Arsitektur Sistem Operasi

Dalam struktur sistem komputer, Sistem Operasi merupakan perangkat lunak lapisan pertama yang diletakkan pada media penyimpan (hard disk) di komputer. Sementara itu perangkat lunak lainnya berada padai lapisan ke dua. Gambar dibawah ini menjelaskan sistem operasi dalam struktur sistem komputer.

 Sistem Operasi dalam struktur sistem komputer

Computer hardware adalah semua bagian fisik dari komputer, dan dibedakan dengan data yang berada di dalamnya atau yang beroperasi di dalamnya, dan perangkat lunak yang menyediakan instruksi untuk perangkat keras dalam menyelesaikan tugasnya. Batasan antara perangkat keras dan perangkat lunak akan sedikit buram jika berbicara mengenai firmware, karena firmware ini adalah perangkat lunak yang "dibuat" atau di tanam ke dalam perangkat keras.

Utilities merupakan perangkat lunak komputer yang didisain untuk membantu proses analisis, konfigurasi, optimasi, dan membantu pengelolaan sebuah komputer ataupun sistem. Utilitas memfokuskan penggunaannya pada optimalisasi fungsi dari infrastruktur yang terdapat dalam sebuah komputer. Fungsi tersebut antara lain backup data, pemulihan sistem atau data, kompresi data, penanganan virus dll.

aplication programs adalah perangkat lunak aplikasi yang memanfaatkan kemampuan komputer langsung untuk melakukan tugas-tugas yang diinginkan pengguna. Pengguna dapat melakukan berbagai hal dengan komputer seperti mengetik, melakukan permainan, merancang gambar dll. Beberapa program aplikasi digabung bersama menjadi suatu paket yang disebut paket atau suite aplikasi (application suite). Contohnya adalah Microsoft Office dan OpenOffice.org,

Sistem Operasi mempunyai fungsi dan peranan yang sangat penting dalam sistem komputer. Peranan dan fungsi sistem operasi tersebut antara lain ialah :

1.        Sebagai kernel, yaitu program yang secara terus-menerus berjalan (running) selama komputer dijalankan.

2.        Sebagai Guardian: yaitu menyediakan kontrol akses yang melindungi file dan memberikan pengawasan kepada proses pembacaan, penulisan atau eksekusi data dan program.

3.        Sebagai Gatekeeper: mengendalikan siapa saja yang berhak masuk (log) kedalam sistem dan mengawasi tindakan apa saja yang dapat mereka kerjakan ketika telah log dalam sistem.

4.        Sebagai Optimizer: Mengefisienkan perangkat keras komputer sehingga nyaman untuk dioperasikan oleh pengguna, menjadwal input oleh pengguna, pengaksesan basis data, proses komunikasi, dan pengeluaran (output) untuk meningkatkan kegunaan.

5.        Sebagai Coordinator : menyediakan fasilitas sehingga aktivitas yang kompleks dapat diatur untuk dikerjakan dalam urutan yang telah disusun sebelumnya.

6.        Sebagai Programm Controller program pengontrol yaitu program yang digunakan untuk mengontrol program aplikasi lainnya.

7.        Sebagai Server: untuk menyediakan layanan yang sering dibutuhkan pengguna, baik secara eksplisit maupun implisit, seperti mekanisme akses file, fasilitas interupt.

8.        Sebagai Accountant: mengatur waktu CPU (CPU time), penggunaan memori, pemanggilan perangkat I/O (masukan/keluaran), disk storage dan waktu koneksi terminal.

9.        Sebagai interface (antar muka) yang menjembatani pengguna dengan perangkat keras, menyediakan lingkungan yang bersahabat dan mudah digunakan (User Friendly). Sehingga pengguna tidak dirumitkan oleh bahasa mesin atau perangkat level bawah

10.    Sistem resources manager : yaitu sebagai pengelola seluruh sumber daya sistem komputer.

11.    Sebagai Virtual Machine, yang menyediakan layanan seperti menyembunyikan kompleksitas pemrograman dan menyajikan fasilitas yang lebih mudah untuk menggunakan hardware.

