INPUT / OUTPUT

INPUT / OUTPUT

1. Prinsip Perangkat Keras I/O
Batasan : bagaimana hardware tersebut di program

Manajemen perangkat I/O mempunyai beragam fungsi, diantaranya :
- mengirimkan perintah ke perangkat I/O agar menyediakan layanan
- menangani interupsi perangkat I/O
- menangani kesalahan pada perangkat I/O
- menyediakan interface ke pemakai

1.1. I/O Device
Perangkat I/O dapat dibedakan berdasarkan :
1. Sifat aliran data
Berdasarkan aliran data dibedakan menjadi :
a. Perangkat berorientasi blok (block-oriented devices)
Menyimpan informasi dan menukarkan (menerima / mengirim) informasi sebagai blok-blok berukuran tetap. Tiap blok mempunyai alamat tersendiri. Ukuran blok dapat beragam antara 128 s/d 1024 byte.
Ciri utamanya adalah : dimungkinkan membaca / menulis blok-blok secara independent, yaitu dapat membaca atau menulis sembarang blok tanpa harus melewati blok-blok lain.
Contohnya : disk, tape, CD ROM, Optical disk
b. Perangkat berorientasi karakter (character-oriented devices)
Mengirim atau menerima karakter dan tanpa peduli membentuk suatu struktur blok, not addresable dan tidak mempunyai operasi seek.
Contohnya : terminals, line printer, punch card, network interfaces, pita kertas, mouse
Klasifikasi diatas tidak mutlak, karena ada beberapa perangkat yang tidak termasuk kategori diatas, misalnya :
- clock yang tidak teramati secara blok dan juga tidak menghasilkan / menerima aliran karakter. Clock menyebabkan interupsi pada interval-interval yang didefinisikan.
- Memory mapped screen,
- sensor
2. Sasaran komunikasi
Berdasarkan sasaran komunikasi dibedakan menjadi :
a. Perangkat yang terbaca oleh manusia (human readable device)
Perangkat yang cocok untuk komunikasi dengan manusia.
Contohnya :  VDT (Video Display Terminal) terdiri dari monitor, keyboard (+mouse)
b. Perangkat yang terbaca oleh mesin (machine readable device)
Perangkat yang cocok untuk komunikasi dengan perangkat elektronik.
Contohnya : disk, tape, sensor, controller, aktuator
c. Untuk komunikasi
Perangkat yang cocok untuk komunikasi dengan perangkat jarak jauh.
Contohnya : modem

1.2. Device Controller
Unit I/O berupa :
a. Komponen elektronik
Device controller / adapter adalah untuk mengaktifkan perangkat eksternal dan memberitahukan yang perlu dilakukan oleh perangkat / driver.
Contoh : unit tape megnetik diinstruksikan untuk kembali ke posisi awal, bergerak ke record berikutnya dan sebagainya.

b. Komponen mekanik
Contohnya : head, motor stepper, printer

1.3. Direct Memory Access (DMA)
DMA berfungsi membebaskan pemroses menunggui transfer data yang dilakukan I/O device. Saat pemroses ingin membaca atau menulis data, pemroses memerintahkan DMA Controller dengan mengirimkan informasi berikut :
- perintah penulisan / pembacaan
- alamat I/O device
- awal lokasi memori yang ditulis / dibaca
- jumlah word / byte yang ditulis / dibaca
setelah mengirimkan informasi itu ke DMA Controller, pemroses dapat melanjutkan kerja lain. Pemroses mendelegasikan operasi I/O ke DMA. DMA mentransfer seluruh data yang diminta ke / dari memori secara langsung tanpa melewati pemroses. Ketika transfer data selesai, DMA mengirimkan sinyal interupsi ke pemroses. Pemroses hanya dilibatkan pada awal dan akhir transfer data.
Operasi transfer antara perangkat dan memori utama dilakukan sepenuhnya oleh DMA, lepas dari pemroses dan hanya melakukan interupsi bila operasi telah selesai.
Keuntungan DMA :
- peningkatan kinerja prosesor atau I/O
- meminimasikan over head

