1.
A. PENGERTIAN
ARSITEKTUR KOMPUTER
1.
A. PENGERTIAN
ARSITEKTUR KOMPUTER
Arsitektur komputer dapat
didefinisikan dan dikategorikan sebagai ilmu dan sekaligus seni mengenai cara
interkoneksi komponen-komponen perangkat keras untuk dapat menciptakan sebuah
komputer yang memenuhi kebutuhan fungsional, kinerja, dan target biayanya.
Dalam bidang teknik komputer, arsitektur komputer adalah konsep perencanaan dan
struktur pengoperasian dasar dari suatu sistem komputer. Arsitektur komputer
ini merupakan rencana cetak-biru dan deskripsi fungsional dari kebutuhan bagian
perangkat keras yang didesain (kecepatan proses dan sistem interkoneksinya).
Dalam hal ini, implementasi perencanaan dari masing–masing bagian akan lebih
difokuskan terutama, mengenai bagaimana CPU akan bekerja, dan mengenai cara
pengaksesan data dan alamat dari dan ke memori cache, RAM, ROM, cakram keras,
dll).
Di antara demikian banyak pemahaman
tentang arsitektur, arsitektur dikenal juga sebagai suatu tradisi yang
berkembang. Dari waktu ke waktu wajah arsitektur selalu mengalami perubahan.
Hal-hal yang mempengaruhi perkembangan dan pengembangan arsitektur tidak hanya
berupa keadaan eksternal, tetapi juga keadaan internal. Disini kita membahas
mengenai evolusi arsitektur pada komputer. Arsitektur dari komputer sendiri
merupakan suatu susunan atau rancangan dari komputer tersebut sehingga
membentuk suatu kesatuan yang dinamakan komputer. Komputer sendiri berevolusi
dengan cepat mulai dari generasi pertama hingga sekarang. Evolusi sendiri
didasarkan pada fungsi atau kegunaanya dalam kehidupan. Evolusi pada komputer
sendiri ada karena keinginan atau hal yang dibutuhkan manusia itu sendiri.
Sekarang ini komputer sudah dapat melakaukan perintah yang sulit sekalipun
tidak seperti dulu yang hanya bisa melakukan yang sederhana saja. Itulah yang
dinamakan evolusi arsitektur yaitu perubahan bentuk juga fungsi dan kemampuannya.
B. KLASIFIKASI
ARSITEKTUR KOMPUTER
1. Arsitektur
Von Neumann
Arsitektur von Neumann (atau Mesin Von
Neumann) adalah arsitektur yang diciptakan oleh John von Neumann (1903-1957).
Arsitektur ini digunakan oleh hampir semua komputer saat ini. Arsitektur Von
Neumann menggambarkan komputer dengan empat bagian utama: Unit Aritmatika dan
Logis (ALU), unit kontrol, memori, dan alat masukan dan hasil (secara kolektif
dinamakan I/O). Bagian ini dihubungkan oleh berkas kawat, “bus”.
Pada perkembangan komputer modern,
setiap prosesor terdiri dari atas :
1.
Arithmetic and Logic Unit (ALU)
Arithmatic and Logic Unit atau Unit
Aritmetika dan Logika berfungsi untuk melakukan semua perhitungan aritmatika
(matematika) dan logika yang terjadi sesuai dengan instruksi program. ALU
menjalankan operasi penambahan, pengurangan, dan operasi-operasi
sederhana lainnya pada input-inputnya dan memberikan hasilnya pada register
output.
1.
Register.
Register merupakan alat penyimpanan
kecil yang mempunyai kecepatan akses cukup tinggi, yang digunakan
untuk menyimpan data dan instruksi yang sedang diproses, sementara data
dan instruksi lainnya yang menunggugiliran untukdiproses masihdisimpan yang
menunggugiliran untukdiproses masihdisimpan di dalam memori utama. Setiap
register dapat menyimpan satu bilangan hingga mencapai jumlah maksimum tertentu
tergantung pada ukurannya.
1.
Control Unit
Control Unit atau Unit Kontrol berfungsi
untuk mengatur dan mengendalikan semua peralatan yang ada pada sistem komputer.
Unit kendali akan mengatur kapan alat input menerima data dan kapan data
diolah serta kapan ditampilkan pada alat output. Unit ini juga mengartikan
instruksi-instruksi dari program. Unit ini juga mengartikan instruksi-instruksi
dari program komputer, membawa data dari alat input ke memori utama dan
mengambil data dari memori utama untuk diolah. Bila ada instruksi untuk
perhitungan aritmatika atau perbandingan logika, maka unit kendali akan
mengirim instruksi tersebut ke ALU. Hasil dari pengolahan data
dibawa oleh unit kendali ke memori utama lagi untuk disimpan, dan
pada saatnya akan disajikan ke alat output.
1.
Bus
Bus adalah sekelompok lintasan sinyal
yang digunakan untuk menggerakkan bit-bit informasi dari satu tempat ke tempat
lain, dikelompokkan menurut fungsinya Standar bus dari suatu sistem komputer
adalah bus alamat (address bus), bus data (data bus) dan bus kontrol (control
bus). Komputer menggunakan suatu bus atau saluran bus sebagaimana kendaraan bus
yang mengangkut penumpang dari satu tempat ke tempat lain, maka bus komputer
mengangkut data. Bus komputer menghubungkan CPU pada RAM dan periferal. Semua
komputer menggunakan saluran busnya untuk maksud yang sama.
1.
2. Arsitektur
RISC
A.
Pengertian RISC
RICS singkatan dari Reduced Instruction
Set Computer. Merupakan bagian dari arsitektur mikroprosessor, berbentuk kecil
dan berfungsi untuk negeset istruksi dalam komunikasi diantara arsitektur yang
lainnya. Reduced Instruction Set Computing (RISC) atau “Komputasi set instruksi
yang disederhanakan” pertama kali digagas oleh John Cocke, peneliti dari IBM di
Yorktown, New York pada tahun 1974 saat ia membuktikan bahwa sekitar 20%
instruksi pada sebuah prosesor ternyata menangani sekitar 80% dari keseluruhan kerjanya.
Komputer pertama yang menggunakan konsep RISC ini adalah IBM PC/XT pada era
1980-an. Istilah RISC sendiri pertama kali dipopulerkan oleh David
Patterson,pengajar pada University of California di Berkely.
RISC, yang jika diterjemahkan berarti
“Komputasi Kumpulan Instruksi yang Disederhanakan”, merupakan sebuah arsitektur
komputer atau arsitektur komputasi modern dengan instruksi-instruksi dan jenis
eksekusi yang paling sederhana. Arsitektur ini digunakan pada komputer dengan
kinerja tinggi, seperti komputer vektor.
Selain digunakan dalam komputer vektor,
desain ini juga diimplementasikan pada prosesor komputer lain, seperti pada
beberapa mikroprosesor Intel 960, Itanium (IA64) dari Intel Corporation, Alpha
AXP dari DEC, R4x00 dari MIPS Corporation, PowerPC dan Arsitektur POWER dari
International Business Machine. Selain itu, RISC juga umum dipakai pada
Advanced RISC Machine (ARM) dan StrongARM (termasuk di antaranya adalah Intel
XScale), SPARC dan UltraSPARC dari Sun Microsystems, serta PA-RISC dari
Hewlett-Packard.
1.
Karakteristik RISC
§
Siklus mesin ditentukan oleh waktu yang
digunakan untuk mengambil dua buah operand dari register, melakukan operasi
ALU, dan menyimpan hasil operasinya kedalam register, dengan demikian instruksi
mesin RISC tidak boleh lebih kompleks dan harus dapat mengeksekusi secepat
mikroinstruksi pada mesin-mesin CISC
§
Operasi berbentuk dari register-ke
register yang hanya terdiri dari operasi load dan store yang mengakses memori .
Fitur rancangan ini menyederhanakan set instruksi sehingga menyederhanakan pula
unit control
§
Penggunaan mode pengalamatan sederhana,
hampir sama dengan instruksi menggunakan pengalamatan register.
§
Penggunaan format-format instruksi
sederhana, panjang instruksinya tetap dan disesuaikan dengan panjang word.
1.
