Sistem Operasi

Sistem operasi
Pendahuluan
Istilah Sistem Operasi sering kali ditujukan kepada seluruh perangkat lunak yang masuk dalam satu paket dengan sistem komputer sebelum aplikasi-aplikasi perngkat lunak terinstall. Sistem operasi (operating system, OS) adalah perangkat lunak sistem yang bertugas untuk melakukan kontrol dan manajemen perangkat keras serta preses operasi dasar sistem, termasuk menjalankan software aplikasi yang ada seperti word processor, browser web, dll.
Jadi Sistem Operasi merupakan perangkat lunak lapisan pertama yang ditempatkan pada memori komputer pada saat komputer dihidupkan. Sedangkan perangkat lunak lainnya dijalankan setelah Sistem Operasi berjalan, dan Sistem Operasi akan memberikan layanannya terhadap perangkat lunak –perangkat lunak yang terinstal di computer Layanan yang dimaksudkan adalah melakukan pengelolaan (manajemen) terhadap memory, prosesor, perangkat input-output dan arsip (file) yang berupa proses akses ke disk, manajemen penggunaan memori, pengaturan dan penjadwalan peritah (task scheduling), dan control antar-muka user (user interface). Sehingga masing-masing perangkat lunak tidak perlu lagi melakukan tugas tersebut, karena dapat dilayani dan dilakukan oleh Sistem Operasi. Bagian kode yang melakukan tugas tersebut dinamakan dengan "kernel" suatu Sistem Operasi
Jika sistem komputer terdiri dari lapisan-lapisan, maka Sistem Operasi merupakan penghubung antara lapisan perangkat keras dan lapisan perangkat lunak. Selain itu, Sistem Operasi melakukan semua tugas penting dalam komputer, dan menjamin aplikasi-aplikasi yang berbeda dapat berjalan secara bersamaan dengan lancar. sistem operasi menjamin aplikasi perangkat lunak yang lain dapat menggunakan memori, melakukan input dan output terhadap peralatan lain, dan memiliki akses kepada sistem file. Apabila beberapa aplikasi berjalan secara bersamaan, maka sistem operasi mengatur jadwal secara 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 library dari fungsi-fungsi standar, dimana aplikasi lain dapat memanggil fungsi-fungsi tersebut, sehingga dalam setiap pembuatan program baru, tidak perlu membuat fungsi-fungsi tersebut berulang kali.
Sistem Operasi secara umum terdiri dari beberapa bagian:
1. Mekanisme Boot, yaitu meletakkan kernel ke dalam memory
2. Kernel, yaitu inti dari sebuah Sistem Operasi
3. Command Interpreter atau shell, yang bertugas membaca input dari pengguna
4. Library yang merupakan penyedia kumpulan fungsi dasar dan standar yang dapat dipanggil oleh aplikasi lain
5. Driver untuk berinteraksi dengan hardware eksternal, sekaligus untuk mengontrolnya.
Beberapa sistem operasi hanya mengizinkan satu aplikasi saja yang berjalan pada satu waktu (misalnya DOS), tetapi sesuai perkembangan teknologi maka pada masa sekarang ini hampir semua sistem operasi mampu meng-handle beberapa aplikasi yang berjalan secara simultan pada waktu yang bersamaan. Sistem operasi seperti ini disebut sebagai Multi-tasking Operating System (misalnya keluarga sistem operasi UNIX)
Ada juga sistem operasi yang berukuran sangat besar dan kompleks, inputnya tergantung pengguna yang biasa disebut sebagai Desktop OS, sedangkan sistem operasi yang lain sangat kecil, terbatas dan dibuat khusus dengan asumsi bekerja tanpa intervensi manusia sama sekali dan biasa dikatakan sebagai Real-Time OS
Sebagai contoh, yang dimaksud sistem operasi itu antara lain adalah Windows, Linux, Free BSD, Solaris, palm, symbian, dan sebagainya.