Pada waktu data di tranfer dari controller ke memori, sektor berikut akan lewat dibawah head dan bits sampai ke controller. Controller sederhana tidak dapat melakukan I/O dalam waktu yang bersamaan, maka dilakukan interleaving (skip blok), memberi waktu untuk tranfer data ke memori. Interleaving ini terjadi pada disk bukan pada memori, seperti terlihat pada gambar di bawah ini.
2. Prinsip Software I/O
Ide Dasar : mengorganisasikan software dalam beberapa layer dimana level bawah menyembunyikan akses / kepelikan hardware untuk level diatasnya. Level atas membuat interface yang baik ke user.
Tujuan Software I/O
a. Konsep dalam desain software I/O
Device independence / tidak bergantung pada device yang digunakan
b. Penamaan yang seragam / Uniform Naming
Penamaan file berkas atau perangkat adalah string atau integer dan harus sederhana, tidak bergantung pada device
Contoh :  seluruh disks dapat dibuat dengan hirarki sistem file (menggunakan NPS)
c. Penanganan kesalahan / Error Handling
Error harus ditangani sedekat mungkin dengan hardware
Contoh : pertama controller, device driver, dst. Dan jika tidak bisa ditangani beri pesan
d. Synchronous (blocking) vs Asynchronous (Interrupt Driver) transfer
Kebanyakan I/O adalah asinkron. Pemroses mulai transfer dan mengabaikan untuk melakukan kerja lain sampai interupsi tiba.
Program pemakai sangat lebih mudah ditulis jika operasi I/O berorientasi blok. Setelah perintah read, pemrogram kemudian ditunda secara otomatis sampai data tersedia di buffer. Terserah sistem operasi untuk menangani operasi yang sesungguhnya interrupt driver.
e. Sharable vs Dedicated Device
Beberapa perangkat dapat dipakai bersama seperti disk, tapi ada juga perangkat yang hanya satu pemakai yang dibolehkan memakai pada satu saat.
Misal : disk untuk sharable dan printer untuk dedicated

Tujuan  diatas dapat dicapai dengan memisahkan software I/O menjadi 4 layers, yaitu :
1. Interrupt Handler
Interrupt harus disembunyikan agar tidak terlihat rutin berikutnya. Device driver di blok saat perintah I/O diberikan dan menunggu interupsi. Ketika interupsi terjadi, prosedur penanganan interupsi bekerja agar device driver keluar dari state blocked.
2. Device Drivers
Seluruh kode device dependent terletak di device driver. Tiap device driver menangani satu tipe / satu kelas device. Tugas dari device driver untuk menerima permintaan abstrak dari software device independent diatasnya dan melakukan layanan sesuai permintaan / mengeksekusinya.

3. Device Independent Operating System Software
I/O device-independent adalah : software I/O yang tak bergantung pada perangkat keras.
Fungsi dasar dari software device-independent :
- membentuk fungsi I/O yang berlaku untuk semua device
- menyediakan interface uniform / seragam ke user level software

Fungsi dari software I/O device-independent yang biasa dilakukan :
a. Interface seragam untuk seluruh device-driver
b. Penamaan device
c. Proteksi device
d. Memberi ukuran blok device agar bersifat device-independent
e. Melakukan Buffering
f. Alokasi penyimpanan pada blok devices
g. Alokasi dan pelepasan dedicated devices
h. Pelaporan kesalahan
4. User Space I/OSoftware
Sebagian besar software I/O berada di dalam sistem operasi yang di link dengan user program.
System call termasuk I/O, biasanya dalam bentuk prosedur (library procedures).
Contoh : count = write(fd,buffer,nbytes)
I/O prosedur dengan level lebih tinggi.
Contoh : printf (memformat output terlebih dahulu kemudian panggil write)

Yang tidak mempunyai library procedure, contohnya : spooling directory dan daemon (proses khusus) pada proses mencetak, transfer file, USENET

