Tugas Individu 3

Direct Memory Access (DMA)

 

1. Pengertian DMA

          Direct memory access (DMA) adalah suatu alat pengendali khusus disediakan untuk memungkinkan transfes blok data langsung antar perangkat eksternal dan memori utama, tanpa intervensi terus menerus dari prosesor. 

          Transfer DMA dilakukan oleh sirkuit kontrol yang merupakan bagian dari antar muka perangkat I/O. Istilah ini yang sering banyak kita ketahui adalah sebagai kontroler DMA. Kontroler DMA melakukan fungsi yang biasanya dilakukan oleh prosesor pada saat mengakses memori utama (yang sering disebut RAM). 

          Untuk setiap word yang ditransfer, kontroler ini menyediakan alamat memori dan semua sinyal bus yang mengontrol transfer data. Karena harus mentransfer sejumlah blok data, maka kontroler DMA harus menaikkan alamat memori untuk word yang berurutan dan mencatat jumlah transfer. Sekalipun kontroler DMA dapat mentransfer data tanpa intervensi dari prosesor, operasinya tetap berada dibawah kontrol program yang dieksekusi oleh prosesor. 

          Untuk menginisiasi transfer suatu blok word, prosesor mengirim alamat awal, jumlah word dalam blok, dan arah transfer. Pada saat seluruh blok telah ditransfer, kontroler tersebut memberitahu prosesor dengan memunculkan sinyal interupt. Pada saat transfer DMA terjadi, program yang meminta transfer tersebut berhenti bekerja dan prosesor dapat digunakan untuk mengeksekusi program lain. Setelah transfer DMA selesai, prosesor dapat kembali ke program yang meminta transfer tersebut.

          Operasi I/O selalu dilakukan oleh OS sebagai respon terhadap request dari program aplikasi. OS juga bertanggung jawab untuk menunda eksekusi satu program dan memulai eksekusi program lain. Sehingga, untuk operasi I/O yang melibatkan DMA, OS menetapkan program yang meminta transfer tersebut pada keadaan blocked, menginisiasi operasi DMA, dan memulai eksekusi program lain.

          Pada saat transfer selesai, kontroler DMA memberitahu prosesor dengan mengirim interupt request. Sebagai responnya, OS menetapkan program yang ditunda ke keadaan runnable sehingga dapat dipilih oleh scheduler untuk melanjutkan eksekusi. Memory merupakan hardware atau perangkat keras yang berfungsi untuk menyimpan data. Data yang disimpan bisa berupa data yang bersifat sementara bisa berupa data yang permanen. 

          Direct Memory Access (DMA), jika di artikan dalam bahasa indonesia adalah akses memori langsung. DMA merupakan fitur yang modern dan komputer yang memungkinkan microprocessors hardware subsystems tertentu di dalam komputer untuk mengakses memori sistem untuk membaca dan atau menulis secara independen dari pusat pengolahan unit.

          Singkatnya, DMA adalah sistem yang dapat mengontrol sistem memori tanpa menggunakan CPU. Banyak sistem menggunakan perangkat keras DMA termasuk kontroler disk drive, kartu grafis, kartu jaringan, kartu suara dan GPS.

2. Jenis-Jenis DMA 

• Third−party DMA, untuk melakukan operasi transfer data menggunakan DMA controller yang ada pada motherboard.  
• First−party DMA (busmastering DMA). Untuk melakukan operasi transfer data dikerjakan oleh bagian logic di interface card.

3. Cara Kerja Direct Memory Access (DMA)

   

Penjelasan cara kerja DMA:

1. Perangkat AntarMuka I/O (interface) mengirim DMA controller permintaan untuk layanan DMA. 
2. Permintaan dibuat ke Hold (aktif tinggi) pada mikroprosesor 8086 dan pengendali mendapatkan kontrol bus. 
3. Permintaan bus dikembalikan ke controller DMA dari pin Hold acknowledge (HLDA)  (aktif tinggi) pada mikroprosesor 8086. 
4. Pengontrol DMA (DMA Controller) menempatkan isi register alamat yang terdaftar pada  alamat bus. 
5. Pengontrol  mengirimkan kepada antarmuka (interface) , yang memberitahu antarmuka untuk menempatkan  bus data (untuk keluarannya memberi sinyal antarmuka untuk mengunci data berikutnya yang ditempatkan di bus). 
6. Data Byte ditransfer ke lokasi memori yang di tunjukan oleh bus alamat. 
7. Lalu perangkat AntarMuka mengaitkan data. 
8. Permintaan bus dijatuhkan, pin HOLD menjadi lemah (rendah) dan pengendali melepaskan bus. 
9. Pemberian bus dari mikroprosesor 8086 dijatuhkan dan pin HLDA menjadi lemah (rendah). 
10. Register alamat bertambah 1. 
11. Jumlah byte dikurangi 1. 
12. Jika jumlah byte tidak nol , maka kembali ke langkah 1 dan jika tidak dihentikan.  

4. Kelebihan dan Kekurangan DMA  

• Kelebihan DMA

1. Menggunakan mode DMA sangat terasa pada sistem operasi multitasking seperti Windows, Linux, UNIX, dan sebagainya. Karena transfer data akan  menghemat resource processor sehingga processor dapat mengerjakan pekerjaan lain.
2.  Kecepatan transfer data dengan menggunakan mode DMA jauh lebih cepat bila dibandingkan dengan menggunakan mode PIO.
3. Dapat menirukan sebagian fungsi processor.
4. Dapat mengambil alih fungsi processor yang berhubungan dengan transfer data.
5. CPU dapat melakukan manajemen operasi baca tulis (transfer data) dengan baik dan juga dapat menyelesaikan instruksi lain.
6. Mendapat informasi tentang jumlah data bit yang ditransfer , alamat dari device dan memory yang diperlukan dan arah dari aliran data. 

• Kekurangan DMA

     Tanpa DMA, transfer data menjadi terbatas karena semua transfer data memerlukan keterlibatan CPU.

Sumber :

https://taryainunhannif.blogspot.com/2014/02/normal-0-false-false-false-in-x-none-x_42.html

http://eligius-zebua.blogspot.com/2016/12/pengertian-direct-memory-access-dma.html 
https://fajarjabrik.blogspot.com/2014/11/makalah-organisasi-komputer-direct.html
https://www.slideshare.net/gmnithya/dma-transfer 
https://www.slideshare.net/ashwiniawatare/dma-and-dma-controller-8237
https://googletranslate.com

 

Critical Section

          

1. Pengertian Critical Section

          Critical Section adalah bagian dari suatu proses yang akan melakukan akses dan manipulasi data. Ketika sebuah proses sedang dijalankan dalam critical section nya, tidak ada proses lain yang boleh dijalankan dalam critical section tersebut, karena akan menyebabkan keadaan mutually exclusive. Mutually exclusive yakni keadaan terjadinya akses resources yang sama di saat yang bersamaan,  mutually exclusive memerlukan kondisi tertentu agar dapat terpenuhi.

2. Kegunaan dari Critical Section 

 

           Critical section biasanya digunakan saat program multithreading, dimana program tersebut terdiri dari banyak thread, akan mengubah nilai dari variabel. Dalam hal ini critical section diperlukan untuk melindungi variabel dari concurrent access (pengaksesan program di saat yang bersamaan) yang dapat membuat nilai dari variabel tersebut menjadi tidak konsisten.

          Seperti yang telah kita ketahui bahwa proses dapat bekerja sendiri (independent process) dan juga dapat bekerja bersama proses-proses yang lain (cooperating process). Pada umumnya ketika proses saling bekerjasama (cooperating process) maka proses-proses tersebut akan saling berbagi data. Pada saat proses-proses berbagi data, ada kemungkinan bahwa data yang dibagi secara bersama itu akan menjadi tidak konsisten dikarenakan adanya kemungkinan proses-proses tersebut melakukan akses secara bersamaan yang menyebabkan data tersebut berubah, hal ini dikenal dengan istilah Race Condition.

