Arsitektur Komputer

PENDAHULUAN Arsitektur Komputer adalah : Atribut-atribut sebuah system komputer yang tampak secara fisik (visible) dan komponen-komponen utama dari sebuah komputer yang memiliki dampak langsung terhadap eksekusi. Organisasi Komputer adalah : Unit-unit operasional dari komponen utama komputer dan interkoneksinya yang merealisasikan spesifikasi arsitektural (set instruksi, jumlah bit, mekanisme I/O, dan teknik pengalamatan memori. Sedangkan atribut-atribut dari organisasionalnya meliputi signal kontrol, interface komputer dan peripheral, serta teknologi memori yang digunakan. Komputer merupakan system yang kompleks yang berisi jutaan komponen elektronik elementer. Struktur : Yaitu cara komponen-komponen saling terkait -

CPU : mengontrol operasi komputer dan membentuk fungsi-fungsi pengolahan datanya. CPU terdiri dari : o CU : mengontrol operasi CPU dan komputer secara keseluruhan 

Squencing Logic



Control Unit Registers and Decoders



Control Memory

o ALU : membentuk fungsi-fungsi pengolahan data komputer o Register : Sebagai penyimpanan internal bagi CPU o CPU Interconections : sejumlah mekanisme komunikasi antara CU, ALU, dan register-register. -

Memory Utama : Menyimpan data

-

I/O : Memindahkan data antar komputer dengan lingkungan luar

-

System Interconection : mekanisme komunikasi antara CPU, memori utama, dan I/O

Fungsi : Operasi masing-masing komponen sebagai bagian dari struktur. Secara umum terdapat empat buah fungsi komputer : -

Pengolahan Data

-

Penyimpanan Data . Komputer harus dapat menyimpan data walaupun hanya untuk waktu yang pendek (sesaat), sekalipun hanya untuk sementara sedikitnya

potongan data yang sedang dikerjakan oleh komputer pada suatu saat. File-file disimpan di dalam komputer untuk dapat dicari dan diperbaharui. -

Pemindahan Data : Komputer harus dapat memindahkan data antara dirinya dengan dunia luar yang terdiri dari melayani sumber data atau tempat tujuan data. Ketika data dikirimkan atau diterima melalui sebuah perangkat I/O proses ini dikenal dengan proses input – output (I/O) dan perangkatnya disebut peripheral, jika proses ini dilakukan dengan jarak yang jauh atau dari remote device maka hal ini dikenal dengan komunikasi data RUANG LINGKUP OPERASI KOMPUTER (sumber dan tujuan)

Peralatan pemindaha n data

Mekanisme Pengontrolan

Fasilitas Penyimpana n Data

Fasilitas Pengolahan Data

Gbr. 1. FUNGSI KOMPUTER -

Kontrol : Bagi ketiga fungsi di atas harus dikontrol. Didalam komputer sebuah unit kontrol mengatur sumber daya komputer dan mengendalikan unjuk kerja bagian-bagian fungsional dalam memberikan respon terhadap instruksi-instruksi tersebut.

EVOLUSI DAN KINERJA KOMPUTER

Sejarah Singkat Komputer Komputer Generasi Tabung Hampa Electronic Numerical Integrator And Computer (ENIAC), merupakan komputer tabung vakum generasi pertama di dunia yang dibuat dan dirancang dibawah pengawasan John Mauchly dan John Presper Eckert di Universitas Vensilvania yang digunakan untuk kebutuhan umum. ENIAC mempunyai berat 30 ton, volumenya 15.000 kaki persegi, berisi 18.000 tabung vakum, membutuhkan tenaga listrik 140 K watt, mampu melakukan 5000 penambahan/detik. Memory ENIAC terdiri dari 20 acumulator dan setiap accumulator mampu menampung 10 digit bilangan desimal Von Neumann melakukan rancangan stored program concept yang dikenal dengan IAS yang menjadi prototype bagi komputer untuk keperluan umum yang ada sekarang. Struktur utama komputer IAS ini terdiri dari : - Main Memory

: menyimpan data atau instruksi-instruksi

- ALU

: memiliki kemampuan mengoperasikan data biner

- Control Unit

: melakukan interprestasi instruksi-instruksi di dalam memori dan menyebabkannya instruksi instruksi itu di eksekusi.

- Peralatan I / O

: peralatan ini di operasikan oleh kontrol unit.