Arsitektur Sistem Operasi

Arsitektur perangkat lunak adalah merupakan struktur-struktur yang menjadikan landasan untuk menentukan keberadaan komponen-komponen perangkat lunak, metode atau cara untuk mengelola (organisasi) komponen-komponen tersebut untuk saling berinteraksi. Komponen tersebut merupakan program-program bagian (prosedur, fungsi) yang akan dieksekusi oleh program utama.

Arsitektur system operasi adalah merupakan arsitektur perangkat lunak yang digunakan untuk membangun suatu perangkat lunak sistem operasi yang akan digunakan dalam sistem komputer. Perkembangan arsitktur system operasi modern ini semakin komplek dan rumit sehingga memerlukan sistem operasi yang dirancang dengan sangat hati-hati, cermat dan tepat agar dapat berfungsi secara optimum dan mudah untuk dimodifikasi.   

Sistem operasi merupakan kumpulan dari program-program (prosedur,fungsi, library) dimana prosedur dapat saling dipanggil oleh prosedur lain di sistem bila diperlukan”. Sistem pemanggilan program untuk mendapatkan layanan dari sistem operasi tersebut dikenal dengan nama System Call atau API (aplication programming interface).

Berbagai ragam Arsitektur system operasi moderen diantaranya adalah :

a)      Sistem monolitik

Sistem monolitik Merupakan struktur sistem operasi sederhana yang dilengkapi dengan operasi “dual” pelayanan {sistem call} yang diberikan oleh sistem operasi. Model sistem call dilakukan dengan cara mengambil sejumlah parameter pada tempat yang telah ditentukan sebelumnya, seperti register atau stack dan kemudian mengeksekusi suatu intruksi trap tertentu pada monitor mode.

         Sistem call pada Model struktur monolitik sistem operasi

Model struktur monolitik sistem operasi 

 

Pada model ini, tiap-tiap sistem call memiliki satu service procedure. Ulitity pro-cedure mengerjakan segala sesuatu yang dibutuhkan oleh beberapa service procedure, seperti mengambil data dari user program. Mekanisme dan prinsip kerja model struktur monolitik sistem operasi ini adalah sebagai berikut:

·      User program melakukan “trap” pada karnel

·      Intruksi berpindah dari user mode ke monitor modedan mentransfer control ke sistem operasi.

·      Sistem operasi mengecek parameter-parameter dari pemanggilan tersebut, untuk menentukan sistem call mana yang memanggil.

·      Sistem operasi menunjuk ke suatu table yang berisi slot ke-k yang menunjuk sistem call K (Kontrol).

·      Kontrol akan dikembalikan kepada user program, jika sistem call telah selesai mengerjakan tugasnya. Tatanan ini memberikan suatu struktur dasar dari sistem operasi sebagai berikut :

o   Program utama meminta service procedure.

o   Kumpulan service procedure yang dibaca oleh sistem call.

o   Kumpulan utility procedure yang membantu service procedure.

Keunggulan dari system Monolitik ini adalah: layanan terhadap job-job yang ada bisa dilakukan dengan cepat karena berada pada satu ruang alamat memory. Sementara itu kelemahan dari system Monolitik adalah:

·      Pengujian dan penghilangan kesalahan sulit dilakukan karena tidak dapat dipisahkan dan dilokasikan,

·      Sulit dalam menyediakan fasilitas pengamanan.

·      Kurang efisien dalam penggunaan memori dimana setiap computer harus menjalankan kernel yang besar sementara tidak memerlukan seluruh layanan yang disediakan kernel.

·      Kesalahan pemrograman di satu bagian kernel menyebakan matinya seluruh sistem

b)     Sistem berlapis

Teknik pendekatan struktur sistem berlapis sistem operasi pada dasarnya dibuat menggunakan pendekatan top-down, semua fungsi ditentukan dan dibagi menjadi komponen komponen. Modularisasi sistem dilakukan dengan cara memecah sistem operasi menajdi beberapa lapis (tingkat). Lapisan terendah (layer 0) adalah perangkat keras dan lapisan teratas (layer N) adalah user interface. Dengan system modularisasi, setiap lapisan mempunyai fungsi (operasi) tertentu dan melayani lapisan yang lebih rendah.