          Oleh karena itu, dibutuhkan solusi yang tepat untuk menghindari munculnya Race Condition. Solusi tersebut harus memenuhi ketiga syarat berikut:

       a. Mutual Exclusion

           Mutual Exclusion merupakan sebuah jalan yang menjamin jika sebuah proses sedang menggunakan variabel atau berkas yang digunakan bersama-sama, proses lain akan dikeluarkan dari pekerjaan yang sama.

           Misal proses Pi sedang menjalankan critical section (dari proses Pi), maka tidak ada proses-proses lain yang dapat menjalankan critical section dari proses-proses tersebut. Dengan kata lain, tidak ada dua proses yang berada di critical section pada saat yang bersamaan.

Contoh 18.4. Struktur umum dari proses Pi adalah:

             

        do {

               entry section

                  critical section

               exit section

                  remainder section

               } while (1);

          Setiap proses harus meminta izin untuk memasuki critical section-nya. Bagian dari kode yang mengimplementasikan izin ini disebut entry section. Akhir dari critical section itu disebut exit section. Bagian kode selanjutnya disebut remainder section. Dari kode di atas, dapat kita lihat bahwa untuk bisa memasuki critical section sebuah proses harus melalui entry section.

                                                  Gambar 18.3. ilustrasi proses Pi

           b. Progress

           Terjadi kemajuan (progress), Jika tidak ada proses yang sedang menjalankan critical section-nya dan jika terdapat lebih dari satu proses lain yang ingin masuk ke critical section, maka hanya proses-proses yang tidak sedang menjalankan remainder section-nya yang dapat berpartisipasi dalam memutuskan siapa yang berikutnya yang akan masuk ke critical section, dan pemilihan siapa yang berhak masuk ke critical section ini tidak dapat ditunda secara tak terbatas (sehingga tidak terjadi deadlock).

         c. Bounded Waiting 

          Ada batas waktu tunggu (bounded waiting), Jika seandainya ada proses yang sedang menjalankan critical section, maka terdapat batasan waktu berapa lama suatu proses lain harus menunggu giliran untuk mengakses critical section. Dengan adanya batas waktu tunggu akan menjamin proses dapat mengakses ke critical section (tidak mengalami starvation: proses seolah-olah berhenti, menunggu request akses ke critical section diperbolehkan).

3. Solusi untuk Memecahkan Masalah Critical Solution 
  
Ada dua jenis solusi untuk memecahkan masalah critical section, yaitu.

     1. Solusi Perangkat Lunak. Solusi ini menggunakan algoritma-algoritma untuk mengatasi masalah critical section.

      2. Solusi Perangkat Keras. Solusi ini tergantung pada beberapa instruksi mesin tertentu, misalnya dengan me-non-aktifkan interupsi, mengunci suatu variabel tertentu atau menggunakan instruksi level mesin seperti tes dan set.

          Berikut ini algoritma-algoritma yang digunakan untuk mengatasi masalah critical section:

• Algoritma I

          Algoritma I memberikan giliran kepada setiap proses untuk memproses critical section-nya secara bergantian. Asumsi yang digunakan disini setiap proses secara bergantian memasuki critical section-nya.

          Statement while(turn != 4) akan memeriksa apakah pada saat itu proses 4 mendapatkan turn, jika tidak maka proses 4 akan busy waiting(lihat kembali bahwa perintah while diakhiri dengan “;”). Jika ternyata pada saat itu merupakan giliran proses 4 maka proses 4 akan mengerjakan critical section-nya. Sampai sini jelas terlihat bahwa mutex terpenuhi! Proses yang tidak mendapatkan turn tidak akan dapat mengerjakan critical section-nya dan turn hanya akan diberikan pada satu proses saja.

           Setelah proses 4 selesai mengerjakan critical section maka turn diberikan pada proses lainnya (turn= j, j merupakan proses selanjutnya yang dapat mengerjakan critical section). Setelah turn-nya diberikan kepada proses lain, proses 4 akan mengerjakan remainder section.   

          Disini jelas terlihat bahwa syarat bounded waiting jelas terpenuhi. Ingat asumsi yang digunakan dalam algoritma ini adalah setiap proses secar bergantian memasuki critical section-nya, jika pada saat itu proses 4 ternyata belum mau mengerjakan critical section-nya maka proses ke-j tidak akan mendapatkan kesempatan untuk mengerjakan critical section walau saat itu sebenarnya proses ke-j akan memasuki critical section. Artinya syarat progress tidak terpenuhi pada algoritma ini.

• Algoritma II

          Masalah yang terjadi pada algoritma 1 ialah ketika di entry section terdapat sebuah proses yang ingin masuk ke critical section, sementara di critical section sendiri tidak ada proses yang sedang berjalan, tetapi proses yang ada di entry section tadi tidak bisa masuk ke critical section. Hal ini terjadi karena giliran untuk memasuki critical section adalah giliran proses yg lain sementara proses tersebut masih berada di remainder section. Untuk mengatasi masalah ini maka dapat diatasi dengan merubah variabel trun pada algoritma pertama dengan array

Boolean flag [2];

          Elemen array diinisialisasi false. Jika flag[i] true, nilai tersebut menandakan bahwa Pi ready untuk memasuki critical section. Pada algoritma ini. hal pertama yang dilakukan ialah mengeset proses Pi dengan nilai True, ini menandakan bahwa Pi ready untuk masuk ke critical section. kemudian, Pi memeriksa apakah Pj tidak ready untuk memasukui critical section. Jika Pj ready, maka Pi menunggu sampai Pj keluar dari critical section (flag[j] bernilai false). Ketika keluar dari critcal section, Pi harus merubah nilai flag[i] menjadi false agar prores lain dapat memasuki critical section.

Contoh:

Pada algoritma ini, kriteria Mutual-exclusion terpenuhi, tetapi  tidak memenuhi kriteria

progress. Ilustrasinya seperti di bawah ini.

T0 : Po set flag [0] = true

T1 : Po set flag [1] = true

Dari ilustrasi diatas terlihat bahwa algoritma ini memungkinkan terjadinya nilai true untuk kedua proses, akibatnya tidak ada proses yang akan berhasil memasuki critical section.

Jadi untuk algoritma 2 masih terdapat kelemahan, seperti yang terjadi di atas.

• Algoritma  III

          Idenya berasal dari algoritma 1 dan 2. Algoritma 3 mengatasi kelemahan pada algoritma 1 dan 2 sehingga progres yang diperlukan untuk mengatasi critical section terpenuhi.

          Algoritma III ditemukan oleh G.L. Petterson pada tahun 1981 dan dikenal juga sebagai Algoritma Petterson. Petterson menemukan cara yang sederhana untuk mengatur proses agar memenuhi mutual exclusion. Algoritma ini adalah solusi untuk memecahkan masalah critical section pada dua proses. Ide dari algoritma ini adalah menggabungkan variabel yang di- sharing pada Algoritma I dan Algoritma II, yaitu variabel turn dan variabel flag. 

          Sama seperti pada Algoritma I dan II, variabel turn menunjukkan giliran proses mana yang diperbolehkan memasuki critical section dan variabel flag menunjukkan apakah suatu proses membutuhkan akses ke critical section atau tidak.

          Awalnya flag untuk kedua proses diinisialisai bernilai false, yang artinya kedua proses tersebut tidak membutuhkan akses ke critical section. Kemudian jika suatu proses ingin memasuki critical section, ia akan mengubah flag-nya menjadi true (memberikan tanda bahwa ia butuh critical section) lalu proses tersebut memberikan turn kepada lawannya. Jika lawannya tidak menginginkan critical section (flag-nya false), maka proses tersebut dapat menggunakan critical section, dan setelah selesai menggunakan critical section ia akan mengubah flag-nya menjadi false.

        Tetapi apabila proses lawannya juga menginginkan critical section maka proses lawan-lah yang dapat memasuki critical section, dan proses tersebut harus menunggu sampai proses lawan menyelesaikan critical section dan mengubah flag-nya menjadi false.

          Misalkan ketika P0 membutuhkan critical section, maka P0 akan mengubah flag[0] = true, lalu P0 mengubah turn= 1. Jika P1 mempunyai flag[1] = false, (berapapun nilai turn) maka P0 yang dapat mengakses critical section. Namun apabila P1 juga membutuhkan critical section, karena flag[1] = true dan turn= 1, maka P1 yang dapat memasuki critical section dan P0 harus menunggu sampai P1 menyelesaikan critical section dan mengubah flag[1] = false, setelah itu barulah P0 dapat mengakses critical section.

