pengolah kata dan peramban web.
Secara umum, Sistem Operasi adalah perangkat lunak pada lapisan pertama yang ditempatkan pada memori komputer pada saat komputer dinyalakan booting. Sedangkan software-software lainnya dijalankan setelah Sistem Operasi berjalan, dan Sistem Operasi akan melakukan layanan inti untuk software-software itu. Layanan inti tersebut seperti akses ke disk, manajemen memori, penjadwalan tugas schedule task, dan antar-muka user GUI/CLI. Sehingga masing-masing software tidak perlu lagi melakukan tugas-tugas inti umum tersebut, karena dapat dilayani dan dilakukan oleh Sistem Operasi. Bagian kode yang melakukan tugas-tugas inti dan umum tersebut dinamakan dengan "kernel" suatu Sistem Operasi.
Kalau sistem komputer terbagi dalam lapisan-lapisan, maka Sistem Operasi adalah penghubungantara lapisan hardware dengan lapisan software. Sistem Operasi melakukan semua tugas-tugas penting dalam komputer, dan menjamin aplikasi-aplikasi yang berbeda dapat berjalan secara bersamaan dengan lancar. Sistem Operasi menjamin aplikasi lainnya dapat menggunakan memori, melakukan input dan output terhadap peralatan lain, dan memiliki akses kepada sistem berkas. Apabila beberapa aplikasi berjalan secara bersamaan, maka Sistem Operasi mengatur schedule yang tepat, sehingga sedapat mungkin semua proses yang berjalan mendapatkan waktu yang cukup untuk menggunakan prosesor (CPU) serta tidak saling mengganggu.
Dalam banyak kasus, Sistem Operasi menyediakan suatu pustaka dari fungsi-fungsi standar, dimana aplikasi lain dapat memanggil fungsi-fungsi itu, sehingga dalam setiap pembuatan program baru, tidak perlu membuat fungsi-fungsi tersebut dari awal.
Sistem Operasi secara umum terdiri dari beberapa bagian:

Mekanisme Boot, yaitu meletakkan kernel ke dalam memory

Kernel, yaitu inti dari sebuah Sistem Operasi

Command Interpreter atau shell, yang bertugas membaca input dari pengguna

Pustaka-pustaka, yaitu yang menyediakan kumpulan fungsi dasar dan standar yang dapat dipanggil oleh aplikasi lain

Driver untuk berinteraksi dengan hardware eksternal, sekaligus untuk mengontrolnya.

Sebagian Sistem Operasi hanya mengizinkan satu aplikasi saja yang berjalan pada satu waktu (misalnya DOS), tetapi sebagian besar Sistem Operasi baru mengizinkan beberapa aplikasi berjalan secara simultan pada waktu yang bersamaan. Sistem Operasi seperti ini disebut sebagaiMulti-tasking Operating System (misalnya keluarga sistem operasi UNIX). Beberapa Sistem Operasi berukuran sangat besar dan kompleks, serta inputnya tergantung kepada input pengguna, sedangkan Sistem Operasi lainnya sangat kecil dan dibuat dengan asumsi bekerja tanpa intervensi manusia sama sekali. Tipe yang pertama sering disebut sebagai Desktop OS, sedangkan tipe kedua adalah Real-Time OS, contohnya adalah Windows, Linux, Free BSD, Solaris, palm, symbian, dan sebagainya.

Kernel I/O Subsystem

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. Service yang akan kita bahas adalah I/O scheduling, buffering, caching, spooling, reservasi device, error handling.

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. Ini adalah contoh sederhana untuk menggambarkan definisi di atas. Jika sebuah arm disk terletak di dekat permulaan disk, dan ada tiga aplikasi yang memblokir panggilan untuk membaca untuk disk tersebut. Aplikasi 1 meminta sebuah blok dekat akhir disk, aplikasi 2 meminta blok yang dekat dengan awal, dan aplikasi 3 meminta bagian tengah dari disk. Sistem operasi dapat mengurangi jarak yang harus ditempuh oleh arm disk dengan melayani aplikasi tersebut dengan urutan 2, 3, 1. Pengaturan urutan pekerjaan kembali dengan cara ini merupakan inti dari I/O scheduling. Sistem operasi mengembangkan implementasi scheduling dengan menetapkan antrian permintaan untuk tiap device. Ketika sebuah aplikasi meminta sebuah blocking sistem I/O, permintaan tersebut dimasukkan ke dalam antrian untuk device tersebut. Scheduler I/O mengatur urutan antrian untuk meningkatkan efisiensi dari sistem dan waktu respon rata-rata yang harus dialami oleh aplikasi. Sistem operasi juga mencoba untuk bertindak secara adil, seperti tidak ada aplikasi yang menerima service yang buruk, atau dapat seperti memberi prioritas service untuk permintaan penting yang ditunda. Contohnya, pemintaan dari subsistem mungkin akan mendapatkan prioritas lebih tinggi daripada permintaan dari aplikasi. Beberapa algoritma scheduling untuk disk I/O akan dijelaskan ada bagian Disk Scheduling.