Layanan inti umum
Dengan makin berkembangnya sistem operasi, maka semakin beretambah layanan yang menjadi layanan inti umum. Kini, sebuah OS mungkin perlu menyediakan layanan network dan koneksitas internet, yang dulunya tidak menjadi layanan inti umum. Sistem Operasi juga perlu untuk menjaga kerusakan sistem komputer dari gangguan program perusak yang berasal dari komputer lainnya, seperti virus. Daftar layanan inti umum akan terus bertambah.
Program saling berkomunikasi antara satu dengan lainnya dengan Antarmuka Pemrograman Aplikasi, Application Programming Interface atau disingkat dengan API. Dengan API inilah program aplikasi dapat berkomunikasi dengan Sistem Operasi. Sebagaimana manusia berkomunikasi dengan komputer melalui Antarmuka User, program juga berkomunikasi dengan program lainnya melalui API.
Walaupun demikian API sebuah komputer tidaklah berpengaruh sepenuhnya pada program-program yang dijalankan diatas platform operasi tersebut. Contohnya bila program yang dibuat untuk windows 3.1 bila dijalankan pada windows 95 dan generasi setelahnya akan terlihat perbedaan yang mencolok antara window program tersebut dengan program yang lain.
Sistem Operasi saat ini
Sistem operasi-sistem operasi utama yang digunakan komputer sistem umum (termasuk PC, komputer personal) terbagi menjadi 3 kelompok besar:
1. Keluarga Microsoft Windows - yang antara lain terdiri dari Windows Desktop Environment (versi 1.x hingga versi 3.x), Windows 9x (Windows 95, 98, dan Windows ME), dan Windows NT (Windows NT 3.x, Windows NT 4.0, Windows 2000, Windows XP, Windows Server 2003, Windows Vista, Windows 7 (Seven) yang akan dirilis pada tahun 2009, dan Windows Orient yang akan dirilis pada tahun 2014)).
2. Keluarga Unix yang menggunakan antarmuka sistem operasi POSIX, seperti SCO UNIX, keluarga BSD (Berkeley Software Distribution), GNU/Linux, MacOS/X (berbasis kernel BSD yang dimodifikasi, dan dikenal dengan nama Darwin) dan GNU/Hurd.
3. Mac OS, adalah sistem operasi untuk komputer keluaran Apple yang biasa disebut Mac atau Macintosh. Sistem operasi yang terbaru adalah Mac OS X versi 10.4 (Tiger). Awal tahun 2007 direncanakan peluncuran versi 10.5 (Leopard).
Sedangkan komputer Mainframe, dan Super komputer menggunakan banyak sekali sistem operasi yang berbeda-beda, umumnya merupakan turunan dari sistem operasi UNIX yang dikembangkan oleh vendor seperti IBM AIX, HP/UX, dll.
Proses
Prosesor mengeksekusi program-program komputer. Prosesor adalah sebuah chip dalam sistem komputer yang menjalankan instruksi-instruksi program komputer. Dalam setiap detiknya prosesor dapat menjalankan jutaan instruksi.
Program adalah sederetan instruksi yang diberikan kepada suatu komputer. Sedangkan proses adalah suatu bagian dari program yang berada pada status tertentu dalam rangkaian eksekusinya. Di dalam bahasan Sistem Operasi, kita lebih sering membahas proses dibandingkan dengan program. Pada Sistem Operasi modern, pada satu saat tidak seluruh program dimuat dalam memori, tetapi hanya satu bagian saja dari program tersebut. Sedangkan bagian lain dari program tersebut tetap beristirahat di media penyimpan disk. Hanya pada saat dibutuhkan saja, bagian dari program tersebut dimuat di memory dan dieksekusi oleh prosesor. Hal ini sangat menghemat pemakaian memori.
Beberapa sistem hanya menjalankan satu proses tunggal dalam satu waktu, sedangkan yang lainnya menjalankan multi-proses dalam satu waktu. Padahal sebagian besar sistem komputer hanya memiliki satu prosesor, dan sebuah prosesor hanya dapat menjalankan satu instruksi dalam satu waktu. Maka bagaimana sebuah sistem prosesor tunggal dapat menjalankan multi-proses? Sesungguhnya pada granularity yang sangat kecil, prosesor hanya menjalankan satu proses dalam satu waktu, kemudian secara cepat ia berpindah menjalankan proses lainnya, dan seterusnya. Sehingga bagi penglihatan dan perasaan pengguna manusia, seakan-akan prosesor menjalankan beberapa proses secara bersamaan.
Setiap proses dalam sebuah sistem operasi mendapatkan sebuah PCB (Process Control Block) yang memuat informasi tentang proses tersebut, yaitu: sebuah tanda pengenal proses (Process ID) yang unik dan menjadi nomor identitas, status proses, prioritas eksekusi proses dan informasi lokasi proses dalam memori. Prioritas proses merupakan suatu nilai atau besaran yang menunjukkan seberapa sering proses harus dijalankan oleh prosesor. Proses yang memiliki prioritas lebih tinggi, akan dijalankan lebih sering atau dieksekusi lebih dulu dibandingkan dengan proses yang berprioritas lebih rendah. Suatu sistem operasi dapat saja menentukan semua proses dengan prioritas yang sama, sehingga setiap proses memiliki kesempatan yang sama. Suatu sistem operasi dapat juga merubah nilai prioritas proses tertentu, agar proses tersebut akan dapat memiliki kesempatan lebih besar pada eksekusi berikutnya (misalnya: pada proses yang sudah sangat terlalu lama menunggu eksekusi, sistem operasi menaikkan nilai prioritasnya).
Status Proses
Jenis status yang mungkin dapat disematkan pada suatu proses pada setiap sistem operasi dapat berbeda-beda. Tetapi paling tidak ada 3 macam status yang umum, yaitu:
1. Ready, yaitu status dimana proses siap untuk dieksekusi pada giliran berikutnya
2. Running, yaitu status dimana saat ini proses sedang dieksekusi oleh prosesor
3. Blocked, yaitu status dimana proses tidak dapat dijalankan pada saat prosesor siap/bebas
Kernel
Dalam ilmu komputer, kernel adalah suatu perangkat lunak yang menjadi bagian utama dari sebuah sistem operasi. Tugasnya melayani bermacam program aplikasi untuk mengaksesperangkat keras komputer secara aman.
Karena akses terhadap perangkat keras terbatas, sedangkan ada lebih dari satu program yang harus dilayani dalam waktu yang bersamaan, maka kernel juga bertugas untuk mengatur kapan dan berapa lama suatu program dapat menggunakan satu bagian perangkat keras tersebut. Hal tersebut dinamakan sebagai multiplexing.
Akses kepada perangkat keras secara langsung merupakan masalah yang kompleks, oleh karena itu kernel biasanya mengimplementasikan sekumpulan abstraksi hardware. Abstraksi-abstraksi tersebut merupakan sebuah cara untuk menyembunyikan kompleksitas, dan memungkinkan akses kepada perangkat keras menjadi mudah dan seragam. Sehingga abstraksi pada akhirnya memudahkan pekerjaan programer.
Untuk menjalankan sebuah komputer kita tidak harus menggunakan kernel sistem operasi. Sebuah program dapat saja langsung diload dan dijalankan diatas mesin 'telanjang' komputer, yaitu bilamana pembuat program ingin melakukan pekerjaannya tanpa bantuan abstraksi perangkat keras atau bantuan sistem operasi. Teknik ini digunakan oleh komputer generasi awal, sehingga bila kita ingin berpindah dari satu program ke program lain, kita harus mereset dan meload kembali program-program tersebut.






