ARSITEKTUR CPU

CPU terdiri dari beberapa bagian yang berbeda yang saling berintegrasi dalam membentuk fungsinya secara bersamaan. Pada bagian ini akan dibahas perkembangan arsitektur CPU dari tiga generasi yaitu generasi pra-komputer yang akan diwakili oleh arsitektur mesin Analitis Babagge, generasi komputer pertama yang stored program yang diwakili oleh mesin Von Noumann dan generasi komputer modern.

Arsitektur Mesin Analitis Babbage (1843)

Pada tahun 1843, seorang professor matematika dari Universitas Cambridge Inggris yang bernama Charles Babbage  menemukan suatu konsep pemrosesan data yang menjadi dasar kerja dan prototype dari komputer-komputer jaman sekarang. Mesin tersebut dikenal dengan nama Babbage’s Analytical Engine.

Mesin Analitis Babbage merupakan alat mekanis pertama yang mampu dipergunakan untuk menjalankan beberapa algoritma. Artinya mesin tersebut sudah dapat dipergunakan untuk berbagai keperluan. Programming mesin tersebut dilakukan langsung oleh seorang programmer yang pada waktu itu dilakukan oleh Ada Augusta Lovelace (penemu bahasa ADA sebagai bahasa pemrograman pertama di dunia).

Mesin Babbage memiliki empat blok utama dalam menjalankan fungsinya, yaitu :

-     Bagian input, digunakan untuk membaca instruksi-instruksi dan data dari kartu berlubang.

-     Bagian penyimpanan, memuat 1000 Word yang masing-masing terdiri dari 50 digit desimal. Bagian tersebut digunakan untuk menyimpan operand-operand matematika dari suatu perhitungan.

-   Bagian pengolah, digunakan untuk melakukan pemrosesan data berdasarkan instruksi yang diberikan oleh kartu-kartu plong.

-    Bagian output, terdiri dari output tercatat dan output tercetak yang digunakan untuk menyimpan serta menampilkan hasil pengolahan.

Salah satu kelemahan mesin ini yang bukan merupakan konsep komputer modern adalah bahwa mesin ini belum stored program atau tidak mampu menyimpan program secara tetap. 

Arsitektur Mesin Von Neumann (1952)

Mesin Von Neumann dalam hal ini mewakili mesin komputer generasi pertama yang bersifat stored program. John Von Neumann adalah seorang ahli matematika dan anggota Institute of Advance Study di Princention New Jersey yang bekerja sama dengan H.H. Goldstine dan A.W. Binks mengajukan suatu makalah yang menyarankan bahwa dalam pembuatan komputer sebaiknya menggunakan angka binary. Konsep tersebut pada akhirnya menjadi tonggak sejarah dalam terciptanya komputer digital yang akhirnya membawa Neumann pada julukan “promoter of the stored program (software) concept”.

Rancangan dasar mesin yang diberi nama IAS ini adalah konsep Neumann yang menyatakan bahwa pemrograman komputer secara langsung dengan menggunakan banyak tombol dan kabel adalah sesuatu yang melelahkan, lambat dan tidak fleksibel.  Untuk itu dia berpikiran bahwa sebuah program dapat diwakili dalam bentuk digital dan tersimpan secara tetap dalam memori komputer secara bersama-sama. Sketsa arsitektur dari rancangan tersebut adalah seperti pada  gambar di bawah ini.

Dari gambar di atas, dapat diketahui bahwa mesin Neumann memiliki lima bagian utama, yaitu :

-       Unit Input untuk membaca data dan instruksi yang diberikan.

-       Main Memory  terdiri dari 4096 Word satu word memuat 40 bit biner.

-       Arithmetic Logic sebagai bagian yang berfungsi sebagai unit pemrosesan.

-       Control Unit sebagai pengendali kerja antar komponen arsitektur.

-       Unit Output untuk menampilkan hasil pengolahan data yang dilakukan ALU dan CU.

Dari arsitektur mesin tersebut terlihat bahwa mesin ini sudah memiliki bagian-bagian yang menjadi prototipe komputer modern yaitu Arithmetic Logic dan Control Unit yang merupakan bagian dari Central Processing Unit. 

