APA ITU KERNEL?
Dalam ilmu komputer, kernel adalah suatu perangkat lunak yang menjadi bagian utama dari
sebuah system operasi. Tugasnya melayani bermacam program aplikasi untuk
mengakses perangkat 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 programmer.
Untuk menjalankan sebuah komputer kita tidak harus menggunakan kernel
sistem operasi. Sebuah program dapat saja langsung diload dan dijalankan
di atas 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.
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. 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:
1. Kernel monolitik
Kernel
monolitik mengintegrasikan banyak fungsi di dalam kernel dan menyediakan
lapisan abstraksi perangkat keras secara penuh terhadap perangkat keras yang
berada di bawah system operasi.
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 system 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).
2.
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.
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, system 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:
- ICM 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 Tanenbauw untuk tujuan edukasi.
- Symbian OS, sebuah sistem operasi yang populer digunakan pada handphone, handheld device, embedded device, dan PDA Phone.
3.
Kernel hibrida
Kernel
hibrida adalah pendekatan desain microkernel yang dimodifikasi. Pada hybrid
kernel, terdapat beberapa tambahan kode di dalam ruangan kernel untuk
meningkatkan performanya.
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 system operasi yang pernah populer sebagai system operasi jaringan berbasis IBM PC dan kompatibelnya.
- Microsoft Windows NT (dan semua keturunannya).
4.
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.
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.
Referensi:
