A.
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 :
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 2. Arsitektur RISC
- 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.
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.
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.
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 karenaharus didukung optimal.
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.
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).
3.
Arsitektur CISC
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.
- 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
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.
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.
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
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.
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.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar