Part4 5 Top Level View dan Interkoneksi (Sistem Bus)

  

Organisasi & Arsitektur Komputer

Organisasi & Arsitektur Komputer

  

Sistem Komputer ( Top Level View ) &

Sistem Komputer ( Top Level View ) &

  

Interconnection Computer ( Sistem Bus)

Interconnection Computer ( Sistem Bus)

  Arsitektur CPU dan Interkoneksinya

Struktur interkoneksi harus mendukung jenis perpindahan berikut ini:

  1. Memori ke CPU CPU membaca sebuah instruksi atau satuan data dari memori

  CPU membaca sebuah instruksi atau satuan data dari memori

  2. CPU ke Memori CPU menuliskan sebuah satuan data ke memori

  2. CPU ke Memori

  CPU menuliskan sebuah satuan data ke memori

  3. I/O ke CPU CPU membaca data dari perangkat I/O melalui sebuah modul I/O

  CPU membaca data dari perangkat I/O melalui sebuah modul I/O

  4. CPU ke I/O CPU mengirimkan data ke perangkat I/O

  4. CPU ke I/O

  CPU mengirimkan data ke perangkat I/O

  5. I/O ke memori atau memori ke I/O Pada kedua kasus ini sebuah modul I/O di izinkan untuk dapat bertukar data secara langsung tanpa melalui CPU dengan menggunakan DMA ( ^{Direct Memory Acces} )

  Pada kedua kasus ini sebuah modul I/O di izinkan untuk dapat bertukar data secara langsung tanpa melalui CPU dengan menggunakan DMA ( ^{Direct Memory Acces} )

Program ?

• Adalah suatu deretan langkah-langkah
• Pada setiap langkah, dikerjakan suatu operasi

  arithmetic atau logical

• • Pada setiap operasi, diperlukan sejumlah sinyal

  kendali tertentu (hasil konversi ke bahasa mesin)

Fungsi Control Unit

• • Untuk setiap operasi disediakan kode yang unik

• – Contoh: ADD, MOVE (assembly programming)
>Bagian hardware tertentu menerima kode

tersebut kemudian menghasilkan sinyal-sinyal

kendali
• Jadilah komputer!!

Komponen yang diperlukan

• Control Unit (CU) dan Arithmetic and Logic Unit (ALU) membentuk Central Processing Unit (CPU)

• • Data dan instruksi harus diberikan ke sistem dan

  dikeluarkan dari sistem
• – Input/output

• • Diperlukan tempat untuk menyimpan sementara

  kode instruksi dan hasil operasi.
• – Main memory

  Komponen Komputer: Top Level View

  

Register pada CPU

• MAR (Memory Address Register)

  Menentukan alamat di dalam memori yang akan diakses untuk operasi Read/Write

• MBR (Memory Buffer Register)

  Berisi data yang akan di tuliskan ke dalam memori atau menerima data yang di baca dari memori

• I/O AR (I/O Addres Register)

  Menspesifikasikan perangkat I/O yang akan diakses

• I/O BR (I/O Buffer Register)

  

Menyimpan data yang akan dituliskan ke port atau data yang akan disalin

  (Program Counter)

• PC

  Mencatat alamat memori dimana instruksi di dalamnya akan dieksekusi

• IR (Instruction Register)

  Menampung instruksi yang akan dilaksanakan

• AC (Accumulator)

  Menyimpan data sementara baik data yang sedang diproses atau data yang hasilkan

Modul I/O

• • Memindahkan data dari perangkat eksternal ke

  CPU dan sebaliknya

• • Modul ini berisi buffer internal untuk

  menampung data ini sementara sampai data itu di kirimkan.

  Memory

• Memory akan menyimpan data yang sedang diproses kedalam chace

• • Kemudian memory akan meyimpan data secara

  permanen kedalam memory eksternal

  Fungsi Dasar Komputer ?? Eksekusi Program

Siklus Instruksi

• Two steps:
• – Fetch (CPU membaca instruksi dari Memori)
• – Execute (CPU mengeksekusi setiap Instruksi)

  

Fetch Cycle

• Program Counter (PC) berisi address instruksi berikutnya yang akan diambil
• Processor mengambil instruksi dari memory pada lokasi yang ditunjuk oleh PC
• Naikkan PC
• – Kecuali ada perintah tertentu
>Instruksi dimasukkan ke Instruction Register (IR)
• Processor meng-interpret dan melakukan tindakan yang

Execute Cycle

  1. Processor-memory

• – Transfer data antara CPU dengan main memory

  2. Processor I/O

• – Transfer data antara CPU dengan I/O module

  3. Data processing

• – Operasi arithmetic dan logical pada data tertentu

  4. Control

• – Mengubah urutan operasi
• – Contoh: jump

  Contoh Eksekusi Program

Details…. Eksekusi Program

  

Tahap 1

Program Counter (PC) berisi 300 alamat instruksi pertama. Instruksi ini (nilai 1940 dalam hexadesimal) akan dimuatkan ke dalam Instruction Register (IR) dan PC ditambahkan nilainya.

Tahap 2

  4 bit pertama (digit hexadesimal pertama) di dalam IR menunjukkan

bahwa akumulator (AC) akan

dimasukkan.

  12 bit sisanya (digit tiga hexadesimal) menentukan alamat, yaitu 940 dari data

Tahap 3

  Instruksi yang berikutnya (5941)

diambil dari lokasi 301

dan PC akan dinaikkan

nilainya dan instruksi berikutnya akan diambil.

Tahap 4

  Isi AC yang lama dan isi lokasi 941 ditambahkan

dan hasilnya disimpan di

dalam AC.

Tahap 5

  

Instruksi yang berikutnya

(2941) akan diambil dari lokasi 302 dan PC akan dinaikkan nilainya.

  Tahap 6

Isi AC akan disimpan

pada lokasi 941

Interrupt

  

Suatu mekanisme yang disediakan bagi modul-modul lain

(mis. I/O) untuk dapat meng-interupsi operasi normal CPU

  1. Program

• Misal: overflow, division by zero

  2. Timer

• Dihasilkan oleh internal processor timer
• Digunakan dalam pre-emptive multi-tasking

  3. I/O

• dari I/O controller

  4. Hardware failure disediakan terutama sebagai

cara untuk meningkatkan efesiensi

pengolahan, karena sebagian besar

perangkat eksternal jauh lebih lambat di

bandingkan prosessor

Interrupt

  Program Flow Control

Siklus Interupsi

• Ditambahkan ke instruction cycle
• Processor memeriksa adanya interrupt
• – Diberitahukan lewat interrupt signal
• Jika tidak ada interrupt, fetch next instruction
• Jika ada interrupt:
• – Tunda eksekusi dari program saat itu
• – Simpan context
• – Set PC ke awal address dari routine interrupt handler
• – Proses interrupt

Multiple Interrupts

• Disable interrupts
• – Processor akan mengabaikan interrupt berikutnya
• – Interrupts tetap akan diperiksa setelah interrupt ynag pertama selesai dilayani
• – Interrupts ditangani dalam urutan sesuai datangnya
• Define priorities
• – Low priority interrupts dapat di interrupt oleh higher priority interrupts
• – Setelah higher priority interrupt selesai dilayani, akan kembali ke interrupt sebelumnya.

  Multiple Interrupts - Sequential

  Multiple Interrupts - Nested

Resume; CPU Connection & Eksekusi Instruksi??

• Membaca instruksi dan data
• Menuliskan data (setelah diproses)
• Mengirimkan sinyal kendali ke unit-unit lain
• Menerima (& menanggapi) interrupt

  

Sistem Bus

Sistem Bus

• System bus atau bus sistem, dalam arsitektur komputer merujuk pada bus yang digunakan oleh sistem komputer untuk menghubungkan semua komponennya dalam menjalankan tugasnya.
• Sebuah bus adalah sebutan untuk jalur di mana data dapat mengalir dalam komputer. Jalur-jalur ini digunakan untuk komunikasi dan dapat dibuat antara dua elemen atau lebih. Data atau program yang tersimpan dalam memori dapat diakses dan dieksekusi oleh CPU melalui perantara sistem bus.

• Sebuah komputer memiliki beberapa bus, agar dapat berjalan. Banyaknya bus yang terdapat dalam sistem,

  tergantung dari arsitektur sistem komputer yang digunakan.

  Sebagai contoh, sebuah komputer PC dengan prosesor

  umumnya Intel Pentium 4 memiliki bus prosesor (Front-Side

  Bus), bus AGP, bus PCI, bus USB, bus ISA (yang digunakan oleh keyboard dan mouse), dan bus-bus lainnya.