Beberapa desain Kernel

Beberapa desain kernel sistem operasi
Sebuah kernel sistem operasi tidak harus ada dan dibutuhkan untuk menjalankan sebuah komputer. Program dapat langsung dijalankan secara langsung di dalam sebuah mesin (contohnya adalah CMOS Setup) sehingga para pembuat program tersebut membuat program tanpa adanya dukungan dari sistem operasi atau hardware abstraction. Cara kerja seperti ini, adalah cara kerja yang digunakan pada zaman awal-awal dikembangkannya komputer (pada sekitar tahun 1950). Kerugian dari diterapkannya metode ini adalah pengguna harus melakukan reset ulang komputer tersebut dan memuatkan program lainnya untuk berpindah program, dari satu program ke program lainnya. Selanjutnya, para pembuat program tersebut membuat beberapa komponen program yang sengaja ditinggalkan di dalam komputer, seperti halnya loader atau debugger, atau dimuat dari dalam ROM (Read-Only Memory). Seiring dengan perkembangan zaman komputer yang mengalami akselerasi yang signifikan, metode ini selanjutnya membentuk apa yang disebut dengan kernel sistem operasi.
Selanjutnya, para arsitek sistem operasi mengembangkan kernel sistem operasi yang pada akhirnya terbagi menjadi empat bagian yang secara desain berbeda, sebagai berikut:
 Kernel monolitik. Kernel monolitik mengintegrasikan banyak fungsi di dalam kernel dan menyediakan lapisan abstraksi perangkat kerassecara penuh terhadap perangkat keras yang berada di bawah sistem operasi.
 Mikrokernel. Mikrokernel menyediakan sedikit saja dari abstraksi perangkat keras dan menggunakan aplikasi yang berjalan di atasnya—yang disebut dengan server—untuk melakukan beberapa fungsionalitas lainnya.
 Kernel hibrida. Kernel hibrida adalah pendekatan desain microkernel yang dimodifikasi. Pada hybrid kernel, terdapat beberapa tambahan kode di dalam ruangan kernel untuk meningkatkan performanya.
 Exokernel. Exokernel menyediakan hardware abstraction secara minimal, sehingga program dapat mengakses hardware secara langsung. Dalam pendekatan desain exokernel, library yang dimiliki oleh sistem operasi dapat melakukan abstraksi yang mirip dengan abstraksi yang dilakukan dalam desain monolithic kernel.
Kernel monolitik
Pendekatan kernel monolitik didefinisikan sebagai sebuah antarmuka virtual yang berada pada tingkat tinggi di atas perangkat keras, dengan sekumpulan primitif atau system call untuk mengimplementasikan layanan-layanan sistem operasi, seperti halnya manajemen proses, konkurensi (concurrency), dan manajemen memori pada modul-modul kernel yang berjalan di dalam mode supervisor.
Meskipun jika setiap modul memiliki layanan operasi-operasi tersebut terpisah dari modul utama, integrasi kode yang terjadi di dalam monolithic kernel sangatlah kuat, dan karena semua modul berjalan di dalam address space yang sama, sebuah bug dalam salah satu modul dapat merusak keseluruhan sistem. Akan tetapi, ketika implementasi dilakukan dengan benar, integrasi komponen internal yang sangat kuat tersebut justru akan mengizinkan fitur-fitur yang dimiliki oleh sistem yang berada di bawahnya dieksploitasi secara efektif, sehingga membuat sistem operasi dengan monolithic kernel sangatlah efisien—meskipun sangat sulit dalam pembuatannya.
Pada sistem operasi modern yang menggunakan monolithic kernel, seperti halnya Linux, FreeBSD, Solaris, dan Microsoft Windows, dapat memuat modul-modul yang dapat dieksekusi pada saat kernel tersebut dijalankan sehingga mengizinkan ekstensi terhadap kemampuan kernel sesuai kebutuhan, dan tentu saja dapat membantu menjaga agar kode yang berjalan di dalam ruangan kernel (kernel-space) seminim mungkin.