System operasi pertama kali yang memakai system berlapis adalah THE. System operasi THE yang dibuat oleh Dijkstra dan mahasiswa-mahasiswanya. Pada dasarnya system operasi berlapis dimaksudkan untuk mengurangi kompleknya rancangan dan implementasi dari suatu system operasi. Contoh sistem operasi yang menggunakan sistem ini adalah: UNIX termodifikasi, THE, Venus dan OS/2

 Model struktur sistem operasi berlapis

Keuntungan dari model struktur sistem operasi berlapis adalah memiliki semua keunggulan rancangan modular. Sistem terbagi dalam beberapa modul, setiap modul dan lapisan bisa dirancang, di uji, secara independen sehingga jika terjadi suatu kesalahan mudah untuk menanganinya. Sementara kelema-han dari sistem ini adalah semua fungsi-fungsi dari sistem operasi harus ter-dapat di masing-masing lapisan, jika terjadi suatu kesalahan bisa jadi semua lapisan harus diprogram ulang.

c)      Sistem Mesin virtual

Konsep dasar dari mesin virtual ini tidak jauh berbeda dengan pendekatan sistem terlapis dengan tambahan berupa antarmuka yang menghubungkan perangkat keras dengan kernel untuk tiap-tiap proses. Mesin virtual menyediakan antar muka yang identik untuk perangkat keras yang ada. Sistem operasi ini membuat ilusi atau virtual untuk beberapa proses, masing-masing virtual proses mengeksekusi prosessornya dan memorinya (virtual) masing masing.

Model struktur sistem operasi mesinvirtual

Meskipun konsep ini cukup baik, namun cukup komplek untuk diimple-mentasikan, karena system menggunakan metode dual-mode. Mesin virtual hanya dapat berjalan pada monitor-mode jika berupa sistem operasi, se-dangkan mesin virtual itu sendiri berjalan dalam bentuk user-mode. Konsek-uensinya, baik virtual monitor-mode maupun virtual user-mode harus dijalankan melalaui physical user mode. Hal ini menyebabkan adanya transfer dari user-mode ke monitor-mode pada mesin nyata, yang juga akan menyebabkan adan-ya transfer dari virtual user-mode ke virtual monitor-mode pada mesin virtual. Sumber daya (resource) dari computer fisik dibagi untuk membuat mesin virtual. Penjadwalan CPU dapat membuat penampilan bahwa user mempunyai proses-sor sendiri. Spooling dan system file dapat menyediakan card reader virtual dan line printer virtual. Terminal time sharing pada user melayani sebagai console operator mesin virtual. Contoh sistem operasi yang memakai mesin virtual ada-lah IBM S/370 dan IBM VM/370.

Teknik ini berkembang menjadi sistem operasi emulator, shingga system operasi dapat menjalankan aplikasi-aplikasi untuk system operasi lain. Sistem operasi MS-Windows NT dapat menjalankan aplikasi untuk MS-DOS, OS/2 mode teks dan aplikasi Win16. aplikasi tersebut dijalankan sebagai input bagi subsistem di MS-Windows NT yang mengemulasikan system calls yang di-panggil aplikasi dengan Win32 API ( Sistem Call di MS-Windows NT).

Keuntungan dan kerugian konsep mesin virtual adalah sebagai berikut:

·      Mesin virtual menyediakan proteksi yang lengkap untuk sumber daya system sehingga masing-masing mesin virtual dipisahkan mesin virtual yang lain. Isolasi ini tidak memperbolehkan pembagian sumber daya secara langsung.

·      Sistem mesin virtual adalah mesin yang cocok untuk riset dan pengembangan system operasi. Pengembangan system dikerjakan pada mesin virtual, termasuk di dalamnya mesin fisik dan tidak mengganggu operasi system yang normal.