Karakteristik-Karakteristik Eksekusi
Instruksi
Salah satu evolusi komputer yang besar
adalah evolusi bahasa pemprograman. Bahasa pemprograman memungkinkan programmer
dapat mengekspresikan algoritma lebih singkat, lebih memperhatikan rincian, dan
mendukung penggunaan pemprograman terstruktur, tetapi ternyata muncul masalah
lain yaitu semantic gap, yaitu perbedaan antara operasi-operasi yang disediakan
oleh HLL dengan yang disediakan oleh arsitektur komputer, ini ditandai dengan
ketidakefisienan eksekusi, program mesin yang berukuran besar,dan kompleksitas
kompiler.
Untuk mengurangi kesenjangan ini para
perancang menjawabnya dengan arsitektur. Fitur-fiturnya meliputi set-set
instruksi yang banyak, lusinan mode pengalamatan, dan statemen –statemen HLL
yang diimplementasikan pada perangkat keras.
1.
Operasi
Beberapa penelitian telah menganalisis
tingkah laku program HLL (High Level Language). Assignment Statement sangat
menonjol yang menyatakan bahwa perpindahan sederhana merupakan satu hal yang
penting. Hasil penelitian ini merupakan hal yang penting bagi perancang set
instruksi mesin yang mengindikasikan jenis instruksi mana yang sering terjadi
karena harus didukung optimal.
1.
Operand
Penelitian Paterson telah memperhatikan
[PATT82a] frekuensi dinamik terjadinya kelaskelas variabel. Hasil yang
konsisten diantara program pascal dan C menunjukkan mayoritas referensi
menunjuk ke variable scalar. Penelitian ini telah menguji tingkah laku dinamik
program HLL yang tidak tergantung pada arsitektur tertentu. Penelitian [LUND77]
menguji instruksi DEC-10 dan secara dinamik menemukan setiap instruksi
rata-rata mereferensi 0,5 operand dalam memori dan rata-rata mereferensi 1,4
register. Tentu saja angka ini tergantung pada arsitektur dan kompiler namun
sudah cukup menjelaskan frekuensipengaksesan operand sehingga menyatakan
pentingnya sebuah arsitektur.
1.
Procedure Calls
Dalam HLL procedure call dan return
merupakan aspek penting karena merupakan operasi yang membutuhkan banyak waktu
dalam program yang dikompalasi sehingga banyak berguna untuk memperhatikan cara
implementasi opperasi ini secara efisien. Adapun aspeknya yang penting adalah
jumlah parameter dan variabel yang berkaitan dengan prosedur dan kedalaman
pensarangan (nesting).
1.
3. Arsitektur
CISC
A.
Pengertian CISC
Complex instruction-set computing atau
Complex Instruction-Set Computer (CISC) “Kumpulan instruksi komputasi
kompleks”) adalah sebuah arsitektur dari set instruksi dimana setiap instruksi
akan menjalankan beberapa operasi tingkat rendah, seperti pengambilan dari
memory, operasi aritmetika, dan penyimpanan ke dalam memory, semuanya sekaligus
hanya di dalam sebuah instruksi. Karakteristik CISC dapat dikatakan
bertolak-belakang dengan RISC.
Sebelum proses RISC didesain untuk
pertama kalinya, banyak arsitek komputer mencoba menjembatani celah semantik”,
yaitu bagaimana cara untuk membuat set-set instruksi untuk mempermudah
pemrograman level tinggi dengan menyediakan instruksi “level tinggi” seperti
pemanggilan procedure, proses pengulangan dan mode-mode pengalamatan kompleks
sehingga struktur data dan akses array dapat dikombinasikan dengan sebuah
instruksi. Karakteristik CISC yg “sarat informasi” ini memberikan keuntungan di
mana ukuran program-program yang dihasilkan akan menjadi relatif lebih kecil,
dan penggunaan memory akan semakin berkurang. Karena CISC inilah biaya
pembuatan komputer pada saat itu (tahun 1960) menjadi jauh lebih hemat.
Memang setelah itu banyak desain yang
memberikan hasil yang lebih baik dengan biaya yang lebih rendah, dan juga
mengakibatkan pemrograman level tinggi menjadi lebih sederhana, tetapi pada
kenyataannya tidaklah selalu demikian. Contohnya, arsitektur kompleks yang
didesain dengan kurang baik (yang menggunakan kode-kode mikro untuk mengakses
fungsi-fungsi hardware), akan berada pada situasi di mana akan lebih mudah
untuk meningkatkan performansi dengan tidak menggunakan instruksi yang kompleks
(seperti instruksi pemanggilan procedure), tetapi dengan menggunakan urutan
instruksi yang sederhana.
Istilah RISC dan CISC saat ini kurang
dikenal, setelah melihat perkembangan lebih lanjut dari desain dan implementasi
baik CISC dan CISC. Implementasi CISC paralel untuk pertama kalinya, seperti
486 dari Intel, AMD, Cyrix, dan IBM telah mendukung setiap instruksi yang
digunakan oleh prosesor-prosesor sebelumnya, meskipun efisiensi tertingginya
hanya saat digunakan pada subset x86 yang sederhana (mirip dengan set instruksi
RISC, tetapi tanpa batasan penyimpanan/pengambilan data dari RISC).
Prosesor-prosesor modern x86 juga telah menyandikan dan membagi lebih banyak
lagi instruksi-instruksi kompleks menjadi beberapa “operasi-mikro” internal
yang lebih kecil sehingga dapat instruksi-instruksi tersebut dapat dilakukan
secara paralel, sehingga mencapai performansi tinggi pada subset instruksi yang
lebih besar.
1.
Karakteristik CISC
§
Sarat informasi memberikan keuntungan di
mana ukuran program-program yang dihasilkan akan menjadi relatif lebih kecil,
dan penggunaan memory akan semakin berkurang. Karena CISC inilah biaya
pembuatan komputer pada saat itu (tahun 1960) menjadi jauh lebih hemat
§
Dimaksudkan untuk meminimumkan jumlah
perintah yang diperlukan untuk mengerjakan pekerjaan yang diberikan. (Jumlah
perintah sedikit tetapi rumit) Konsep CISC menjadikan mesin mudah untuk
diprogram dalam bahasa rakitan
1.
4. Arsitektur
Harvard
Arsitektur Havard menggunakan memori
terpisah untuk program dan data dengan alamat dan bus data yang berdiri
sendiri. Karena dua perbedaan aliran data dan alamat, maka tidak
diperlukan multiplexing alamat dan bus data. Arsitektur ini tidak hanya
didukung dengan bus paralel untuk alamat dan data, tetapi juga
menyediakanorganisasiinternal yang berbeda sedemikian rupa instruksi
dapat diambil dan dikodekan ketika dan data, tetapi juga menyediakan organisasi
internal yang berbeda sedemikian rupa instruksi dapaLebih lanjut lagi,
bus data bisa saja memiliki ukuran yang berbeda dari bus alamat. Hal ini
memungkinkan pengoptimalan bus data dan bus alamat dalam pengeksekusian
instruksi yang cepat.t diambil dan dikodekan ketika berbagai data sedang
diambil dan dioperasikan. Sebagai contoh, mikrokontroler Intel keluarga MCS-51
menggunakan arsitektur Havard karena ada perbedaan kapasitas memori untuk
program dan data, dan bus terpisah (internal) untuk alamat dan data.
Begitu juga dengan keluarga PIC dari Microchip yang menggunakan
arsitektur Havard.
1.
5. Arsitektur
Blue Gene
Blue Gene adalah sebuah arsitektur
komputer yang dirancang untuk menciptakan beberapa superkomputer generasi
berikut, yang dirancang untuk mencapai kecepatan operasi petaflop (1 peta = 10
pangkat 15), dan pada 2005 telah mencapai kecepatan lebih dari 100 teraflop (1
tera = 10 pangkat 12). Blue Gene merupakan proyek antara Departemen Energi
Amerika Serikat (yang membiayai projek ini), industri (terutama IBM), dan
kalangan akademi. Ada lima projek Blue Gene dalam pengembangan saat ini, di
antaranya adalah Blue Gene/L, Blue Gene/C, dan Blue Gene/P.
Komputer pertama dalam seri Blue Gene.
Blue Gene/L dikembangkan melalui sebuah “partnership” dengan Lawrence Livermore
National Laboratory menghabiskan biaya AS$100 juta dan direncanakan dapat
mencapai kecepatan ratusan TFLOPS, dengan kecepatan puncak teoritis 360 TFLOPS.
Ini hampir sepuluh kali lebih cepat dari Earth Simulator, superkomputer
tercepat di dunia sebelum Blue Gene. Pada Juni 2004, dua prototipe Blue Gene/L
masuk dalam peringkat 500 besar superkomputer berada dalam posisi ke-4 dan
ke-8.
Pada 29 September 2004 IBM mengumumkan
bahwa sebuah prototipe Blue Gene/L di IBM Rochester (Minnesota) telah menyusul
Earth Simulator NEC sebagai komputer tercepat di dunia, dengan kecepatan 36,01
TFLOPS, mengalahkan Earth Simulator yang memiliki kecepatan 35,86 TFLOPS. Mesin
ini kemudian mencapai kecepatan 70,72.
Pada 24 Maret 2005, Departemen Energi AS
mengumumkan bahwa Blue Gene/L memecahkan rekor komputer tercepat mencapai 135,5
TFLOPS. Hal ini dimungkinkan karena menambah jumlah rak menjadi 32 dengan
setiap rak berisi 1.024 node komputasi. Ini masih merupakan setengah dari
konfigurasi final yang direncanakan mencapai 65.536 node.
Pada 27 Oktober, 2005, Lawrence
Livermore National Laboratory dan IBM mengumumkan bahwa Blue Gene/L sekali lagi
telah menciptakan rekor dengan mengalahkan rekornya sendiri setelah mencapai
kecepatan 280.6 TFLOPS.
C. MODEL-MODEL
KOMPUTASI ARSITEKTUR KOMPUTER
1. SISD
Yang merupakan singkatan dari Single
Instruction, Single Data adalah satu-satunya yang menggunakan arsitektur Von
Neumann. Ini dikarenakan pada model ini hanya digunakan 1 processor saja. Oleh
karena itu model ini bisa dikatakan sebagai model untuk komputasi tunggal.
Sedangkan ketiga model lainnya merupakan komputasi paralel yang menggunakan
beberapa processor. Beberapa contoh komputer yang menggunakan model SISD adalah
UNIVAC1, IBM 360, CDC 7600, Cray 1 dan PDP 1.
1.
2. SIMD
Yang merupakan singkatan dari Single Instruction,
Multiple Data. SIMD menggunakan banyak processor dengan instruksi yang sama,
namun setiap processor mengolah data yang berbeda. Sebagai contoh kita ingin
mencari angka 27 pada deretan angka yang terdiri dari 100 angka, dan kita
menggunakan 5 processor. Pada setiap processor kita menggunakan algoritma atau
perintah yang sama, namun data yang diproses berbeda. Misalnya processor 1
mengolah data dari deretan / urutan pertama hingga urutan ke 20, processor 2
mengolah data dari urutan 21 sampai urutan 40, begitu pun untuk
processor-processor yang lain. Beberapa contoh komputer yang menggunakan model
SIMD adalah ILLIAC IV, MasPar, Cray X-MP, Cray Y-MP, Thingking Machine CM-2 dan
Cell Processor (GPU
1.
3. MISD
Yang merupakan singkatan dari Multiple
Instruction, Single Data. MISD menggunakan banyak processor dengan setiap
processor menggunakan instruksi yang berbeda namun mengolah data yang sama. Hal
ini merupakan kebalikan dari model SIMD. Untuk contoh, kita bisa menggunakan
kasus yang sama pada contoh model SIMD namun cara penyelesaian yang berbeda.
Pada MISD jika pada komputer pertama, kedua, ketiga, keempat dan kelima
sama-sama mengolah data dari urutan 1-100, namun algoritma yang digunakan untuk
teknik pencariannya berbeda di setiap processor. Sampai saat ini belum ada
komputer yang menggunakan model MISD.
1.
4. MIMD
Yang merupakan singkatan dari Multiple
Instruction, Multiple Data. MIMD menggunakan banyak processor dengan setiap
processor memiliki instruksi yang berbeda dan mengolah data yang berbeda. Namun
banyak komputer yang menggunakan model MIMD juga memasukkan komponen untuk
model SIMD. Beberapa komputer yang menggunakan model MIMD adalah IBM POWER5,
HP/Compaq AlphaServer, Intel IA32, AMD Opteron, Cray XT3 dan IBM BG/L.