Layer
I/O reply  I/O functions
User processes
Make I/O call; format I/O; spooling
Device-independent
software Naming protection, blocking, buffering, allocation
Device-drivers
Setup device register, check status
Interrupt handler
Wake up driver when I/O completed
Hardware
Perform I/O operation

Lapisan sistem I/O dan fungsi utama dari tiap lapisan (layer)

3. Disk
Tiga kelebihan disk dari main memory untuk penyimpanan :
1. kapasitas penyimpanan yang tersedia lebih besar
2. harga per-bit-nya lebih rendah
3. informasi tidak hilang meskipun power off

3.1. Perangkat Keras Disk
Disk diorganisasikan menjadi silinder-silinder dengan tiap permukaan terdapat head yang ditumpuk secara vertikal. Track terbagi menjadi sektor-sektor.
Tiga faktor yang mempengaruhi waktu read/write block disk :
1. seek time (waktu menggerakkan lengan ke silinder)
2. rotational delay (waktu sector berputar ke head)
3. transfer time
yang sangat dominan adalah seek time, jadi performance dapat ditingkatkan dengan mengurangi waktu rata-rata seek.
Proses seek pada disk driver : seek ke lebih dari satu disk secara bersamaan, read/write bersama dengan seek, read/write dalam waktu yang bersamaan dari dua drive

3.2. Algoritma Penjadwalan Akses Lintas Disk
Pada sistem multiprogramming, banyak proses yang melakukan permintaan read/write record disk. Proses membuat permintaan lebih cepat dibandingkan yang dapat dilayani disk, membentuk antrian permintaan layanan disk. Diperlukan penjadwalan disk agar memperoleh kerja optimal.
Terdapat dua tipe penjadwalan disk, yaitu :
1. Penjadwalan untuk optimasi seek, karena waktu seek lebih tinggi satu orde dibandingkan waktu rotasi, maka kebanyakan algoritma penjadwalan berkonsentrasi meminimumkan seek kumpulan atau antrian permintaan layanan disk.
2. Penjadwalan untuk optimasi rotasi, penjadwalan disk melibatkan pemeriksaan terhadap permintaan yang belum dilayani untuk menentukan cara paling efisien melayani permintaan-perminataan, dan memeriksa hubungan posisi di antrian permintaan. Antrian disusun kembali sehingga permintaan akan dilayani dengan pergerakan mekanis minimum.
Adapun beberapa metode yang digunakan :
a. Algoritma Pertama Tiba Pertama Dilayani (PTPD) / First Come, First Served (FCFS) Algorithm
Disk drive melayani satu permintaan pada sauatu saat dan melayaninya sesuai urutan kedatangannya. Permintaan yang duluan tiba, dilayani duluan.

Contoh : 40 silinder dengan urutan 11, 1, 36, 1, 16, 34, 9, 12

b. Algoritma Pungut / Pick Up Algorithm

c. Algoritma Waktu Cari Terpendek Dipertamakan (WCTD) / Shortest Seek Time First (SSTF) Algorithm

d. Algoritma Lift Singkat / LOOK Algorithm

e. Agoritma Lift Singkat Searah / C-LOOK Algorithm

f. Algoritma Lift Lengkap / SCAN Algorithm

g. Algoritma Lift Lengkap Searah / C-Scan Algorithm

3.3. I/O Error Handling / Penanganan Kesalahan I/O
Error yang umum terjadi adalah :
1. Error pemrograman
Kesalahan disebabkan pemrograman. Misalnya : request sektor yang tidak ada. Penanganannya : pembetulan program untuk komersial software, batalkan operasi dan berharap tidak akan terjadi lagi
2. Error checksum transient
Kesalahan disebabkan adanya debu diantara head dengan permukaan disk. Penanganannya : lakukan operasi berulang-ulang dan menandai sector yang rusak.
3. Error checksum permanent
Kesalahan disebabkan kerusakan disk. Misalnya harus dibuat daftar blok-blok buruk agar data tidak ditulisi di blok-blok buruk.
4. Error seek
Kesalahan ini ditanggulangi dengan mengkalibrasi disk supaya berfungsi kembali. Misalnya lengan harusnya ke silinder 6 ternyata ke 7. Penanganannya : kalibrasi ulang.
5. Error controller
Kesalahan ini ditanggulangi dengan menukar pengendali yang salah dengan pengendali yang baru. Misalnya controller menolak perintah akses. Penanganannya : reset.
6. Track at time caching
Kontroller mempunyai memori untuk menyimpan informasi track dimana ia berada, permintaan pembacaan blok track tersebut dilakukan tanpa pergerakan mekanik.

3.4. RAM Disk
RAM disk adalah disk driver yang disimulasikan pada memori akses acak (RAM). RAM disk sepenuhnya mengeliminasi waktu tunda yang disebabkan pergerakan mekanis dalam seek dan rotasi. RAM disk berguna untuk aplikasi yang memerlukan kinerja disk yang tinggi.
Devices block adalah media penyimpanan dengan 2 perintah :  R (read) dan W (write). Normalnya blok-blok disimpan di disk berputar yang memerlukan mekanisme fisik.
Idenya adalah meniru driver dengan mengalokasikan terlebih dahulu satu bagian memori utama untuk menyimpan blok-blok data.
Keuntungannya : berkecepatan tinggi karena pengaksesan sesaat / instant, tidak ada waktu tunda seek dan waktu tunda rotasi. Sangat cocok untuk menyimpan program atau data yang sering diakses.
Main Memory (RAM)

4. Terminal
Semua komputer memerlukan terminal untuk komunikasi antar peralatan.
4.1. Terminal Hardware
Terminal hardware terbagi atas 2 kategori dasar, yaitu :

1. terminal interface melalui RS-232

RS-232 menghubungkan keyboard, monitor menggunakan serial interface, 1 bit dalam 1 waktu, dan menggunakan 25 pin konektor, dimana 1 pin untuk transmisi data, 1 pin untuk receive data dan 1 pin untuk ground, 22 pin yang lain digunakan untuk fungsi control atau ada pin yang tidak digunakan.
RS-232 dapat dikategorikan lagi menjadi :
a. hardcopy / printer, dimana tipe karakter dari keyboard ditransmisikan ke komputer, dan kemudian di cetak di kertas / printer.
b. Dumb CRT terminal / glass tty (teletype = terminal)
c. Intelligent CRT terminals, terdiri dari CPU dan memory, dan untuk program yang kompek digunakan EPROM atau ROM.
d. Blit, adalah terminal dengan powerful microprocessor

2. terminal memory-mapped

adalah interface melalui video RAM / video controller yang digunakan untuk monitor.
Terminal Software terdiri dari :
1. Input Software
2. Output Software
Studi kasus
1. manajemen I/O
pada MS DOS
MS DOS mendukung beragam perangkat serial, yang diidentifikasikan dengan nama file khusus, hanya tidak disimpan di suatu direktori tertentu, misalnya :
a. con : perangkat konsol
b. com1 : perangkat communication port 1
c. com2 : perangkat communication port 2
d. pm : perangkat printer
e. lpt1 : perangkat line printer 1
f. lpt2 : perangkat line printer 2
g. aux : perangkat auxiliary

contoh :
copy a.txt con :  tidak mengkopi file a.txt menjadi file con, tetapi menampilkan ke konsol
copy a.txt prn : tidak mengkopi file a.txt menjadi file prn, tetapi mengalirkan isi file a.txt ke printer sehingga printer akan mencetaknya
MS DOS memungkinkan pemakai memasang device driver sendiri setelah sistem di boot dengan penambahan pernyataan di file config.sys, misalnya ansi.sys, display.sys, mouse.sys, printer.sys, dll.
UNIX mengharuskan device driver dikompilasi ke kernel.