·      Konsep mesin virtual sangat sulit untuk mengimplementasikan kebutuhan dan duplikasi yang tepat pada mesin yang sebenarnya.

d)     Sistem operasi client server

Sistem operasi modem memiliki kecendrungan untuk memindahkan kode ke lapisan yang lebih tinggi dan menghapus sebanyak mungkin, kode-kode tersebut dari sistem operasi sehingga akan meninggalkan keruel yang minimal. Konsep ini biasa diimplementasikan dengan dengan cara menjadikan fungsi-fungsi yang ada pada sistem operasi menjadi user proses. Jika satu proses minta untuk dilayani, misalnya satu blok file, maka user proses {disini dinamakan: Client proses} mengirim permintaan tersebut ke user proses. Server proses akan melayani permintaan tersebutkemudian mengirimkan jawabannya kembali. Semua pekerjaan keruel dilakukan pada pengendalian komunikasi antara client dan server. Dengan membagi sistem operasi menjadi beberapa lapisan, dimana tiap-tipa bagian mengendalikan satu segi sistem, seperti pelayanan file, pelayanan proses, pelayanan terminal, atau pelayanan memori, maka tiap-tiap bagian menjadi lebih sederhana dan dapat diatur selain itu, oleh karena semua server berjalan pada user mode proses, dan bukan merupakan monitor mode, maka server tidak dapat mengakses hardware secara lansung. Akibatnya, jika terjadi kerusakan pada file server, maka pelayanan file akan terganggu. Namun hal ini tidak akan sampai menganggu sistem lainnya.

Masalah yang sering terjadi pada system client –server adalah tidak semua tugas dapat dijalankan di tingkat pemakai, tapi kesulitan ini dapat di atas dengan:

·      Proses server kritis tetap di kernel, yaitu proses yang biasanya berhubungan dengan hardware.

·      Mekanisme ke kernel seminimal mungkin sehingga pengaksesan ruang pemakai dapat dilakukan secepat mungkin

Model struktur sistem operasi client server

 

Model client server pada jaringan terdistribusi

 

Keuntungan dari model client server ini antara lain adalah sebagai berikut:

·      Dapat diadaptasikan pada sistem terdistribusi.

·      Jika suatu client berkomunikasi dengan server dengan cara mengirimkan pesan, maka server tidak perlu tahu apakah pesan itu dikirim oleh dan dari mesin itu sendiri {local} atau dikirim oleh mesin yang lain melalui jaringan.

·      Pengembangan dapat dilakukan secara modular

·      Kesalahan pada suatu subsistem tidak menganggu subsistem lain sehingga tidak mengakibatkan system mati secara keseluruhan

Sedangkan kelemahan dari system client-server adalah : Pertukaran pesan dapat menjadi bottleneck dan Layanan dilakukan secara “lambat” karena harus melalui pertukaran pesan antar client-server.

e)      Sistem Berorientasi Obyek

Layanan Sistem operasi sebagai kumpulan proses untuk menyelesaikan pekerjaannya, yang sering disebut dengan system operasi bermodel proses, sedangkan layanan system operasi sebagai objek disebut dengan system operasi berorentasi objek. Pendekatan objek dimaksudkan untuk mengadopsi keunggulan dari teknolgi berorientasi objek.

Pada system operasi berorientasi objek, layanan diimplementasikan sebagai kumpulan objek, masing-masing objek diberi tipe yang menandai property objek seperti proses, dirktori, berkas, dan sebagainya. Dengan memanggil operasi yang didefinisikan di objek, data yang berada dalam objek tersebut dapat diakses dan dimodifikasi. Contoh dari system operasi berorentasi objek antara lain adalah: 1) Eden 2) Choices 3) X-kernel. 4) Medusa. 5) Clunds. 6) Amoeba. 7) Muse. 8) Sistem operasi MS-Windows NT mengadopsi beberapa teknologi berorientasi objek tapi tidak secara keseluruhannya.

Arsitektur  Sistem Operasi Windows

Sistem operasi Windows untuk desktop pada mulanya adalah sebuah sistem operasi sederhana. MS-DOS merupakan sistem operasi dasar yang digunakan dan dikembangkan menjadi Windows 1.0 sampai Windows ME. Selain itu, Microsoft juga membangun suatu sistem operasi yang berbeda arsitekturnya dengan MS-DOS, yaitu Windows NT. Arsitektur windows NT ini menjadi dasar pengembangan sistem operasi Windows NT 3.1 sampai Windows 8 .

1)      Arsitektur MS DOS

Arsitektur sistem operasi MS-DOS menggunakan model struktur monolitik yang konstruksinya tidak terstruktur. Dalam arsitektur ini semua komponen sistem operasi tergabung atau bercampur menjadi satu, semua program bagian (fungsi, prosedure atau sub rutin) dapat mengakses program-program lainnya.

Struktur MS Dos

 

Pada sistem operasi MS-DOS, antara aplikasi dan sistem operasi tidak ada pemisahan yang jelas, yang menyebabkan mudahnya program-program virus memodifikasi dan merusak sistem operasi MS-DOS.

Program aplikasi memiliki aksea untuk memodifikasi bagian sistem operasi (program resident, device driver MS-DOS maupun device driver BIOS). 

2)      Arsitektur Dasar Windows NT

Sistem operasi windows NT memiliki menggunakan model struktur berlapis (layered). Dalam arsitektur ini komponen dalam sistem operasi tidak tergantung dari komponen yang lain, dengan demikian modifikasi atau perubahan dalam satu komponen tidak berpengaruh banyak pada komponen lainnya. Arsitektur Windows NT secara global terdidi dari empat lapisan yaitu:

1. Hardware abstraction layer (HAL) 2. Kernel 3. Subsystems 4. System services

Hardware Abstraction Layer (HAL), lapisan ini memetakan perintah dan tanggapan perangkat keras generik menjadi perintah dan tanggapan unik platform tertentu seperti Intel 486 atau Pentium, Motorola PowerPC, atau DEC Alpha. HAL membuat machine system bus, DMA controller, interrupt controller, system timer, dan modul memori. Sebagai mana oleh kernel HAL juga menyediakan dukungan untuk symmetric multiprocessing. Kernel, lapisan ini berisi komponen-komponen sistem operasi paling dasar. Kernel mengelola penjadwalan dan context switching, exception handling dan interrupt handling serta multiprocessing synchronization. Subsystems, lapisan ini terdiri dari berbagai ragam modul, fungsi-fungsi spesifik yang menggunakan layanan-layanan dasar yang disediakan kernel. System services, lapisan ini menyediakan antarmuka ke perangkat lunak mode pemakai.

Arsitektur Dasar Windows NT

3)       Arsitektur Dasar Sistem Operasi Windows Vista, Windows 7, 8

Sistem operasi Windows memiliki arsitektur yang sangat modular. Setiap fungsi sistem dikelola oleh satu komponen dari sistem operasi. Semua aplikasi mengakses fungsi melalui komponen yang bertanggung jawab menggunakan antar muka data standar (data standar interfaces). Key sistem hanya dapat diakses melalui sesuai fungsi. dalam arsitektur modular ini pada prinsipnya setiap modul dapat dihapus, upgrade, atau diganti tanpa menulis ulang seluruh sistem atau standar aplikasi program antarmuka (API). Berbagai ragam Kernel-mode komponen Windows adalah sebagai berikut:

·      Exekutiv : Berisi dasar layanan sistem operasi, seperti manajemen memori, proses dan manajemen thread, keamanan, I / O, dan komunikasi interprocess.

·      Kernel : Mengontrol eksekusi prosesor (s). Kernel mengelola benang penjadwalan, proses switching, pengecualian dan penanganan interupsi, dan multiprosesor sinkronisasi. Tidak seperti sisa Eksekutif dan tingkat pengguna, kode sendiri Kernel ini tidak berjalan di thread.

·      Hardware Abstraction Layer (HAL) : Maps antara perintah hardware generic dan tanggapan dan mereka yang unik untuk platform tertentu. Ini mengisolasi OS dari platform-spesifik hardware differences.The HAL membuat setiap computer sistem bus, memori akses langsung (DMA) controller, interrupt controller, system timer, dan modul memori terlihat sama dengan Eksekutif dan Kernel komponen. Hal ini juga memberikan dukungan yang diperlukan untuk multiprocessing simetris (SMP), menjelaskan selanjutnya.

·      Device Driver : Perpustakaan dinamis yang memperluas fungsionalitas dari Eksekutif. Ini termasuk driver perangkat keras yang menerjemahkan pengguna I / O fungsi panggilan ke perangkat hardware tertentu I / O permintaan dan komponen perangkat lunak untuk menerapkan sistem file, protokol jaringan, dan setiap ekstensi sistem lainnya yang perlu dijalankan dalam mode kernel.

·      Windowing and Graphics System : Mengimplementasikan pengguna grafis antarmuka (GUI) fungsi, seperti berurusan dengan windows, antarmuka pengguna kontrol, dan menggambar. Executive Windows termasuk komponen untuk fungsi sistem tertentu dan menyediakan API bagi pengguna-mode software.

Berikut ini adalah deskripsi singkat dari masing-masing dari modul Eksekutif:

·      I/O Manager. Menyediakan kerangka kerja di mana perangkat I / O dapat diakses untuk aplikasi, dan bertanggung jawab untuk pengiriman ke driver perangkat yang sesuai untuk diproses lebih lanjut. Manajer I / O menerapkan semua Windows I / O API dan keamanan menegakkan dan penamaan untuk perangkat, protokol jaringan, dan file system.

·      Cache Manager. Meningkatkan kinerja berbasis file I / O dengan menyebabkan baru Data file yang direferensikan untuk berada di memori utama untuk akses cepat, dan dengan menunda disk menulis dengan memegang pembaruan dalam memori untuk waktu yang singkat sebelum mengirim mereka ke disk.

·      Object Manager. Membuat, mengelola, dan menghapus objek Executive Windows dan tipe data abstrak yang digunakan untuk mewakili sumber daya seperti proses, benang, dan objek sinkronisasi. Ini memaksa aturan seragam untuk mempertahankan, penamaan, dan pengaturan keamanan objek. Manajer objek juga menciptakan objek menangani, yang terdiri dari informasi kontrol akses dan pointer ke benda object.Windows dibahas kemudian dalam bagian ini.

·      Plug and Play Manager. Menentukan driver yang diperlukan untuk mendukung khususnya perangkat dan beban tersebut driver.

·      Power Manager. Koordinat manajemen daya antara berbagai perangkat dan dapat dikonfigurasi untuk mengurangi konsumsi daya dengan mematikan perangkat menganggur, menempatkan prosesor untuk tidur, dan bahkan menulis semua memori ke disk dan menutup aliran listrik ke seluruh sistem.

·      Security Reference Monitor. Memberlakukan akses-validasi dan audit generasi rules.The Windows model berorientasi objek memungkinkan untuk konsisten dan seragam melihat keamanan, sampai ke entitas mendasar yang membentuk Eksekutif. Dengan demikian, Windows menggunakan rutinitas yang sama untuk validasi akses dan untuk Audit memeriksa semua benda yang dilindungi, termasuk file, proses, ruang alamat, dan I / O device.

·      Virtual Memory Manager. Mengelola alamat virtual, memori fisik, dan paging file pada disk. Kontrol hardware memori manajemen dan data struktur yang memetakan alamat virtual dalam ruang alamat proses untuk halaman fisik dalam memori komputer.

Arsitektur dasar Sistem Operasi Windows 7

·      Process/thread Manager. Membuat, mengelola, dan proses menghapus dan thread object.

·      Configuration Manager. Bertanggung jawab untuk melaksanakan dan mengelola system registry, yang merupakan repositori untuk kedua sistem yang luas dan berbagai parameter setiap pengaturan user.

·      Local Procedure Call (LPC) Facility. Mengimplementasikan efisien lintas proses Prosedur panggilan mekanisme komunikasi antara proses lokal mengimplementasikan layanan dan subsistem. Serupa dengan panggilan prosedur remote (RPC) fasilitas yang digunakan untuk pengolahan terdistribusi.