Singkatnya untuk
perbedaan antara komputasi tunggal dengan komputasi paralel, bisa digambarkan
pada gambar di bawah ini:
Gambar 1 :
Penyelesaian Sebuah Masalah pada Komputasi Tunggal
Gambar 2: Penyelesaian
Sebuah Masalah pada Komputasi Paralel
Dari perbedaan kedua
gambar di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa kinerja komputasi paralel lebih
efektif dan dapat menghemat waktu untuk pemrosesan data yang banyak daripada
komputasi tunggal.
Dari
penjelasan-penjelasan di atas, kita bisa mendapatkan jawaban mengapa dan kapan
kita perlu menggunakan komputasi paralel. Jawabannya adalah karena komputasi
paralel jauh lebih menghemat waktu dan sangat efektif ketika kita harus
mengolah data dalam jumlah yang besar. Namun keefektifan akan hilang ketika
kita hanya mengolah data dalam jumlah yang kecil, karena data dengan jumlah
kecil atau sedikit lebih efektif jika kita menggunakan komputasi tunggal
3.KUALITAS
ARSITEKTUR KOMPUTER
1.Generalitas,
Generalitas adalah ukuran besarnya jangkauan aplikasi yang bisa cocok dengan
arsitektur. dan computer yang terutama digunakan untuk aplikasi bisnis
menggunakan aritmetik decimal. Sistem umum memberikan dua jenisaritmetik.Salah satu
pembahasan utama oleh kalangan peneliti komputer selama tabun 1980-an adalah
persoalan bagusnya generalitas.
2.DayaTerap(Applicability),
Daya terap (applicability) adalah pemanfaatan arsitektur untuk penggunaan yang
telah direncanakannya. Buku ini membahas komputer yang terutama dirancang untuk
satu dari dua area aplikasi utama : (1) aplikaSi ihniah dan teknis dan (2)
aplikasi komersil biasa. Aplikasi ilmiah dan teknis adalah aplikasi yang
biasanya untuk memecahkan persamaan kompleks dan untuk penggunaan aritmetik
floating point ekstensif.
3.Efesiensi,
Efisiensi adalah ukuran rata-ratajumlah hardware dalam komputer yang selalu
sibuk selama penggunaannya biasa. Arsitektur yang efisien memungkinkan (namun
tidak memastikan) terjadinya implementasi yang efisien. Salah satu sifat
arsitektur yang efisien adalah bahwa ia secara relative cenderung sederhana.
Karena untuk merancang sistem yang kompleks secara benar begitu sulit, maka
kebanyakan komputer mempunyai sebuah komputer inti (core computer) efisien yang
sederhana,yaitu CU.
4.KemudahanPenggunaan,
Kemudahan penggunaan arsitektur adalah ukuran kesederhanan bagi programmer
sistem untuk mengembangkan atau membuat software untuk arsitektur tersebut,
misalnya sistem pengoperasiannya atau compilemya. Oleh karena itu, kemudahan
penggunaan ini merupakan fungsi ISA dan berkaitan erat dengan generalitas.
5.DayaTempa(Maleability),
Dua ukuran yang terakhir daya tempa dan daya kembang umumnya berlaku untuk
implementasi computer dalam satu rumpun. Daya terap arsitektur adalah ukuran
kemudahan bagi perancang untuk mengimplementasikan komputer (yang mempunyai
arsitektur itu) dalam jangkauan yang luas. Pada Apple Macintosh atau IBM PC AT,
spesifIkasi arsitektumya jauh lebih lengkap, sehingga semua implementasi hampir
sama.
6.DayaKembang(Expandibility),
Daya kembang (expandability) adalah ukuran kemudahan bagi perancang untuk
meningkatkan kemampuan arsitektur,misalnya kemampuan ukuran memori maksimumnya
atau kemampuan aritmetiknya. Dalam hal ini, daya kembang juga berkaitan dengan
jumlah CPU yang dapat digunakan oleh system secara efektif.
D. FAKTOR
KEBERHASILAN
Adabeberpa
faktor yang mempengaruhi keberhasilan arsitekturkomputer, tiga diantaranya
adalah :
1. Manfaat
Arsitektural
2. Kinerja
Sistem
3. Biaya
Sistem
Tidak ada komentar:
Posting Komentar