Di bawah ini ada beberapa sistem operasi yang menggunakan Monolithic kernel:
 Kernel sistem operasi UNIX tradisional, seperti halnya kernel dari sistem operasi UNIX keluarga BSD (NetBSD, BSD/I, FreeBSD, dan lainnya).
 Kernel sistem operasi GNU/Linux, Linux.
 Kernel sistem operasi Windows (versi 1.x hingga 4.x; kecuali Windows NT).
Mikrokernel
Pendekatan mikrokernel berisi sebuah abstraksi yang sederhana terhadap hardware, dengan sekumpulan primitif atau system call yang dapat digunakan untuk membuat sebuah sistem operasi agar dapat berjalan, dengan layanan-layanan seperti manajemen thread, komunikasi antar address space, dan komunikasi antar proses. Layanan-layanan lainnya, yang biasanya disediakan oleh kernel, seperti halnya dukungan jaringan, pada pendekatan microkernel justru diimplementasikan di dalam ruangan pengguna (user-space), dan disebut dengan server.
Server atau disebut sebagai peladen adalah sebuah program, seperti halnya program lainnya. Server dapat mengizinkan sistem operasi agar dapat dimodifikasi hanya dengan menjalankan program atau menghentikannya. Sebagai contoh, untuk sebuah mesin yang kecil tanpa dukungan jaringan, server jaringan (istilah server di sini tidak dimaksudkan sebagai komputer pusat pengatur jaringan) tidak perlu dijalankan. Pada sistem operasi tradisional yang menggunakan monolithic kernel, hal ini dapat mengakibatkan pengguna harus melakukan rekompilasi terhadap kernel, yang tentu saja sulit untuk dilakukan oleh pengguna biasa yang awam.
Dalam teorinya, sistem operasi yang menggunakan microkernel disebut jauh lebih stabil dibandingkan dengan monolithic kernel, karena sebuah server yang gagal bekerja, tidak akan menyebabkan kernel menjadi tidak dapat berjalan, dan server tersebut akan dihentikan oleh kernel utama. Akan tetapi, dalam prakteknya, bagian dari system state dapat hilang oleh server yang gagal bekerja tersebut, dan biasanya untuk melakukan proses eksekusi aplikasi pun menjadi sulit, atau bahkan untuk menjalankan server-server lainnya.
Sistem operasi yang menggunakan microkernel umumnya secara dramatis memiliki kinerja di bawah kinerja sistem operasi yang menggunakan monolithic kernel. Hal ini disebabkan oleh adanya overhead yang terjadi akibat proses input/output dalam kernel yang ditujukan untuk mengganti konteks (context switch) untuk memindahkan data antara aplikasi dan server.
Beberapa sistem operasi yang menggunakan microkernel:
 IBM AIX, sebuah versi UNIX dari IBM
 Amoeba, sebuah kernel yang dikembangkan untuk tujuan edukasi
 Kernel Mach, yang digunakan di dalam sistem operasi GNU/Hurd, NexTSTEP, OPENSTEP, dan Mac OS/X
 Minix, kernel yang dikembangkan oleh Andrew Tanenbaum untuk tujuan edukasi
 Symbian OS, sebuah sistem operasi yang populer digunakan pada hand phone, handheld device, embedded device, dan PDA Phone.
Kernel hibrida
Kernel hibrida aslinya adalah mikrokernel yang memiliki kode yang tidak menunjukkan bahwa kernel tersebut adalah mikrokernel di dalam ruangan kernel-nya. Kode-kode tersebut ditaruh di dalam ruangan kernel agar dapat dieksekusi lebih cepat dibandingkan jika ditaruh di dalam ruangan user. Hal ini dilakukan oleh para arsitek sistem operasi sebagai solusi awal terhadap masalah yang terjadi di dalam mikrokernel: kinerja.
Beberapa orang banyak yang bingung dalam membedakan antara kernel hibrida dan kernel monolitik yang dapat memuat modul kernel setelah proses booting, dan cenderung menyamakannya. Antara kernel hibrida dan kernel monolitik jelas berbeda. Kernel hibrida berarti bahwa konsep yang digunakannya diturunkan dari konsep desain kernel monolitik dan mikrokernel. Kernel hibrida juga memiliki secara spesifik memiliki teknologi pertukaran pesan (message passing) yang digunakan dalam mikrokernel, dan juga dapat memindahkan beberapa kode yang seharusnya bukan kode kernel ke dalam ruangan kode kernel karena alasan kinerja.
Di bawah ini adalah beberapa sistem operasi yang menggunakan kernel hibrida:
 BeOS, sebuah sistem operasi yang memiliki kinerja tinggi untuk aplikasi multimedia.
 Novell NetWare, sebuah sistem operasi yang pernah populer sebagai sistem operasi jaringan berbasis IBM PC dan kompatibelnya.
 Microsoft Windows NT (dan semua keturunannya).
Exokernel
Sebenarnya, Exokernel bukanlah pendekatan kernel sistem operasi yang umum—seperti halnya microkernel atau monolithic kernel yang populer, melainkan sebuah struktur sistem operasi yang disusun secara vertikal.
Ide di balik exokernel adalah untuk memaksa abstraksi yang dilakukan oleh developer sesedikit mungkin, sehingga membuat mereka dapat memiliki banyak keputusan tentang abstraksi hardware. Exokernel biasanya berbentuk sangat kecil, karena fungsionalitas yang dimilikinya hanya terbatas pada proteksi dan penggandaan sumber daya.
Kernel-kernel klasik yang populer seperti halnya monolithic dan microkernel melakukan abstraksi terhadap hardware dengan menyembunyikan semua sumber daya yang berada di bawah hardware abstraction layer atau di balik driver untuk hardware. Sebagai contoh, jika sistem operasi klasik yang berbasis kedua kernel telah mengalokasikan sebuah lokasi memori untuk sebuah hardware tertentu, maka hardware lainnya tidak akan dapat menggunakan lokasi memori tersebut kembali.
Exokernel mengizinkan akses terhadap hardware secara langsung pada tingkat yang rendah: aplikasi dan abstraksi dapat melakukan request sebuah alamat memori spesifik baik itu berupa lokasi alamat physical memory dan blok di dalam hard disk. Tugas kernel hanya memastikan bahwa sumber daya yang diminta itu sedang berada dalam keadaan kosong—belum digunakan oleh yang lainnya—dan tentu saja mengizinkan aplikasi untuk mengakses sumber daya tersebut. Akses hardware pada tingkat rendah ini mengizinkan para programmer untuk mengimplementasikan sebuah abstraksi yang dikhususkan untuk sebuah aplikasi tertentu, dan tentu saja mengeluarkan sesuatu yang tidak perlu dari kernel agar membuat kernel lebih kecil, dan tentu saja meningkatkan performa.
Exokernel biasanya menggunakan library yang disebut dengan libOS untuk melakukan abstraksi. libOS memungkinkan para pembuat aplikasi untuk menulis abstraksi yang berada pada level yang lebih tinggi, seperti halnya abstraksi yang dilakukan pada sistem operasi tradisional, dengan menggunakan cara-cara yang lebih fleksibel, karena aplikasi mungkin memiliki abstraksinya masing-masing. Secara teori, sebuah sistem operasi berbasis Exokernel dapat membuat sistem operasi yang berbeda seperti halnya Linux, UNIX, dan Windows dapat berjalan di atas sistem operasi tersebut.
Contoh implementasi kernel
Windows
Pada sistem operasi Windows, kernel ditangani oleh file kernel32.dll. Kernel ini menangani manajemen memori, operasi masukan / keluaran dan interrupt. Ketika boot Windows,kernel32.dll di-load ke dalam spasi protected memory sehingga spasi memorinya tidak digunakan oleh aplikasi lain. Apabila ada aplikasi yang mencoba mengambil spasi memorikernel32.dll, akan muncul pesan kesalahan "invalid page fault".