Kernel Pada Operasi System

Kernel

Dalam sebuah perangkat komputer, kernel merupakan komponen inti dari Sistem

Operasi yang berjalan dalam perangkat tersebut. Kernel bertugas untuk mengatur

pembagian sumber daya sistem; komunikasi antara komponen hardware dan software.

Kernel menghubungkan antara software aplikasi dan hardware komputer.Ia

menyediakanabstraction layer pada level terendah untuk resource-resource seperti

memori, prosesor dan perangkat I/O di mana suatu software aplikasi harus mengontrol

resource-resource tersebut agar dapat berfungsi. Kernel mampu menyediakan fasilitas

seperti ini bagi proses-proses aplikasi melalui mekanisme IPC (Inter Process

Communication) dan System call.

Gambar 1. Kernel merupakan penghubung antara aplikasi dengan hardware

Gambar 2. Desain arsitektur komputer sebagai rangkaian abstraction layer

Kebanyakan Sistem Operasi modern menggunakan konsep kernel ini. Keberadaan

kernel merupakan konsekuensi dari desain sistem komputer sebagai rangkaian

abstracion layer, di mana tiap layer bergantung pada fungsi dari layer di bawahnya.

Jika kita tidak ingin menggunakan kernel, maka kita harus mendesain semua software

dalam sistem tanpa menggunakan abstraction layer; akibatnya, tentu saja akan

menambah kompleksitas desain.

Dalam banyak kasus, boot loader mulai mengeksekusi kernel dalam mode

supervisor. Kernel kemudian menginisialiasi diri sendiri dan memulai proses pertama.

Setelah itu, kernel tidak mengekseskusi secara langsung, tapi hanya merespon kepada

even eksternal. Sebagai tambahan, kernel biasanya menyediakan loop yang dieksekusi

ketika tidak ada proses yang tersedia untuk dijalankan; hal ini biasnya disebut idle

process.

2. Fasilitas Dasar yang disediakan oleh Kernel

Tujuan utama dari adanya kernel adalah untuk mengatur pembagian sumbersumber

daya dan program mana yang boleh mengakses dan menggunakan sumber daya

tersebut. Pada umumnya, sumber daya tersebut antara lain adalah CPU, memori dan

Perangkat I/O

- Central Processing Unit (CPU). Sebagai bagian utama komputer, CPU bertugas

dalam mengeksekusi program atau proses. Dalam hal ini, kernel bertugas

menentukan setiap saat berapa banyak program yang harus dialokasikan ke

CPU.

- Memori Komputer. Memori digunakan untuk menyimpan instruksi program dan

juga data. Keduanya dibutuhkan oleh memori agar suatu program dapat

dieksekusi. Biasanya beberapa program akan berusaha mengakses meori,

bahkan seringkali meminta memori melebihi yang dimiliki komputer. Di sinilah

kernel bertugas untuk menentukan porsi pemakaian memori yang dapat dipakai

oleh tiap program dan menentukan apa yang akan dikerjakan ketika tidak

cukup tersedia memori.

- Perangkat I/O. Beberapa perangkat I/O yang umumnya dipakai, misalnya:

keyboard, mouse, monitor, Hard Disk, printer, scanner, dsb. Kernel

melanjutkan request dari suatu aplikasi yang ingin melakukan suatu aksi I/O

kepada perangkat yang sesuai dan menyediakan metode yang sesuai untuk

memakai perangkat tersebut.

2.1 Pengaturan Proses

Tugas utama kernel adalah membantu eksekusi aplikasi dan mendukungnya dengan

fitur seperti abstraksi hardware. Suatu proses mendefinisikan seberapa porsi memori

yang dapat diakses oleh suatu aplikasi. Pengaturan proses kernel harus

memperhitungkan perangkat yang dibawa oleh hardware untuk perlindungan memori.

Untuk menjalankan aplikasi, sebuah kernel pertama kali harus menyediakan space

address untuk aplikasi, lalu me-load file yang berisi kode aplikasi ke dalam memori,

mempersiapkan stack untuk program dan percabangan ke lokasi lain dalam program,

dan kemudian baru memulai eksekusi program.

Dalam sebuah sistem pre-emptive multitasking, kernel akan memberi slot waktu

kepada setiap program dan berpindah dari satu proses ke proses yang lain dengan

cepat hingga terlihat seperti proses-proses ini dieksekusi secara bersamaan. Kernel

menggunakan algoritma penjadwalan utnuk menentukan proses mana yang akan

dikerjakan berikutnya dan berapa lama waktu yang akan diberikan. Algoritma yang

dipilih mungkin akan mengijinkan beberapa proses memiliki prioritas yang lebih tinggi

daripada yang lain.

Umumnya kernel juga menyediakan cara agar proses-proses ini dapat saling

berkomunikasi; hal ini dikenal sebagai Inter-Process Communication (IPC). Pendekatan

utama IPC ini adalah untuk shared memory, message passing dan remote procedure

call.

2.2 Pengaturan Memori

Kernel memiliki akses penuh ke memori sistem dan harus memberikan ijin kepada

proses-proses untuk mengakses memori secara aman ketika membutuhkan. Langkah

pertama yang dilakukan untuk melakukan hal ini di antaranya adalah virtual

addressing. Virtual addressing menijinkan kernel untuk menjadikan suatu alamat fisik

untuk tampil sebagai alamat lain, alamat virtual.