Arsitektur Mesin  Komputer  Modern (1980 …)

Arsitektur CPU komputer modern, secara umum dapat dilihat seperti pada gambar di bawah ini : 

Pada gambar di atas, dapat dilihat bagian-bagian CPU yang lebih lengkap seperti Register, Control Unit, Kendali I/O (Interconection) dan Arithmetic Logic Unit. 

Bagian-bagian pada CPU

-     Arithmetic and Logic Unit (ALU), bertugas membentuk fungsi - fungsi pengolahan data komputer.

-    Control Unit, bertugas mengontrol operasi CPU dan secara keseluruhan mengontrol komputer sehingga terjadi sinkronisasi kerja antar komponen dalam menjalankan fungsi-fungsi operasinya.

-    Registers, adalah media penyimpan internal CPU yang digunakan saat proses pengolahan data.

-   CPU Interconnections, adalah sistem koneksi dan bus yang menghubungkan komponen internal CPU, yaitu ALU, unit kontrol dan register-register dan juga dengan bus-bus eksternal CPU yang menghubungkan dengan sistem lainnya.

Fungsi CPU

-  Fungsi CPU adalah menjalankan program-program yang disimpan dalam memori utama dengan cara mengambil instruksi-instruksi, menguji instruksi tersebut dan mengeksekusinya satu persatu sesuai alur perintah.

-    Proses Eksekusi Program adalah dengan mengambil pengolahan instruksi yang terdiri dari dua langkah, yaitu operasi pembacaan instruksi (fetch) dan operasi pelaksanaan instruksi (execute).

-       Siklus Fetch Eksekusi Program :

1.         CPU awalnya akan membaca instruksi dari memori.

2.    Terdapat register dalam CPU yang berfungsi mengawasi dan menghitung instruksi selanjutnya, yang disebut Program Counter (PC).

3.       PC akan menambah satu hitungannya setiap kali CPU membaca instruksi.

4.       Instruksi-instruksi yang dibaca akan dibuat dalam register instruksi (IR).  

Aksi-aksi di dalam CPU

-       CPU – Memori : perpindahan data dari CPU ke memori dan sebaliknya.

-       CPU - I/0 : perpindahan data dari CPU ke modul I/0 dan sebaliknya.

-     Pengolahan Data : CPU membentuk sejumlah operasi aritmatika dan logika terhadap data.

-   Kontrol : merupakan instruksi untuk pengontrolan fungsi atau kerja. Misalnya instruksi pengubahan urutan eksekusi.

Siklus Instruksi dalam CPU

-       Instruction Addess Calculation (IAC), yaitu mengkalkulasi atau menentukan alamat instruksi berikutnya yang akan dieksekusi. Biasanya melibatkan penambahan bilangan tetap ke alamat instruksi sebelumnya.

-   Instruction Fetch (IF), yaitu membaca atau pengambil instruksi dari lokasi memorinya ke CPU.

-    Instruction Operation Decoding (IOD), yaitu menganalisa instruksi untuk menentukan jenis operasi yang akan dibentuk dan operand yang akan digunakan.

-   Operand Address Calculation (OAC), yaitu menentukan alamat operand, hal ini dilakukan apabila melibatkan referensi operand pada memori.

-     Operand Fetch (OF), adalah mengambil operand dari memori atau dari modul I/O.

-     Data Operation (DO), yaitu membentuk operasi yang diperintahkan dalam instruksi.

-     Operand store (OS), yaitu menyimpan hasil eksekusi ke dalam memori   

Tentang Interrupt

Fungsi interupsi adalah mekanisme penghentian atau pengalihan pengolahan instruksi dalam CPU kepada routine interupsi. Hampir semua modul (memori dan I/0) memiliki mekanisme yang dapat menginterupsi kerja CPU.

Tujuan interupsi secara umum adalah untuk memanajemen pengeksekusian routine instruksi agar efektif dan efisien antar CPU dan modul - modul I/0 maupun memori. Setiap komponen komputer dapat menjalankan tugasnya secara bersamaan, tetapi kendali terletak pada CPU. Disamping itu, kecepatan eksekusi masing-masing modul berbeda sehingga dengan adanya fungsi interupsi ini dapat sebagai sinkronisasi kerja antar modul.

 

Sinyal Interupsi pada CPU

-   Program, yaitu interupsi yang dibangkitkan dengan beberapa kondisi yang terjadi pada hasil eksekusi program. Contohnya: arimatika overflow, pembagian nol, oparasi ilegal.

-    Timer, adalah interupsi yang dibangkitkan pewaktuan dalam prosesor. Sinyal ini memungkinkan sistem operasi menjalankan fungsi tertentu secara reguler.

-    I/0, sinyal interupsi yang dibangkitkan oleh modul I/0 sehubungan pemberitahuan kondisi error dan penyelesaian suatu operasi.

-     Hardware failure, adalah interupsi yang dibangkitkan oleh kegagalan daya atau kesalahan paritas memori.

  

Interupsi Ganda

-   Menolak atau tidak mengizinkan interupsi lain saat suatu interupsi ditangani prosesor. Kemudian setelah prosesor selesai menangani suatu interupsi maka interupsi lain baru di tangani. Pendekatan ini disebut pengolahan interupsi berurutan/sekuensial

-   Prioritas bagi interupsi dan interrupt handler mengizinkan interupsi berprioritas lebih tinggi ditangani terlebih dahulu. Pedekatan ini disebut pengolahan interupsi bersarang.

Interupsi Bersarang

-       Sistem memiliki tiga perangkat I/0: printer, disk, dan saluran komunikasi.

-   Pada awal sistem melakukan pencetakan dengan printer, saat itu terdapat pengiriman data pada saluran komunikasi sehingga modul komunikasi meminta interupsi.

-  Proses selanjutnya adalah pengalihan eksekusi interupsi modul komunikasi, sedangkan interupsi printer ditangguhkan.

-     Saat pengeksekusian modul komunikasi terjadi interupsi disk, namun karena prioritasnya lebih rendah maka interupsi disk ditangguhkan.

-     Setelah interupsi modul komunikasi selesai akan dilanjutkan interupsi yang memiliki prioritas lebih tinggi, yaitu disk.

-       Bila interupsi disk selesai dilanjutkan eksekusi interupsi printer.

-       Selanjutnya dilanjutkan eksekusi program utama   

Perkembangan Desain Prosessor

Tanembaun (2001) mengemukakan adanya prinsip-prinsip penting dalam melakukan desain prosessor komputer modern. Dikenal dengan prinsip RISC (Reduced Instruction Set Computer), yang antara lain sebagai berikut :

Prinsip 1 : Memaksimalkan kecepatan di mana instruksi-instruksi dikeluarkan

Prinsip ini menekankan pengembangan jumlah instruksi yang dapat diproses per detik pada sebuah prosesor. Dari konsep ini akhirnya lahir istilah MIPS (Milion of Instruction Per Second) yang nantinya akan menunjukan bahwa paralelisme prosesor akan dapat meningkatkan kinerja sebuah komputer.

Prinsip 2 : Memperbanyak instruksi yang secara langsung dapat dijalankan hardware untuk mempercepat kinerja

Untuk meningkatkan kecepatan proses eksekusi sebuah perintah, maka salah satu cara yang dapat ditempuh adalah dengan memperbanyak jumlah instruksi yang dapat secara langsung dijalankan oleh hardware komputer.

Prinsip 3 : Instruksi-instruksi harus mudah untuk di kodekan

Batas kritis pada tingkat kecepatan adalah dekode dari setiap instruksi. Semakin sedikit format instruksi maka akan semakin baik kinerja dan kecepatan sebuah eksekusi instruksi.

Prinsip 4 : Hanya instruksi LOAD dan STORE yang diakses ke memory

Prinsip ini memberikan pandangan kepada para peneliti dan pengembang komputer untuk berusaha memperkecil instruksi yang langsung diakses dari memory utama.

Prinsip 5 : Menyiapkan banyak register

Rata-rata sekarang memiliki 32 register dalam sebuah CPU.