ARSITEKTUR KOMPUTER

PENDAHULUAN

Apa tujuan belajar arsitektur komputer?

1. Mengetahui tentang matakuliah CPU arsitektur 2. Mengetahui hubungan antara CPU Arsitektur

dengan matakuliah lain.

3. Dapat mengikuti dan memahami perkembangan

3. Dapat mengikuti dan memahami perkembangan

CPU

4. Mengetahui materi yang akan dipelajari pada

Apa yang dimaksud dengan CPU Arsitektur?

 Ilmu yang mempelajari tentang struktur dan f ungsi dari

CPU

• Mempelajari tentang bagaimana CPU melakukan

pekerjaannya.

• Mempelajari tentang bagaimana CPU berhubungan dengan

peralatan yang lain dalam menjalankan tugasnya.

• Mempelajari tentang komponen-komponen apa saja yang

ada didalam CPU

• Mempelajari bagaimana cara mengatur kerja

Arsitektur vs O rganisasi

 Matakuliah Arsitektur Komputer merup akan

kelanjutan dari O rganisasi Komputer yang telah dipelajari sebelumnya.

 Matakuliah O rganisasi Komputer yang dipelajari  Matakuliah O rganisasi Komputer yang dipelajari

adalah komputer secara keseluruhan.

 Matakuliah Arsitektur Komputer yang dipelajari

Bagian dari CPU itu sendiri apa?

I/ O Komputer Register Internal Unit aritmatika dan logika (ALU) CPU I/ O Memory System Bus CPU Internal CPU interconnection (ALU) Unit Kontrol

4 komponen struktur utama internal komputer

 Central Processing Unit (CPU): Mengontrol operasi

komputer dan membentuk f ungsi-f ungsi pengolahan datanya. Sering kali CPU secara sederhana disebut sebagai processor saja.

 Memori Utama: Menyimpan data

 I/ O : Memindahkan data antara komputer dengan

lingkungan luarnya.

 Sistem Interkoneksi: beberapa mekanisme

4 Komponen utama CPU

 Unit Kontrol (Control Unit): Mengontrol operasi CPU

dan pada gilirannya juga mengontrol komputer.

 Unit aritmatik dan logika ( Arithmetic and logic unit

–ALU): Membentuk f ungsi-f ungsi pengolahan data –ALU): Membentuk f ungsi-f ungsi pengolahan data komputer.

 Register: Sebagai penyimpanan internal bagi CPU.  CPU interkoneksi: Sejumlah mekanisme komunikasi

Perlu diketahui..

 Evolusi komputer telah ditandai dengan

peningkatan kecepatan processor, pengurangan ukuran komponen, peningkatan kapasitas memori, dan kecepatan I/ O.

 Satu f aktor yang berpengaruh besar dalam

peningkatan kecepatan prosesor adalah dengan penyusutan ukuran komponen prosesor mikro; hal ini mengurangi

Komputer Generasi Pertama 1940 -1959

ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator)

Komputer ENIAC ini diciptakan oleh Dr John Mauchly dan J. Presper Eckert pada tahun 1946 (one year af ter the war was over)

EDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer)

Penggunaan tiub tiub vakum juga telah dikurangi di dalam EDVAC, di mana proses perhitungan telah menjadi lebih cepat dibandingkan ENIAC

EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator)  the world’s f irst stored-program computer. Diciptakan oleh Maurice W ilkes

EDSAC telah memperkenalkan penggunaan raksa (merkuri) dalam tube untuk menyimpan memori.  was based on the discovery of the matematician John von Neumann.

UNIVAC I (Universal Automatic Calculator)

Pada tahun 1951 Dr Mauchly dan Eckert menciptakan UNIVAC I , komputer pertama yang digunakan untuk memproses data perniagaan.

Komputer Generasi Ke Dua ( 1959-1964 )

 Komputer-komputer generasi kedua telah menggunakan transistor dan diode

untuk menggantikan saluran-saluran vakum dan menjadikan ukuran komputer lebih kecil dan murah.

 Cara baru menyimpan memori juga diperkenalkan melalui teknologi magnetik.

Keupayaan pemprosesan dan ukuran memori utama komputer juga bertambah dan manjadikan ia lebih ef isien.

 Kemunculan FO RTRAN dan CO BO L menandakan permulaan bahasa tingkat

tinggi untuk menggantikan bahasa pengantar dalam mesin yang lebih sukar.

 Minikomputer juga telah diperkenalkan yaitu yang kedua terbesar di

dalam generasi komputer. Versinya yang pertama ialah DEC PDP 8 yang diciptakan pada tahun 1964 yang berguna untuk memproses data-data.

Komputer Generasi Ke Tiga (1964-aw al 80-an)

 Chip mulai menggantikan transistor sebagai bahan logis komputer

dengan terhasilnya Integrated Circuit atau lebih dikenal dengan sebutan chip.

 Jenis komputer terkecil mikrokomputer telah muncul dan paling

cepat menjadi popular seperti Apple II, IBM PC dan Sinclair. cepat menjadi popular seperti Apple II, IBM PC dan Sinclair.

Banyak bahasa pemrograman telah muncul seperti BASIC, Pascal dan PL/ 1.

 Kebanyakan mikrokomputer didasari dengan taf siran bahasa

Komputer Generasi Ke Empat (aw al 80-an-??)

 Chip masih digunakan untuk memproses dan menyimpan memori.

Ia lebih canggih, dilengkapi hingga ratusan ribu komponen

transistor yang disebut pengamiran skala amat besar (very large scale intergartion, VLSI). Pemprosesan dapat dilakukan dengan lebih tepat,sampai jutaan bit per detik.

lebih tepat,sampai jutaan bit per detik.

 Memori utama komputer menjadi lebih besar sehingga

menyebabkan memori sekunder kurang penting. Teknologi chip yang maju ini telah mewujudkan satu lagi kelas komputer yang disebut Supercomputer.

Komputer Generasi Ke Lima (masa depan)

 G enerasi kelima dalam sejarah evolusi komputer merupakan

komputer impian masa depan. Ia diperkirakan mempunyai lebih banyak unit pemprosesan yang berf ungsi bersamaan untuk menyelesaikan lebih daripada satu tugas dalam satu masa.

 Komputer ini juga mempunyai ingatan yang amat besar

sehingga memungkinkan penyelesaian lebih dari satu tugas dalam waktu bersamaan.

 Unit pemprosesan pusat juga dapat berf ungsi sebagai otak

manusia. Komputer ini juga mempunyai kepandaian tersendiri, merespon keadaan sekeliling melalui penglihatan yang bijak dalam mengambil sesuatu keputusan bebas dari pemikiran manusia yang disebut sebagai artif icial intelligence (AI).

Evolusi dan Kinerja Komputer

Sejarah singkat komputer

G enerasi Perta ma: Tabung Hampa Udara G enerasi Kedua: Transistor

G enerasi Kedua: Transistor

G enerasi Ketiga: Rangkaian Terpadu G enerasi-generasi selanjutnya

Sejarah Microprosesor

 Setiap komputer didalamnya pasti terdapat

mikroprosesor

 Mikroprosesor , dikenal juga dengan sebutan Central

Processing Unit (CPU) artinya Unit Pengolahan Pusat

 CPU adalah pusat dari proses perhitungan dan

pengolahan data yang terbuat dari sebuah lempengan yang disebut “ Chip”

 Chip sering disebut juga dengan “ Integrated Circuit (IC)” ,

bentuknya kecil , terbuat dari lempengan silikon dan bisa terdiri dari 10 juta transistor

Sejarah Microprosesor

 1971 = intel 4004

hanya dapat melakukan operasi penambahan dan pengurangan.

 1974 = komputer dirumah adalah intel 8080  1974 = komputer dirumah adalah intel 8080

o komputer 8 bit dalam 1 chip yang diperkenalkan pada

tahun 1974

Sejarah Microprosesor

 Microprosesor pertama adalah intel 4004 yang

diperkenalkan pada tahun 1971

 Kegunaan mikroprosesor ini masih sangat terbatas (operasi penambahan dan pengurangan)

 Perta ma yang digunakan untuk komputer dirumah adalah intel 8080

 Komputer 8 bit dalam satu chip yang diperkenalkan pada tahun 1974

Sejarah Microprosesor

8088

80286

80486

Pentium

Pentium I, II, III

Pentium IV

Perbandingan Besar Processor

Nama Processor Tahun Keluar Jumlah Transistor Micron Clock Speed

Data Width MIPS

8080 1974 600 6 2 MHz 8 0,64

8088 1979 29.000 3 5 MHz 16 bits, 8 bit

bus

0,33 bus

80286 1982 134.000 1,5 6 MHz 16 bits 1

80386 1985 275.000 1,5 16 MHz 32 bits 5

80486 1989 1.200.000 1 25 MHz 32 bits 20

Pentium 1993 3.100.000 0,8 60 MHz 32 bit, 64 bit 100 Pentium II 1997 7.500.000 0,35 233 MHz 32 bit, 64 bit

bus

400

Pentium III 1999 9.500.000 0,25 450 MHz 32 bit, 64 bit bus

Keterangan Tabel

 Transistor berbentuk seperti tabung yang sangat kecil,

terdapat pada Chip

 Micron adalah ukuran dalam Mikron (10 pangkat -6),

merupakan kabel terkecil dalam Chip

 Clock Speed= Kecepatan maksimal sebuah processor  Data W idth = lebar dari Aritmathic Logic Unit (ALU) /

Unit Pengelola Aritmatika, Perkalian dan sebagainya.

 MIPS= Millions of Instruction per Second/ Jutaan

Perbandingan Besar Processor secara f isik

Ref erensi Buku

 Computer O rganization and Architecture, W illiam

Stalling, Fif th Edition, Prentice Hall, 2000

 Computer O rganization Architecture, Andrew S. ,

Tanenbaum Prentice Hall, 1999 Tanenbaum Prentice Hall, 1999

 Computer Architecture, Single and Parallel Systems,

STRUKTUR CPU

Tujuan

 Mengerti struktur dan f ungsi CPU yaitu dapat

melakukan Fetch instruksi, interpreter instruksi , Fetch data, eksekusi, dan menyimpan kembali.

serta struktur dari register, macam-macam register dan serta struktur dari register, macam-macam register dan f ungsinya.

 Mengerti aliran data pada siklus pengambilan, siklus tak langsung, siklus interupt.

 Mengerti pipelining, dan mengerti teknik-teknik menangani percabangan pada pipelining.

Materi

 Bagian ini membahas aspek-aspek struktur dan f ungsi CPU untuk dasar pembahasan berikutnya, yaitu RISC.  Fokus bab struktur dan f ungsi CPU adalah organisasi

prosesor dan register, siklus instruksi dan strategi dalam prosesor dan register, siklus instruksi dan strategi dalam metode pipelining.

CPU

 Central Processing Unit

 Merupakan komponen terpenting dari sistem komputer  komponen pengolah data berdasarkan instruksi yang

diberikan kepadanya diberikan kepadanya

 Dalam mewujudkan f ungsi dan tugasnya, CPU tersusun atas beberapa komponen

Komponen Utama CPU

 Arithmetic and Logic Unit (ALU)

 Control Unit

 Registers

Processor Processor Control Control Unit Unit Arithmetic Arithmetic Logic Unit (ALU) Logic Unit (ALU)

Arithmetic Arithmetic Logic Unit (ALU) Logic Unit (ALU)

Prosesor

 Central Processing Unit (CPU)

 Menginterpretasikan dan mengerjakan instruksi-instruksi dasar operasi

Instructions Instructions Data Data Control Control Unit Unit Input Input Devices Devices Storage Storage Devices Devices Output Output Devices Devices

instruksi dasar operasi komputer

Memory Memory

Data

Data InformationInformation

Instructions Instructions Data Data Information Information Information Information

Arithmetic and Logic Unit (ALU)

 Bertugas membentuk f ungsi – f ungsi pengolahan data

komputer.

 ALU sering disebut bahasa mesin ( machine language)

karena bagian ini mengerjakan instruksi – instruksi bahasa mesin yang diberikan padanya.

 ALU terdiri dari dua bagian, yaitu unit arithmetika dan

unit logika boolean, yang masing – masing memiliki spesif ikasi tugas tersendiri.

Control Unit

 Bertugas mengontrol operasi CPU dan secara

keseluruhan mengontrol komputer sehingga terjadi

sinkronisasi kerja antar komponen dalam menjalankan f ungsi – f ungsi operasinya.

Termasuk dalam tanggung jawab unit kontrol adalah  Termasuk dalam tanggung jawab unit kontrol adalah

mengambil instruksi – instruksi dari memori utama dan menentukan jenis instruksi tersebut.

Registers

 Media penyimpan internal CPU yang digunakan saat

proses pengolahan data.

 Memori ini bersif at sementara, biasanya digunakan untuk

menyimpan data saat diolah ataupun data untuk pengolahan selanjutnya.

O rganisasi Register

 Sistem komputer menggunakan hirarki memori

 Pada tingkatan yang lebih atas, memori yang lebih cepat, lebih kecil dan lebih mahal.

 Didalam CPU terdapat sekumpulan register yang  Didalam CPU terdapat sekumpulan register yang

tingkatan memorinya berada diatas hirarki memori utama dan cache.

Fungsi Register CPU

 User Visible Register

 Register ini memungkinkan pemogram bahasa mesin dan bahasa assembler meminimalkan ref erensi main memory dengan cara mengoptimasi penggunaan register

 Control and Status RegisterControl and Status Register

 Register ini digunakan oleh Control Unit untuk mengontrol operasi CPU dan oleh program sistem operasi untuk mengontrol eksekusi program

 Tidak terdapat pemisahan yang jelas diantara kedua jenis register diatas

 Jumlah register sangat menentukan kinerja suatu prosesor

 Jumlah register juga berpengaruh pada rancangan set instruksi karena register yang lebih banyak akan

instruksi karena register yang lebih banyak akan

memerlukan bits operand specif ier yang lebih banyak pula

 Register yang berukuran antara 8 hingga 32 bit dapat dikatakan optimum

Register yang penting bagi eksekusi instruksi

 Program Counter (PC) atau pencacah program - berisi alamat instruksi yang akan diambil

 Instruction Register (IR)

- berisi instruksi yang terakhir diambil  Memori Address Register (MAR)

- berisi alamat sebuah lokasi didalam memori  Memori Buf f er Register (MBR)

- berisi sebuah word data yang akan dituliskan kedalam memori atau word yang terakhir dibaca

CPU Interconnections

 Sistem koneksi dan bus yang menghubungkan komponen internal dan bus – bus eksternal CPU

 Komponen internal CPU yaitu ALU, unit kontrol dan register – register.

register – register.

 Komponen eksternal CPU :sistem lainnya, seperti main memori, piranti masukan/ keluaran (I/ O)

Fungsi CPU

 Menjalankan program – program yang disimpan dalam

memori utama dengan cara mengambil instruksi – instruksi, menguji instruksi tersebut dan mengeksekusinya satu

persatu sesuai alur perintah.

 Pandangan paling sederhana proses eksekusi program

adalah dengan mengambil pengolahan instruksi yang terdiri dari dua lang kah, yaitu : operasi pembacaan instruksi ( f etch) dan operasi pelaksanaan instruksi ( execute)

Aksi CPU

 CPU – Memori, perpindahan data dari CPU ke memori dan sebaliknya.

 CPU –I/ O, perpindahan data dari CPU ke modul I/ O dan sebaliknya.

 Pengolahan Data, CPU membentuk sejumlah operasi aritmatika dan logika terhadap data.

 Kontrol, merupakan instruksi untuk pengontrolan f ungsi atau kerja. Misalnya instruksi pengubahan urusan

Prosesor

 Siklus mesin (machine cycle)

Step 1. Fetch

Mengambil data/instruksi program dari memori

 Dalam satu siklus mesin terdapat empat operasi dalam CPU

Processor Control Unit Memory ALU Step 2. Decode menerjemahkan instruksi ke dalam perintah-perintah

Step 4. Store

menuliskan hasil ke dalam memory

Step 3. Execute

Siklus Instruksi

 Ada beberapa sub-siklus  Apa saja??

Sub Siklus Instruksi

 Fetch adalah siklus pengambilan data ke memori atau register

 Execute: menginterpretasikan opcode dan melakukan operasi yang diindikasikan

operasi yang diindikasikan

 Interupt: apabila interupt diaktif kan dan interupt telah terjadi, simpan status proses saat itu dan layani interupsi

Siklus tidak langsung

 Eksekusi sebuah instruksi melibatkan sebuah operand atau lebih didalam memori , yang masing-masing

operand memerlukan akses memori

 Pengambilan alamat-alamat tak langsung dianggap  Pengambilan alamat-alamat tak langsung dianggap

Siklus Fetch - Eksekusi

 Pada setiap siklus instruksi, CPU awalnya akan membaca instruksi dari memori

 Terdapat register dalam CPU yang berf ungsi

mengawasi dan menghitung instruksi selanjutnya, yang mengawasi dan menghitung instruksi selanjutnya, yang disebut Program Counter (PC)

 PC akan menambah satu hitungannya setiap kali CPU membaca instruksi

Siklus Fetch - Eksekusi

 Instruksi – instruksi yang dibaca akan dibuat dalam

register instruksi (IR).

 Instruksi – instruksi ini dalam bentuk kode – kode biner

yang dapat diinterpretasikan oleh CPU kemudian dilakukan aksi yang diperlukan

Siklus Eksekusi

 Instruction Addess Calculation (IAC), yaitu mengkalkulasi atau menentukan

alamat instruksi berikutnya yang akan dieksekusi. Biasanya melibatkan

penambahan bilangan tetap ke alamat instruksi sebelumnya. Misalnya, bila panjang setiap instruksi 16 bit padahal memori memiliki panjang 8 bit, maka tambahkan 2 ke alamat sebelumnya.

 Instruction Fetch (IF), yaitu membaca atau pengambil instruksi dari lokasi

memorinya ke CPU. memorinya ke CPU.

 Instruction O peration Decoding (IO D), yaitu menganalisa instruksi untuk

menentukan jenis operasi yang akan dibentuk dan operand yang akan digunakan.

 O perand Address Calculation (OAC), yaitu menentukan alamat operand, hal

ini dilakukan apabila melibatkan ref erensi operand pada memori.

 O perand Fetch (O F), adalah mengambil operand dari memori atau dari

modul I/ O.

 Data O peration (DO ), yaitu membentuk operasi yang diperintahkan dalam

instruksi.

Fungsi Interupsi

 Mekanisme penghentian atau pengalihan pengolahan instruksi dalam CPU kepada routine interupsi.

 Hampir semua modul (memori dan I/ O ) memiliki mekanisme yang dapat menginterupsi kerja CPU. mekanisme yang dapat menginterupsi kerja CPU.

Tujuan Interupsi



Secara umum untuk menejemen pengeksekusian routine

instruksi agar ef ektif dan ef isien antar CPU dan modul

– modul I/ O maupun memori.



Setiap komponen komputer dapat menjalankan



Setiap komponen komputer dapat menjalankan

tugasnya secara bersamaan, tetapi kendali terletak

pada CPU disamping itu kecepatan eksekusi masing –

masing modul berbeda.

Kelas sinyal interupsi

 Program, yaitu interupsi yang dibangkitkan dengan beberapa

kondisi yang terjadi pada hasil eksekusi program. Contohnya: arimatika overf low, pembagian nol, oparasi ilegal.

 Timer, adalah interupsi yang dibangkitkan pewaktuan dalam

prosesor. Sinyal ini memungkinkan sistem operasi menjalankan f ungsi tertentu secara reguler.

tertentu secara reguler.

 I/ O, sinyal interupsi yang dibangkitkan oleh modul I/ O sehubungan

pemberitahuan kondisi error dan penyelesaian suatu operasi.

 Hardware f ailure, adalah interupsi yang dibangkitkan oleh

Proses Interupsi



Dengan adanya mekanisme interupsi, prosesor

dapat digunakan untuk mengeksekusi instruksi –

instruksi lain.

Saat suatu modul telah selesai menjalankan



Saat suatu modul telah selesai menjalankan

tugasnya dan siap menerima tugas berikutnya

maka modul ini akan mengirimkan permintaan

interupsi ke prosesor

Proses Interupsi

 Kemudian prosesor akan menghentikan eksekusi yang dijalankannya untuk menghandel routine interupsi.

 Setelah program interupsi selesai maka prosesor akan melanjutkan eksekusi programnya kembali.

 Saat sinyal interupsi diterima prosesor ada dua kemungkinan tindakan, yaitu interupsi

Interupsi Ditangguhkan

Apa yang dilakukan Prosessor ?

 Prosesor menangguhkan eksekusi program yang

dijalankan dan menyimpan konteksnya. Tindakan ini adalah menyimpan alamat instruksi berikutnya yang adalah menyimpan alamat instruksi berikutnya yang akan dieksekusi dan data lain yang relevan.

 Prosesor menyetel program counter (PC) ke alamat awal routine interrupt handler.

Siklus eksekusi oleh prosesor

Sistem operasi kompleks



Interupsi ganda ( multiple interrupt).



Misalnya suatu komputer akan menerima permintaan

interupsi saat proses pencetakan dengan printer

selesai, disamping itu dimungkinkan dari saluran

komunikasi akan mengirimkan permintaan interupsi

komunikasi akan mengirimkan permintaan interupsi

setiap kali data tiba.



Dapat diambil dua buah pendekatan untuk menangani

Pendekatan Interupsi ganda

Ada 2 Pendekatan :

 Pendekatan ini disebut pengolahan interupsi berurutan /

sekuensial

 Menolak atau tidak mengizinkan interupsi lain saat suatu interupsi

ditangani prosesor. ditangani prosesor.

 Setelah prosesor selesai menangani suatu interupsi maka interupsi

lain baru di tangani.

 Pengolahan interupsi bersarang yaitu mendef inisikan

prioritas bagi interupsi

 Interrupt handler mengizinkan interupsi berprioritas lebih tinggi

Contoh Kasus



Suatu sistem memiliki tiga

perangkat I/ O : printer, disk, dan

saluran komunikasi, masing –

saluran komunikasi, masing –

masing prioritasnya 2, 4 dan 5.

Bagaimana proses interupsinya ?

Contoh Kasus

 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  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

ARSITEKTUR VO N NEUMANN

 Pada jaman modern saat ini, hampir semua

komputer mengadopsi arsitektur yang dibuat oleh John von Neumann (1903-1957).

 Kunci utama arsitektur von Neumann adalah unit  Kunci utama arsitektur von Neumann adalah unit

pemrosesan sentral (CPU), yang memungkinka n seluruh f ungsi komputer untuk dikoordinasikan melalui satu sumber tunggal.

 Pada dasarnya komputer arsitektur Von Neumann adalah terdiri dari

elemen sebagai berikut:

 Prosesor, merupakan pusat dari kontrol dan pemrosesan instruksi pada komputer.

 Memori, digunakan untuk menyimpan inf ormasi baik program maupun data.

 Perangkat input-output, berf ungsi sebagai media yang menangkap respon dari luar serta menyajikan inf ormasi keluar sistem komputer.

Prosesor atau

Central Processing Unit (CPU)

 CPU merupakan tempat untuk melakukan pemrosesan instruksi-instruksi dan

pengendalian sistem komputer.

 Perkembangan perangkat CPU mengikuti generasi dari sistem komputer.  Pada generasi pertama CPU terbuat dari rangkaian tabung vakum sehingga

memiliki ukuran yang sangat besar.

 Pada generasi kedua telah diciptakan transistor sehinga ukuran CPU menjadi lebih

kecil dari sebelumnya. kecil dari sebelumnya.

 Pada generasi ketiga CPU telah terbuat dari rangkaian IC sehingga ukurannya

menjadi lebih kecil.

 Pada generasi keempat telah diciptakan teknologi VLSI dan ULSI sehingga

Elemen CPU

 Pada perkembangan komputer modern, setiap

prosesor terdiri atas:



Arithmetic and Logic Unit

(ALU).



Register.



Register.



Control Unit

(CU).

Arithmatic and Logic Unit

(ALU).

 Arithmatic and Logic Unit atau Unit Aritmetika dan

Logika berf ungsi untuk melakukan semua

perhitungan aritmatika (matematika) dan logika yang terja di 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 menunggu giliran untuk diproses masih disimpan yang menunggu giliran untuk diproses masih disimpan di dalam memori utama. Setiap register dapat

menyimpan satu bilangan hingga mencapai jumlah maksimum tertentu tergantung pada ukurannya.  Register-register dapat dibaca dan ditulis dengan

A + B

A

B

Register-register

ALU

A + B

ALU Input Register

ALU Input Bus

ALU Output Register

How ALU works

9

Example:

 A contains 10  B contains 2B contains 2

 ALU calculates

10+2, sends result back to register

Beberapa jenis register adalah:

 Program Counter (PC), merup akan register yang menunjuk ke instruksi berikutnya yang harus diambil dan dijalankan.

 Instruction Register (IR), merupakan register yang menyimpan instruksi yang sedang dijalankan.

 General Purpose Register, merupakan register yang memiliki kegunaaan umum yang berhubungan dengan data yang diproses.

berhubungan dengan data yang diproses.

 Memory Data Register (MDR), merup akan register yang digunakan untuk menampung data atau instruksi hasil pengiriman dari memori utama ke CPU atau menampung data yang akan direkam ke memori utama dari hasil pengolahan oleh CPU.

 Memory address register (MAR), merupakan register yang digunakan untuk

menampung alamat data atau instruksi pada memori utama yang akan diambil atau yang akan diletakkan.

 Sebagian besar komputer memiliki beberapa register lain, sebagian digunakan untuk

Control Unit

(CU)

 Control Unit atau Unit Kontrol berf ungsi 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

Bus

 Bus merupakan penghubung antara semua

komponen CPU.

 Bus berupa sekumpulan kabel-kabel paralel untuk

mentransmisikan alamat (address), data, dan sinyal-mentransmisikan alamat (address), data, dan sinyal-sinyal kontrol.

Klasifikasi Prosesor

Klasifikasi Prosesor

Berdasarkan jenis mikroprosesor:

 Tipe Intel untuk Personal Computer (PC), diproduksi

oleh Intel Corp., Advanced Micro Devices (AMD), Cyrix, DEC, dll.

 Tipe Motorola untuk komputer Macintosh, diproduksi  Tipe Motorola untuk komputer Macintosh, diproduksi

Ukuran kecepatan prosesor adalah:

 Hertz, yaitu jumlah clock atau ketukan prosesor tiap

satu detik. Untuk prosesor modern memakai satuan Megahertz atau G igahertz.

 MIPS, singkatan dari Million Instruction Per Second, yaitu jumlah instruksi dalam juta tiap satu detik.

jumlah instruksi dalam juta tiap satu detik.

 Flops, singkatan dari Floating Point per Second, yaitu jumlah perhitungan f loating point tiap satu detik.

Floating point adalah metode untuk menuliskan bilangan dengan mantisa, contoh: 3 x 10-5.

 Fractions of a second, yaitu waktu eksekusi relatif dari

Dalam desain mikroprosesor, terdapat

dua jenis desain, yaitu:

 CISC (_{Complex instruction set computing chips}), dapat

menampung banyak instruksi yang kompleks.

 RISC (Reduced instruction set computing chips), dapat

meringkas beberapa instruksi sehingga dapat mempercepat kerja prosesor.

Jenis bus yang telah didukung oleh

sistem komputer saat ini adalah:

 ISA, singkatan dari Industry Standard Architecture, merupakan jenis

bus standar pertama yang digunakan industri. Bus ISA beroperasi pada kecepatan 8.33 MHz. Versi perkembangan dari ISA adalah EISA (Extended ISA).

 PCI, singkatan dari Peripheral Component Interconnect bus, merupakan

jenis bus yang dikembangkan dan dipatenkan oleh Intel pada tahun 1990. Versi pertama PCI beroperasi pada kecepatan 33 MHz

1990. Versi pertama PCI beroperasi pada kecepatan 33 MHz

dengan bandwidth 133 MB/ dtk. PCI 2.0 diperkenalkan tahun 1993 dan PCI 2.1 tahun 1995 dengan bandwidth 528 MB/ dtk.

 AGP, singkatan dari Accelerator Graphic Port, merupakan bus hasil

perkembangan dari PCI yang dikhususkan untuk pemrosesan data graf ik dan video.

 USB, singkatan dari Universal Serial Bus, pada awalnya dikembangkan

secara bersama-sama oleh tujuh perusahaan, yaitu Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsof t, NEC, dan Northern Telecom. Saat ini USB telah menjadi standar yang digunakan secara luas dalam Personal

Von Neumann

vs

 Ada dua kelas utama dari arsitektur komputer,

yaitu ‘arsitektur Havard’ dan ‘arsitektur Von Neumann (atau Princeton).

 Banyak desain khusus mikrokontroler dan DSP  Banyak desain khusus mikrokontroler dan DSP

(Digital Signal Processor) menggunakan arsitektur Havard.

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 menyediakan organisasi internal yang berbeda sedemikian rupa instruksi dapat diambil dan dikodekan ketika

berbagai data sedang diambil dan dioperasikan.

 Lebih 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.

 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.

Arsitektur Von Neumann

 Pada arsitektur Von Neumann, program dan data dibagi

pada ruang memori yang sama.

 Arsitektur Von Neumann menyediakan f itur penyimpanan

dan modif ikasi program secara muda h. Bagaimanapun, penyimpanan program tidak mungkin optimal dan

membutuhkan berbagai pengumpulan program dan data membutuhkan berbagai pengumpulan program dan data untuk membentuk instruksi. Pengumpulan program dan data diselesaikan menggunakan time division multiplexing yang akan berpengaruh pada perf orma mikrokontroler itu

sendiri.

 Salah satu contoh mikrokontroler yang menggunakan

arsitektur Von Neumann (princeton) adalah Motorola 68HC11.

The Von Neumann Computer

26

 Designed by John von Neumann, Princeton, in 1940s.

 Used in EDSAC, by M Wilkes, built in Cambridge in 1949.

 Breakthrough: digital (bits, 0 or 1) and stored program.

Memory

…

513: 0100111100101000

• Has cells (words)

• Each cell has address (number) and contains n bits

cell cell

514: 1000101000011101 515: 0110000000100000

…

• In von Neumann computer

– 4096 word memory, 40 bit word

• Typical computer has 16 or 32 bit word and lots more memory!

address address

Von Neumann’s Main Ideas

 Represent data as sequences of bits (0 or 1)

integer 1 as 000000000001 (on 12 bits)

 Memory has 4096 cells, with 40 bits word

 Represent instructions as sequences of bits

no reals! no reals!

 Represent instructions as sequences of bits

code (8 bits), address of argument (12 bits)

01100000000000000001

 Store both data and program instructions in memory

 2 instructions per word

 Instructions

Simple Modern Computer

• Just two I/ O devices. • PC (Program Counter): address of next instruction. • IR (Instruction Register):

Stored Programs Stored Programs

 Essentially von Neumann design.

 Difference: connected by a bus (parallel wires for data transfer).

 Several registers.

How It Works

■ Main memory: stores data and program

■ Bus: transfer of data, addresses and control signals from/to memory and devices

■ CPU(Central Processing Unit):

 control unit: fetches instructions and executes them  ALU (Arithmetic Logic Unit): performs operations

(add, subtract, etc)

 registers (fast memory): store temporary results

and control information (address of next instruction)

How the Computer Executes



Fetch

instruction into

IR



Increment

PC

to point to

next

instruction



Determine

type

of instruction



Determine

type

of instruction



If contains address,

fetch contents

into

register



Execute instruction

Fundamental Execution Cycle

Instruction Fetch Instruction

Decode

baca instruksi dari memori program

Menetapkan aksi-aksi yg diperlukan dan ukuran instruksi Processor regs Memory program Operand Fetch Execute Result Store Next Instruction Menetapkan lokasi dan pengambilan operand (data)

Memproses nilai hasil atau status menyimpan hasil pada memori menetapkan instruksi berikutnya F.U.s von Neumann Bottleneck Data

 A single data path between the CPU and main memory.

A short animation

of simple processor routines of simple processor routines



This can be reduced by using a

chordal ring

.

This is a simple ring with cross or chordal links

between nodes on opposite sides.



Hypercube networks

consist of N = 2^k nodes

arranged in a k

dimensional hypercube.

dimensional hypercube.

The nodes are

numbered 0 , 1, ....2^k

-1 and two nodes are

connected if their binary

labels differ by exactly

one bit.



K dimensional hypercube is formed by combining two k-1

dimensional hypercubes and connecting corresponding nodes i.e.

hypercubes are recursive, each node is connected to k other nodes

i.e. each is of degree k.



Metrics provide a framework to compare and

evaluate interconnection networks. The

metrics we will use are:



Network connectivity



Network diameter



Narrowness

How Microprocessors Work

Each time you press a key or click a but-ton on your mouse, you send a signal to your computer’s CPU that must be translated into binary language and processed. How your computer processes these signals depends largely on what program you are running at the time and what instructions the software has sent to the main memory from

the hard drive where it is per-manently stored.

Control Unit

The "control room" of a microprocessor, the con-trol unit oversees the processing of instructions from the instruction cache, routes instructions to

the decode unit for translation to binary, sends data that needs processing to the ALU and FPU, and directs the storing of processed

data in memory registers where it will stay until needed.

T

he complex maze of circuitry that makes up a micro-processor chip is divided into several different areas, each of which performs a specific function. Some areas specialize in retrieving data from a computer’s main memory (RAM) or hard drive, while others translate data from standard text and machine language commands into binary digital code that the processor can understand. Still other portions of a processor are dedicated solely to

performing the millions of mathematical and Boolean logic operations that are necessary each second for a com-puter to perform its tasks.

Whatever their function, each of the components of a microprocessor is vital in enabling your computer to help you compose letters, send e-mail, keep track of your finances, or surf the Web.

The prefetch unit monitors all incoming data and looks in the instruction cache and the main memory for instructions on what to do with it. It then fetches the instructions, then passes them along with addresses that describe where the data is stored to the instruction cache.

DCU (Data Cache Unit )

Data that is in line to be processed by the control unit, ALU (arithmetic logic unit), or FPU (floating-point unit) is stored temporarily in the DCU until the appropriate resources are available.

Instruction Set

All CPUs come with preloaded sets of instructions that tell them how to func-tion and respond to external commands. These instructions are stored permanently in the electronic pathways of circuitry that make up this portion of a processor and need to be translated into binary by the decode unit in order to be executed.

RAM is one of a PC’s most vital components. The CPU uses this "digital warehouse" as temporary

storage for all of the instructions from the hard drive or other storage media that it will use. The

more RAM a PC has, the less time its CPU must spend waiting for more instructions,

pro-ducing faster overall PC performance.

Decode Unit

Instructions from a microprocessor’s instruc-tion set and external commands from users go here for translation from standard text and machine language into binary digital code. Binary code uses strings of 1s and 0s (which signify “yes” or “no”, “on” or “off”) in place of letters and base ten numerals (0 to 9).

Instruction Cache

The instruction cache is a silicon waiting room where instructions from a CPU’s instruction set and external software instructions wait in line to be carried out by the control unit.

Compiled by Chris Trumble Graphics & Design by Jason Codr

FPU

Sometimes known as math co-proces-sors, FPUs handle complex mathematical operations that include floating-point num-bers, or numbers that are or contain fractions of integers. FPUs once were separate microchips on the motherboard, but they are now included in a CPU’s architecture to increase speed and efficiency.

ALU

The ALU does the math and processes the Boolean logic opera-tions necessary for a computer to per-form calculations and compare input val-ues to preset valval-ues. The ALU is capa-ble of working only with binary digits that represent integers, or whole numbers.

Register

Memory registers are small sup-plies of dynamic memory placed at strategic points throughout a proces-sor’s architecture. Registers store data that has been processed until it is ready to move on to further calculation, output to the user, and so on.

Because all software is essentially lists of instructions

for the CPU, the hard drive where the PC stores software can be likened to a giant, external instruction set. When your computer runs a program stored on the hard drive, the CPU constantly checks for the needed instructions and loads them into main memory.