Space alamat virtual mungkin berbeda untuk masing-masing proses; memori yang

diakses suatu proses pada alamat virtual tertentu mungkin berbeda dengan memori

yang diakses proses lain pada alamat yang sama. Hal ini menyebabkan tiap program

seakan menjadi satu-satunya program yang berjalan dan karenanya dapat mencegah

terjadinya crash antar program.

Dalam kebanyakan sistem, alamat virtual suatu program dapat berupa data yang

sebenarnya tidak ada dalam memori. Layer abstraksi yang disediakan virtual

addressing mengijinkan Sistem Operasi untuk menggunakan penyimpan data, seperti

Hard Disk, untuk menyimpan apa yang mestinya ada di memori utama (RAM).

Akibatnya, Sistem Operasi dapat mengijinkan program untuk memakai memori

melebihi memori fisik yang yang dimiliki oleh komputer.

Virtual addressing juga mengijinkan dibuatnya partisi vritual memori di dua area

yang terpisah, satu dipakai oleh kernel (kernel space) dan yang lain untuk aplikasi

(user space). Aplikasi tidak diijinkan oleh CPU untuk memakai alamat kernel, yang

akhirnya hal ini akan mencegah agar aplikasi tidak merusak kernel.

2.3 Pengaturan perangkat

Untuk menjalankan fungsinya, aplikasi membutuhkan akses ke perangkatperangkat

yang terhubung ke komputer, yang dikontrol oleh kernel melalui device

driver. Sebagai contoh, untuk menampilkan sesuatu di layar, sebuah aplikasi harus

membuat request ke kernel. Kernel lalu akan melanjutkan request tersebut ke driver

display yang kemudian akan bertanggung jawab mem-plot karakter/pixel.

Kernel harus memelihara sejumlah perangkat yang tersedia. Daftar perangkat ini

dapat berupa plug and play (dideteksi oleh Sistem Operasi saat perangkat dijalankan),

di-configure oleh user, atau bahkan advance (misal dalam system embedded di mana

kernel akan diubah jika hardware diubah).

2.4 System calls

Untuk mengakses layanan yang disediakan oleh kernel, biasanya kernel

menyediakan library C atau API (Application Programming Interface) yang selanjutnya

akan melibatkan fungsi kernel yang berhubungan.

Metode untuk melibatkan fungsi kernel berbeda-beda antar kernel. Jika isolasi

memori sedang dipakai, tidak mungkin bagi proses untuk memanggil kernel secara

langsung, karena hal itu merupakan pelanggaran aturan akses kontrol dari prosesor.

Beberapa kemungkinan antara lain;

- Menggunakan interrupt software-simulated. Metode ini tersdia dalam hampir

semua hardware, karenanya sangat umum.

- Menggunakan call gate. Call gate adalah address khusus di mana alamat

tersebut ditambahkan dalam daftar yang disimpan dalam memori kernel yang

diketahui prosesor. Ketika prosesor mendeteksi call ke lokasi tersebut, prosesor

kemudian mengalihkannya ke lokasi target tanpa menyebabkan pelanggaran

akses.

- Menggunakan instruksi system call khusus. Teknik ini membutuhkan dukungan

hardware khusus, yang mana arsitektur umum (khususnya x86) mungkin

kesulitan.

- Menggunakan memory-based queue. Sebuah aplikasi yang membuat request

dalam jumlah besar tapi tidak perlu menunggu hasilnya dapat menambahkan

detil request-nya ke suatu area memori yang di-scan secara priodik oleh kernel

untuk menemukan request.

3. Beberapa desain Kernel

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.

Gambar3. Beberapa desain 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:

Monolithic Kernel. Monolithic kernel mengintegrasikan banyak fungsi di dalam

kernel dan menyediakan lapisan abstraksi perangkat keras secara penuh

terhadap perangkat keras yang berada di bawah sistem operasi.

Microkernel. Microkernel menyediakan sedikit saja dari abstraksi perangkat

keras dan menggunakan aplikasi yang berjalan di atasnya—yang disebut dengan

server—untuk melakukan beberapa fungsionalitas lainnya.

Hybrid kernel. Hybrid kernel 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.

3.1 Monolithic Kernel

Pendekatan monolithic kernel 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).

3.2 Microkernel

Pendekatan Microkernel 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 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

darisystem 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

kernelyang 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.

3.3 Hybrid Kernel

Hybrid kernel aslinya adalah microkernel yang memiliki kode yang tidak

menunjukkan bahwa kernel tersebut adalah microkernel 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

microkernel: kinerja.

Beberapa orang banyak yang bingung dalam membedakan antara Hybrid kernel

danmonolithic kernel yang dapat memuat modul kernel setelah proses booting, dan

cenderung menyamakannya. Antara hybrid kernel dan monolithic kernel jelas

berbeda. Hybrid kernel berarti bahwa konsep yang digunakannya diturunkan dari

konsep desain monolithic kernel dan microkernel. Hybrid kernel juga memiliki secara

spesifik memiliki teknologi pertukaran pesan (message passing) yang digunakan dalam

microkernel, 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 Hybrid kernels:

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).

3.4 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.

Daftar Pustaka :

( Kernel – oleh Alfiyan/2205 100 170 )

www.ilmankomputer.blogspot.com