Baik Control Unit maupun Alu berisi lokasi-lokasi penyimpanan yang disebut register -

Memory Buffer Register (MBR)

-

Instruction Register (IR)

-

Instruction Buffer Register (IBR)

-

Program Counter (PC)

-

Acumulator (AC) dan Multiplier Quotiens (MQ)

Central Processing Unit

AC

MQ

I/O Equipment

Arithmetic Logic Unit

MBR

Data dan

Instruksi

IBR

PC

IR

MAR

Control Circuit s

.

Control Signals

Main Memory

Alamat-Alamat

Program Control Unit Struktur Komputer IAS yang dikembangkan Komputer IAS beroperasi secara Repetitif membentuk siklus instruksi. Komputer IAS memiliki 21 buah instruksi yang dapat dikelompokan sebagai berikut : •

Data Transfer : memindahkan data antara memori dengan register-register ALU atau antara dua register ALU

•

Uncoditional Branch : Biasanya control unit mengeksekusi instruksi-instruksi didalam urutan memori. Urutan ini dapat diubah dengan instruksi pencabangan guna memudahkan operasi repetitive.

•

Conditional Branch : Cabang dapat diubah tergantung pada suatu persyaratan, jadi memungkinkan titik keputusan.

•

Arithmetic : Operasi-operasi yang dibentuk oleh ALU

•

Address Modify : Memungkinkan alamat-alamat untuk dikomputasi di dalam ALU dan kemudian disisipkan kedalam instruksi-instruksi yang disimpan di dalam memori. Hal ini memungkinkan fleksibilitas alamat yang tinggi pada program

Komputer Generasi Integreted Circuits (IC) Sebua transistor tunggal disebut komponen diskrit. Pada tahun 1958 terjadi revolusi elektronik dengan ditemukannya IC yang menentukan lahirnya generasi ke tiga komputer. Mikro elektronik secara harfiah berarti “ elektronik kecil”. Elemen dasar sebuah komputer digital harus membentuk : penyimpanan, perpindahan, pengolahan, dan fungsi-fungsi kontrol. Hanya diperlukan dua komponen fundamental yaitu Gate dan Sel Memori. Sebuah Gate adalah suatu perangkat yang mengimplementasikan fungsi-fungsi Bool atau logika sederhana. Sel memori merupakan perangkat yang dapat menyimpan satu bit data (perangkat yang dapat berada pada dua keadaan stabil pada suatu saat tertentu.

Wafer Chip

Gate Package Chip

Gambar . Hubungan antara Lempeng, Keeping, dan Gate

Sebuah lempeng tipis silicon dibagi menjadi matrik kecil, yang berukuran beberapa mili meter persegi. Pola rangkaian yang identik dibuat pada masing-masing area dan lempeng dibagi menjadi keeping-keping (Chips). Setiap keeping terdiri dari sejumlah gate ditambah sejumlah titik I/O. Kemudian keeping ini dikemas dalam pembungkus yang melindunginya, dan disediakan pin-pin penyambung keperangkat dibawah keeping. Berikut perkembangan kerapatan komponen/chip pada keeping : Generasi-Generasi Selanjutnya Dengan diciptakannya Large Scale Integration ( LSI ) dengan lebih dari 1000 komponen dapat ditempatkan pada keeping IC tunggal. Very Large Scale Integration (VLSI) Dapat menampung 10.000 komponen per keeping, dan saat ini VLSI mampu menampung lebih dari 100.000 komponen. Memori Semikonduktor Aplikasi pertama teknologi IC bagi komputer adalah konstruksi processor (CU,ALU, dan LU). Sebelum ditemukannya memori semikonduktor, sebagian memori komputer dibuat dari cincin-cincin kecil ferromagnetic dengan diameter 1/16 inci. Cincin ini diikat grid kawat halus yang tergantung pada layar kecil di komputer dengan dimagnetisasi kesatu arah sebuah cincin (Core) untuk mempresentasikan bilangan satu, dan magnetisasi kearah lainnya ini berarti nol. Memori Core ini sangat cepat (memerlukan waktu 1 / 1.000.000 detik untuk membaca sebuah bit yang tersimpan di dalam memori. Pada 1970 Fairchild membuat memori semionduktor pertama. Keping ini berukuran hampir sama dengan sebuah core, dapat menampung 256 bit memori. Memori ini tidak destruktif dan lebih cepat dibandingkan core. Aplikasi desktop dengan system berbasis microprocessor saat ini meliputi : -

pengolahan citra

-

pengenalan pembicaraan

-

konverensi video

-

pembuatan multimedia

-

anotasi suara dan video terhadap suatu file

Berikut ini beberapa teknik yang dirancang dan diterapkan untuk meningkatkankecepatan processor kontenporer :