          Bagaimana bila kedua proses membutuhkan critical section secara bersamaan? Proses mana yang dapat mengakses critical section terlebih dahulu? Apabila kedua proses (P0 dan P1) datang bersamaan, kedua proses akan menset masing-masing flag menjadi true (flag[0] = true dan flag[1] = true), dalam kondisi ini P0 dapat mengubah turn = 1 dan P1 juga dapat mengubah turn = 0. Proses yang dapat mengakses critical section terlebih dahulu adalah proses yang terlebih dahulu mengubah turn menjadi turn lawannya. Misalkan P0 terlebih dahulu mengubah turn= 1, lalu P1 akan mengubah turn= 0, karena turn yang terakhir adalah 0 maka P0-lah yang dapat mengakses critical section terlebih dahulu dan P1 harus menunggu.

          Algoritma III memenuhi ketiga syarat yang dibutuhkan. Syarat progress dan bounded waiting yang tidak dipenuhi pada Algoritma I dan II dapat dipenuhi oleh algoritma ini karena ketika ada proses yang ingin mengakses critical section dan tidak ada yang menggunakan critical section maka dapat dipastikan ada proses yang bisa menggunakan critical section, dan proses tidak perlu menunggu selamanya untuk dapat masuk ke critical section.

• Algoritma Tukang Roti

          Algoritma ini didasarkan pada algoritma penjadwalan yang biasanya digunakan oleh tukang roti, dimana urutan pelayanan ditentukan dalam situasi yang sangat sibuk. Algoritma ini dapat digunakan untuk memecahkan masalah critical section untuk n buah proses, yang diilustrasikan dengan n buah pelanggan. Ketika memasuki toko, setiap pelanggan menerima sebuah nomor.    

          Sayangnya, algoritma tukang roti ini tidak dapat menjamin bahwa dua proses (dua pelanggan) tidak akan menerima nomor yang sama. Dalam kasus di mana dua proses menerima nomor yang sama, maka proses dengan nomor ID terkecil yang akan dilayani dahulu. Jadi, jika Pi dan Pj menerima nomor yang sama dan i < j, maka Pi dilayani dahulu. Karena setiap nama proses adalah unik dan berurut, maka algoritma ini dapat digunakan untuk memecahkan masalah critical section untuk n buah proses.

Struktur data umum algoritma ini adalah:

      boolean choosing[n];

      int number [n];

          Awalnya, struktur data ini diinisialisasi masing-masing ke false dan 0, dan menggunakan notasi berikut:

– (a, b) < (c, d) jika a < c atau jika a= c dan b < d

– max(a0, …, an-1) adalah sebuah bilangan k, sedemikian sehingga k >= ai untuk setiap i= 0, , n – 1

        
          Dengan demikian, diketahui bahwa  Algoritma I dan II terbukti tidak dapat memecahkan masalah critical section untuk dua proses karena tidak memenuhi syarat progress dan bounded waiting. Algoritma yang dapat menyelesaikan masalah critical section pada dua proses adalah Algoritma III. Sedangkan untuk masalah critical section pada n-buah proses dapat diselesaikan dengan menggunakan Algoritma Tukang Roti.

4. Komponen Critical Section

• Entry Section : kode yang digunakan untuk masuk ke dalam critical section. 
• Critical Section : kode dimana hanya satu proses yang dapat dieksekusi dalam satu waktu.
• Exit Section       : Akhir dari critical section, mengijinkan proses lainnya.
• Remainder Section  : kode istirahat setelah masuk ke critical section.

Sumber :

https://mediekaputra.wordpress.com/2011/03/26/critical-section/

ftp://ftp.gunadarma.ac.id/linux/docs/v06/Kuliah/SistemOperasi/BUKU/SistemOperasi-4.X-1/ch18s04.html

https://asripujiastuti.files.wordpress.com/2012/07/modul-7_proses_sinkronisasi.ppt