Roadmap Pengembangan Sistem Operasi Bare Metal pada Raspberry Pi: Dari Register Hingga Antarmuka Grafis

January 14, 2026
 |  No Comments

Oleh: Reza Ervani bin Asmanu

Dalam dunia rekayasa perangkat lunak, pengembangan sistem operasi secara Bare Metal (tanpa perantara kernel lain) adalah salah satu disiplin ilmu yang paling menantang sekaligus memuaskan. Ketika kita berhasil membuat hardware bekerja sesuai kehendak kita tanpa bantuan perpustakaan standar, kita tidak sedang “coding”—kita sedang membangun arsitektur.

Saat ini, kita telah mencapai tonggak awal yang krusial: UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter). Raspberry Pi kita telah memiliki “suara” untuk berkomunikasi dengan dunia luar. Namun, perjalanan menuju sebuah Sistem Operasi (OS) yang utuh masih panjang. “Hello World” hanyalah permulaan.

Artikel ini akan memaparkan Peta Jalan (Roadmap) Komprehensif yang dirancang oleh Reza Ervani Institute. Kurikulum ini membagi pengembangan OS menjadi 8 Fase Utama, bergerak secara linier dari kendali perangkat keras tingkat rendah menuju abstraksi perangkat lunak tingkat tinggi.

FASE 1: Fondasi Komunikasi & Diagnostik

Status: Tahap Implementasi

Fokus: Membangun jalur komunikasi dua arah antara Host (PC) dan Target (Raspberry Pi).

Sebelum membangun fitur canggih, kita membutuhkan alat debug yang andal. Tanpa layar dan tanpa input yang valid, pengembangan OS ibarat berjalan dalam kegelapan.

  • UART Output: Inisialisasi protokol serial untuk mengirimkan log sistem ke terminal PC.
  • GPIO Driver: Memahami manajemen register GPFSEL dan GPLEV untuk mengontrol pin Input/Output secara langsung.
  • UART Input: Mengimplementasikan fungsi penerima data (Receiver) agar OS dapat menerima perintah dari keyboard PC.
  • Capaian Akhir: Sistem mampu berinteraksi interaktif via terminal serial (CLI dasar).

FASE 2: Konkurensi & Manajemen Waktu (The Nervous System)

Fokus: Transisi dari sistem “Polling” (Pasif) menjadi sistem “Interrupt-Driven” (Reaktif).

OS yang efisien tidak membuang siklus CPU untuk menunggu (busy-wait). Fase ini memberikan “detak jantung” dan “sistem saraf” pada OS.

  • Exception Vector Table: Memetakan alamat memori 0x00 untuk menangani kejadian luar biasa (Reset, Undefined Instruction, Software Interrupt).
  • IRQ Controller (BCM2835): Mengaktifkan dan mengelola sinyal interupsi perangkat keras.
  • System Timer: Mengimplementasikan fungsi waktu presisi dan fungsi sleep() non-blocking.
  • Scheduler Dasar: Penerapan algoritma Round Robin sederhana untuk mensimulasikan dua proses berjalan bersamaan (Time Slicing).

FASE 3: Manajemen Memori (The Brain)

Fokus: Mengelola sumber daya RAM secara dinamis.

Agar OS dapat menjalankan program yang kompleks, kita harus meninggalkan penggunaan variabel statis dan beralih ke alokasi memori dinamis.

  • Physical Memory Manager (PMM): Mendeteksi total RAM yang tersedia dan membaginya menjadi blok-blok halaman (Pages).
  • Dynamic Memory Allocator: Implementasi fungsi malloc() dan free() untuk manajemen Heap.
  • Standard Library: Membangun pustaka manipulasi memori dan string (memcpy, memset, strcpy) secara mandiri.

FASE 4: Antarmuka Grafis (The Face)

Fokus: Beralih dari teks terminal menuju tampilan visual HDMI.

Pada Raspberry Pi, CPU tidak mengontrol layar secara langsung, melainkan berkomunikasi dengan GPU (VideoCore IV).

  • Mailbox Property Interface: Mengimplementasikan protokol komunikasi antor-prosesor antara ARM CPU dan GPU.
  • Framebuffer Initialization: Meminta GPU menyediakan buffer video dengan resolusi dan kedalaman warna tertentu (misal: 1920×1080, 32-bit).
  • Primitive Drawing: Membuat algoritma untuk menggambar pixel, garis, dan bentuk geometri dasar.
  • Font Rendering: Menampilkan teks pada mode grafis menggunakan bitmap font.

FASE 5: Periferal & Input Mandiri

Fokus: Melepaskan ketergantungan pada koneksi Serial PC.

Ini adalah fase dengan kompleksitas teknis tinggi, di mana OS mulai menjadi perangkat mandiri (Standalone).

  • USB Host Driver: Implementasi (atau porting) stack USB untuk mendeteksi perangkat.
  • HID (Human Interface Device): Driver untuk menerjemahkan sinyal keyboard dan mouse USB.
  • Console on Screen: Memindahkan antarmuka Command Line dari terminal PC ke layar monitor HDMI yang terhubung langsung ke Pi.

FASE 6: Penyimpanan & Persistensi Data

Fokus: Manajemen File System dan pemuatan program eksternal.

Sebuah OS harus mampu menyimpan data dan memuat program lain, bukan hanya menjalankan kernel itu sendiri.

  • EMMC/SD Card Driver: Protokol komunikasi tingkat rendah untuk membaca sektor pada kartu SD.
  • FAT32 Filesystem: Implementasi struktur sistem file standar agar data dapat dibaca kompatibel dengan Windows/Linux.
  • Program Loader: Kemampuan untuk membaca file biner (.bin atau .elf) dari SD Card, memuatnya ke RAM, dan mengeksekusinya.

FASE 7: Sistem Operasi Sejati (Multitasking)

Fokus: Proteksi memori dan isolasi proses.

Membangun mekanisme agar program pengguna (User Space) tidak dapat merusak inti sistem (Kernel Space).

  • Process Control Block (PCB): Struktur data untuk melacak status setiap proses yang berjalan.
  • Context Switching: Mekanisme penyimpanan dan pemulihan register CPU saat berpindah antar proses.
  • User vs Kernel Mode: Memanfaatkan fitur proteksi hardware ARM (CPSR Register).
  • System Calls (SWI): API bagi program pengguna untuk meminta layanan kernel (seperti menulis ke layar atau membaca file).

FASE 8: Antarmuka Pengguna & Estetika

Fokus: Menciptakan pengalaman pengguna (User Experience) yang baik.

Tahap akhir adalah memoles sistem agar nyaman digunakan.

  • Advanced CLI (Shell): Fitur history, autocomplete, dan scripting sederhana.
  • GUI System (Opsional): Sistem jendela (Windowing System) sederhana dengan dukungan kursor mouse.
  • Visual Branding: Boot logo dan skema warna khas.

Penutup

Peta jalan ini bukan sekadar urutan tutorial, melainkan sebuah kurikulum teknik komputer yang komprehensif. Dengan menyelesaikan kedelapan fase ini, kita tidak hanya “membuat OS”, tetapi kita memahami secara mendalam bagaimana sebuah komputer bekerja, mulai dari denyut listrik di register hingga piksel yang tampil di layar.

Mari kita lanjutkan perjalanan ini, satu baris kode assembly pada satu waktu.