Satu cara untuk meningkatkan efisiensi I/O subsistem dari sebuah komputer adalah dengan mengatur operasi I/O. Cara lain adalah dengan menggunakan tempat penyimpanan pada memori utama atau pada disk, melalui teknik yang disebut buffering, caching, dan spooling.

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-copedengan kesalahan yang terjadi karena perbedaan kecepatan antara produsen dengan konsumen dari sebuah stream data. Sebagai contoh, sebuah file sedang diterima melalui modem dan ditujukan ke media penyimpanan dihard disk. Kecepatan modem tersebut kira-kira hanyalah 1/1000 daripada hard disk. Jadi buffer dibuat di dalam memori utama untuk mengumpulkan jumlah byte yang diterima dari modem. Ketika keseluruhan data dibuffer sudah sampai, buffer tersebut dapat ditulis ke disk dengan operasi tunggal. Karena penulisan disk tidak terjadi dengan instan dan modem masih memerlukan tempat untuk menyimpan data yang berdatangan, maka dipakai 2 buah buffer. Setelah modem memenuhi buffer pertama, akan terjadi request untuk menulis di disk. Modem kemudian mulai memenuhi buffer kedua sementara buffer pertama dipakai untuk penulisan ke disk. Pada saat modem sudah memenuhi buffer kedua, penulisan ke disk dari buffer pertama seharusnya sudah selesai, jadi modem akan berganti kembali memenuhi buffer pertama dan buffer kedua dipakai untuk menulis. Metode double buffering ini membuat pasangan ganda antara produsen dan konsumen sekaligus mengurangi kebutuhan waktu di antara mereka.

Alasan kedua dari buffering adalah untuk menyesuaikan device-device yang mempunyai perbedaan dalam ukuran transfer data. Hal ini sangat umum terjadi pada jaringan komputer, dimana buffer dipakai secara luas untuk fragmentasi dan pengaturan kembali pesan-pesan yang diterima. Pada bagian pengirim, sebuah pesan yang besar akan dipecah ke paket-paket kecil. Paket-paket tersebut dikirim melalui jaringan, dan penerima akan meletakkan mereka di dalam buffer untuk disusun kembali.

Alasan ketiga untuk buffering adalah untuk mendukung copy semantics untuk aplikasi I/O. Sebuah contoh akan menjelaskan apa arti dari copy semantics. Jika ada sebuah aplikasi yang mempunyai buffer data yang ingin dituliskan ke disk. Aplikasi tersebut akan memanggil sistem penulisan, menyediakan pointer ke buffer, dan sebuah integer untuk menunjukkan ukuran bytes yang ingin ditulis. Setelah pemanggilan tersebut, apakah yang akan terjadi jika aplikasi tersebut merubah isi dari buffer, dengan copy semantics, keutuhan data yang ingin ditulis sama dengan data waktu aplikasi ini memanggil sistem untuk menulis, tidak tergantung dengan perubahan yang terjadi pada buffer. Sebuah cara sederhana untuk sistem operasi untuk menjamin copy semantics adalah membiarkan sistem penulisan untuk mengkopi data aplikasi ke dalam buffer kernel sebelum mengembalikan kontrol kepada aplikasi. Jadi penulisan ke disk dilakukan pada buffer kernel, sehingga perubahan yang terjadi pada buffer aplikasi tidak akan membawa dampak apa-apa. Mengcopy data antara buffer kernel data aplikasi merupakan sesuatu yang umum pada sistem operasi, kecuali overhead yang terjadi karena operasi ini karena clean semantics. Kita dapat memperoleh efek yang sama yang lebih efisien dengan memanfaatkan virtual-memori mapping dan proteksi copy-on-wire dengan pintar.

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. sebagai contoh, untuk menghemat copy semantics dan membuat scheduling I/O menjadi efisien, sistem operasi menggunakan buffer pada memori utama untuk menyimpan data. Buffer ini juga digunakan sebagai cache, untuk meningkatkan efisiensi I/O untuk file yang digunakan secara bersama-sama oleh beberapa aplikasi, atau yang sedang dibaca dan ditulis secara berulang-ulang. Ketika kernel menerima sebuah permintaan file I/O, kernel tersebut mengakses buffer cacheuntuk melihat apakah daerah memori tersebut sudah tersedia dalam memori utama. Jika iya, sebuah physical disk I/O dapat dihindari atau tidak dipakai. penulisan disk juga terakumulasi ke dalam buffer cache selama beberapa detik, jadi transfer yang besar akan dikumpulkan untuk mengefisiensikan schedule penulisan. Cara ini akan menunda penulisan untuk meningkatkan efisiensi I/O akan dibahas pada bagian Remote File Access.

device, seperti drive tapedan printer tidak dapat me-multiplex permintaan I/O dari beberapa aplikasi. Spooling merupakan salah satu cara untuk mengatasi masalah ini. Cara lain adalah dengan membagi koordinasi untuk multiple concurrent ini. Beberapa sistem operasi menyediakan dukungan untuk akses device secara eksklusif, dengan mengalokasikan proses ke device idledan membuang device yang sudah tidak diperlukan lagi. Sistem operasi lainnya memaksakan limit suatu file untuk menangani deviceini. Banyak sistem operasi menyediakan fungsi yang membuat proses untuk menangani koordinat exclusive akses diantara mereka sendiri.

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 alasantransient, 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.

Sebuah ketentuan umum, yaitu sebuah sistem I/O akan mengembalikan satu bit informasi tentang status panggilan tersebut, yang akan menandakan apakah proses tersebut berhasil atau gagal. Sistem operasi pada UNIX menggunakan integer tambahan yang dinamakan errno untuk mengembalikan kode kesalahan sekitar 1 dari 100 nilai yang mengindikasikan sebab dari kesalahan tersebut. Akan tetapi, beberapa perangkat keras dapat menyediakan informasi kesalahan yang detail, walau pun banyak sistem operasi yang tidak mendukung fasilitas ini.

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. Sebagai contoh, Windows NT menggunakan implementasi message-passing untuk I/O. Sebuah permintaan I/O akan dikonversikan ke sebuah pesan yang dikirim melalui kernel kepada I/O manager dan kemudian ke device driver, yang masing-masing bisa mengubah isi pesan. Untuk output, isi message adalah data yang akan ditulis. Untuk input, message berisikan buffer untuk menerima data. Pendekatan message-passing ini dapat menambah overhead, dengan perbandingan dengan teknik prosedural yang men-share struktur data, tetapi akan mensederhanakan struktur dan design dari sistem I/O tersebut dan menambah fleksibilitas.

Kesimpulannya, subsistem I/O mengkoordinasi kumpulan-kumpulan service yang banyak sekali, yang tersedia dari aplikasi mau pun bagian lain dari kernel. Subsistem I/O mengawasi:

Manajemen nama untuk file dan device.

Kontrol akses untuk file dan device.

Kontrol operasi, contoh: model yang tidak dapat dikenali.

Alokasi tempat sistem file.

Alokasi device.

Buffering, caching, spooling.

I/O scheduling

Mengawasi status device, error handling, dan kesalahan dalam recovery.

Konfigurasi dan utilisasi driver device.

Rangkuman Sistem Operasi – Scheduling (Penjadwalan CPU)

May 20th, 2012

Posted in Sistem Operasi

Write comment

Kali ini saya akan membahas bagian penjadwalan/scheduling dari sistem operasi. Oke Markibas, (Mari kita bahas) yuk!

Scheduling dalam sistem operasi dapat diartikan dengan penjadwalan beberapa proses yang dieksekusi secara satu persatu atau bergantian pada sistem pemrosesan prosesor tunggal. Proses mana yang akan dijalankan dahulu? Nah, itulah yang dibahas pada penjelasan kali ini, di bawah terdapat beberapa cara prosesor menyelesaikan eksekusi proses tersebut atau yang biasa disebut dengan algoritma penjadwalan.

Sebelumnya, tujuan dari penjadwalan CPU sendiri adalah dapat memberikan penyelesaian eksekusi program dengan cepat tanpa adanya starvation pada prosesnya dan juga penggunaan prosesor yang lebih efisien dalam menyelesaikan eksekusi program.

Algoritma Penjadwalan

Terdapat beberapa cara dalam penyelesaian eksekusi program, setiap cara memiliki kekurangan dan kelebihan masing-masing dalam pemrosesan eksekusi program. Dan cara tersebut diantaranya yaitu:

1. First Come First Served (FCFS)
FCFS dapat disebut juga sebagai FIFO yang kepanjangannya adalah First In First Out. Dalam cara/algoritma ini, program yang pertama kali masuk ke CPU diproses hingga proses eksekusi tersebut selesai dan proses selanjutnya yang akan diproses adalah program yang masuk kedua setelah program pertama, dan begitupun terus model pengeksekusiannya. Siapa yang datang dahulu, maka proses itu yang diproses lebih dahulu oleh CPU.