 Branch Prediction

: processor mengamati terlebih dahulu didalam software dan

melakukan prediksi cabang atau kelompok instruksi yang perlu diprosesberikutnya. Apa bila processor hampir selalu dapat menebak secara benar processor itu dapat mengambil instruksi-instruksi yang benar dan menyimpannya didalam buffer, sehingga processor selalu berada dalam keadaan sibuk.  Data Flow Analysis

: processor melakuan analysis instruksi mana yang tidak

tergantung pada asil atau data lainnya, untuk membuata penjadwalan yang optimum bagi instruksi-instruksi. Dalam kenyataannya instruksi dijadwalkan untuk dieksekusi bila telah siap dan tidak tergantung pada urutan program orisinal. Hal ini mencegah terjadinya delay pada processor.  Speculative Execution

: Dengan menggunakan predisksi cabang dan analisis aliran

data beberapa processor mengeksekusi instruksi secara speculative terlebih dahulu sebelum waktu aktualnya dalam mengeksekusi program, dan menyimpan hasilnya dalam lokasi sementara. Keseimbangan Kinerja Pada saat processor berhasil meningkatkan kecepatannya terlebih dahulu, komponen komputer penting lainnya (RAM, I/O equipment) tidak dapat mengikutinya. Akhirnya dibutuhkan sesuatu untuk mencari keseimbangan kinerja guna mengatasi perbedaan kemampuan dan kecepatan terhadap macam-macam komponen komputer. Ada beberapa cara untuk mengatasi masalah tersebut, seluruhnya di refleksikan pada rancangan komputer :  Meningkatkan jumlah bit yang dicari pada suatu saat tertentu dengan cara melebarkan DRAM, dan dengan menggunakan lintasan data bus yang lebih lebar.  Mengubah interface DRAM sehungga menjadi lebih efisien, dengan melibatkan cache atau pola pem-bufferan lainnya pada keeping DRAM.  Meningkatkan bandwith interkoneksi antara processor dengan memori dengan menggunakan hirarki bus yang lebih cepat untuk mem-buffer-kan dan membuat struktur aliran data. Rancangan di atas tetap harus diperbaiki untuk mengatasi dua factor yang selalu timbul : 1. Adanya perubahan kinerja pada berbagai processor, bus, memori, dan peripheral yang sangat berbeda antara satu dengan yang lainnya.

2. Aplikasi-aplikasi baru dan perangkat-perangkat peripheral baru selalu berubah sesuai dengan kebutuhan system dalam bentuk frofil instruksi umum dan pola akses datanya. Evolusi Pentium dan Power PC Evolusi Pentium Produk intel :  8080 : Microprocessor kebutuhan umum pertama di dunia. Processor ini merupakan mesin 8-bit, dengan lintasan data 8-bit ke memori  8086 : Microprocessor yang jauh lebih handal dengan mesin 16-bit, selain lintasan data yang lebih lebar dan register-register yang lebih besar, 8086 memiliki cache instruksi atau antrian yang akan melakukan pengambilan awal instruksi sebelum dieksekusi.  80286 : Processor ini merupakan pengembangan dari 8086 yang dapat melakukan pengalamatan memori sampai 16 MB, bukan 1 MB lagi.  80386 : Mesin 32 bit intel yang pertama. 80386 menyaingi kompleksitas dan daya mini komputer maupun mainframe.  80486 : Memperkenalkan teknologi cache dan pipelining instruksi yang jauh lebih canggih dan handal.  Pentium : dengan Pentium intel memperkenalkan teknik-teknik superscalar yang memungkinkan sejumlah instruksi dieksekusi secara parallel.  Kedepan intel tetap akan melanjutkan perkembangan ogranisasi super scalar dan melihat beberapa teknologi berbasis Reduced Instruction Set Computer (RISC) Evolusi Power PC  801 : mengawali banyak konsep arsitektur RISC  PC RT : produk work station RISC komersial, yang mengadaptasi konsep arsitektur 8081 kedalam kinerja yang lebih baik.  IBM RISC System / 6000 merupakan mesin RISC superscalar yang dipasarkan sebagai workstation ber-unjuk kerja tinggi.  Power PC (RISC Super Scalar) : merupakan hasil kerjasama IBM dengan Motorola. Perubahan-perubahan dibuat untuk menambahkan future-future penting yang hilang dan untuk memungkinkan implementasi yang lebih efisien dengan menghilangkan beberapa instruksi dan melonggarkan spesifikasi untuk menghindari masalah-masalah tertentu.