2. Round Robin (RR)
Round Robin adalah algoritma yang menggunakan time slice (potongan waktu). Eksekusi dari sebuah proses diatur dengan berdasar pada alokasi waktu proses. Jadi, proses dari program pertama akan dipotong jika proses kedua datang ke dalam antrian, dan proses kedua akan dipotong jika proses ketiga datang juga ke dalam antrian, pemrosesan proses tersebut dijalankan terpotong-potong hingga proses tersebut selesai diproses.

3. Shortest Process Next (SPN)
SPN dapat disebut juga sebagai SJF (Shortest Job First), yaitu proses dengan waktu eksekusi terpendek akan diproses lebih dahulu, dan dijalankan sampai proses tersebut benar-benar selesai.

4. Shortest Remaining Time (SRT)
Algoritma dari SRT mirip dengan algoritma yang dimiliki oleh cara SPN, namun perbedaan dari SPN yaitu jika di SRT proses yang memiliki total waktu eksekusinya paling kecil akan langsung diproses tanpa harus menunggu proses sekarang yang sedang berjalan. Proses yang tadinya berjalan akan diantrikan lagi jika sisa waktu dari waktu eksekusi proses tersebut lebih pendek daripada proses lainnya.

5. Highest Response Ratio Next (HRRN)
HRRN adalah algoritma pemroresan dengan memperhatikan proses dengan rasio respon yang paling tinggi. Dalam mendapatkan rasio respon dapat menggunakan cara ini, Rasio = (waktu_tunggu + perkiraan_waktu_layan) / (perkiraan_waktu_layan). Jadi dalam algoritma ini proses yang kecil akan menghasilkan rasio yang tinggi, sehingga proses ini akan diutamakan oleh CPU.

6. Feedback (FB)
Feedback adalah algoritma yang mirip dengan Round Robin (RR). Yaitu proses akan diantrikan jika terdapat proses yang datang dan dijalankan secara bergantian/terpotong-potong dalam kuantum waktu tertentu. Kuantum waktu tersebut bisa sama, bisa juga tidak sama.

Penjadwalan Real-Time

Penjadwalan real-time dapat diartikan dengan penjadwalan yang benar-benar valid, yang ditentukan oleh hasil logika dan waktu hasil diperoleh.

Terdapat dua jenis penjadwalan berdasarkan tugasnya yaitu penjadwalan dengan hard real time, dan penjadwalan dengan soft real time. Dalam hard real time, tugas yang dikerjakan harus selesai tepat waktu namun pada soft real time, tugas yang dikerjakan harus selesai namun tidak ada batasan waktunya.

Sebelumnya, ciri-ciri dari penjadwalan real-time diantaranya:
- Determinism = Suatu proses memiliki batasan untuk dikerjakan
- Responsiveness = Respon suatu proses untuk dikerjakan
- User Control = Kontrol dari user terhadap proses yang dieksekusi
- Realiability = Penjadwalan ini dapat diandalkan dalam penangan masalah pada sistem operasi
- Fail-Soft Operation = Penyelesaian masalah yang ada pada sistem operasi

Dalam penjadwalan real-time terdapat beberapa piihan algoritma yaitu:

- Static Table-Driven Approaches
Pada pilihan ini, analisis statis digunakan untuk mencari tugas-tugas mana saja yang ikut dalam antrian dan deadline mana yang paling dekat, maka itulah yang dijalankan lebih dahulu.

- Static Priority-Driven Preemptive Approaches
Tugas-tugas diprioritaskan berdasarkan batasan waktu mereka. Pada saat dijalankan jika ada tugas dengan prioritas lebih tinggi, tugas yang sedang dijalankan dapat dihentikan.

- Dynamic Planning-Based Approaches
Tugas-tugas sudah direncakan untuk dijalankan, namun jika ada tugas baru datang dan memungkinkan untuk dijalankan, maka akan diterima untuk dijalankan.

- Dynamic Best Effort Approaches
Pilihan ini mempunyai perintah untuk menjalankan semua tugas yang datang, namun jika deadline tidak terpenuhi, maka dibatalkan.

Dan ada yang mengelompokkan penjadwalan real-time ini dengan algoritma lain, yaitu:

- Clock Driven
Clock driven ini biasa digunakan pada hard real-time sistem. Pelaksanaannya menggunakan timer interrupt dan scheduler dapat melakukan pekerjaannya setelah interupsi terjadi.

- Weighted Round Robin
Weighted Round Robin ini digunakan untuk penjadwalan real-time traffic berkecepatan tinggi. Contohnya yaitu pada algoritma penjadwalan jaringan.

- Priority Driven
Priority driven ini mengutamakan priotas untuk penyelesaian suatu proses yang dieksekusi. Biasanya digunakan untuk dinamis real-time sistem.