• Bus disusun secara hierarkis, karena setiap bus yang

  memiliki kecepatan rendah akan dihubungkan dengan bus

  yang memiliki kecepatan tinggi. Setiap perangkat di dalam

  sistem juga dihubungkan ke salah satu bus yang ada. Sebagai contoh, kartu grafis AGP akan dihubungkan ke bus AGP. Beberapa perangkat lainnya (utamanya chipset atau

  kontroler) akan bertindak sebagai jembatan antara bus-bus

Dedicated & Multiflexed Bus

• Berdasar jenis busnya, bus dapat dibedakan menjadi bus yang khusus menyalurkan data tertentu, contohnya paket data saja, atau alamat saja, jenis ini disebut dedicated bus. Namun apabila bus yang dilalui informasi yang berbeda baik data, alamat, dan sinyal kontrol dengan metode multipleks data maka bus ini disebut multiplexed bus.
• Kekurangan multiplexed bus adalah hanya memerlukan saluran sedikit sehingga menghemat tempat tapi kecepatan transfer data menurun dan diperlukan mekanisme yang komplek untuk mengurai data yang telah dimultipleks. Sedangkan untuk dedicated bus merupakan kebalikan dari

Beberapa bus utama dalam sistem komputer modern

• Bus prosesor. Bus ini merupakan bus tercepat dalam sistem dan menjadi

  bus inti dalam chipset dan motherboard. Bus ini utamanya digunakan oleh

  prosesor untuk meneruskan informasi dari prosesor ke cache atau memori

  utama ke chipset kontrolor memori. Bus ini juga terbagi atas beberapa macam, yakni Front-Side Bus, HyperTransport Bus, dan beberapa bus

  lainnya. Bus ini berjalan pada kecepatan 100 MHz, 133 MHz, 200 MHz, 266

  MHz, 400 MHz, 533 MHz, 800 MHz, 1000 MHz atau 1066 MHz.
• Bus AGP (Accelerated Graphic Port). Bus ini merupakan bus yang didesain

  secara spesifik untuk kartu grafis. Bus ini berjalan pada kecepatan 66 MHz

  (mode AGP 1x), 133 MHz (mode AGP 2x), atau 533 MHz (mode AGP 8x)

  pada lebar jalur 32-bit, sehingga bandwidth maksimum yang dapat diraih

  adalah 2133 MByte/s. Umumnya, bus ini terkoneksi ke chipset pengatur memori (Northbridge, Intel Memory Controller Hub, atau NVIDIA nForce). Sebuah sistem hanya dapat menampung satu buah bus AGP. Mulai tahun 2005, saat PCI Express mulai marak digunakan, bus AGP ditinggalkan.

• Bus PCI (Peripherals Component Interconnect). Bus PCI tidak tergantung prosesor dan berfungsi sebagai bus peripheral. Bus ini memiliki kinerja tinggi untuk sistem I/O berkecepatan tinggi. Bus ini berjalan pada kecepatan 33 MHz dengan lebar lajur 32-bit. Bus ini ditemukan pada hampir semua komputer PC yang beredar, dari mulai prosesor Intel 486 karena memang banyak kartu yang menggunakan bus ini, bahkan hingga saat ini. Bus ini dikontrol oleh chipset pengatur memori (northbridge, Intel MCH) atau Southbridge (Intel ICH, atau NVIDIA nForce).
• Bus PCI Express (Peripherals Component Interconnect Express)
• Bus PCI-X (Peripherals Component Interconnect Express)
• Bus ISA (Industry Standard Architecture)

• Bus EISA (Extended Industry Standard Architecute)
• Bus MCA (Micro Channel Architecture)
• Bus SCSI (Small Computer System Interface). Bus ini diperkenalkan oleh

  Macintosh pada tahun 1984. SCSI merupakan antarmuka standar untuk

drive CD-ROM, peralatan audio, harddisk, dan perangkat penyimpanan

eksternal berukuran besar

• Bus USB (Universal Serial Bus). Bus ini dikembangkan oleh tujuh vendor

  komputer, yaitu Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, dan Northern

  Telecom. Bus ini ditujukan bagi perangkat yang memiliki kecepatan

  rendah seperti keyboard, mouse, dan printer karena tidak akan efisien

  jika perangkat yang berkecepatan rendah dipasang pada bus

  berkecepatan tinggi seperti PCI. Keuntungan yang didapat dari bus USB

  antara lain : tidak harus memasang jumper, tidak harus membuka casing

  untuk memasang peralatan I/O, hanya satu jenis kabel yang digunakan,

  dapat mensuplai daya pada peralatan I/O, tidak diperlukan reboot.

• • Bus 1394. Bus yang mempunyai nama FireWire memiliki kecepatan tinggi

  diatas SCSI dan PCI. Bus 1394 sangat cepat, murah, dan mudah untuk diimplementasikan. Bus ini tidak hanya populer perangkat komputer

  Arsitektur Sistem Bus Generasi Pentium

  Arsitektur Sistem Bus Generasi Multi Core

Struktur Bus

  Sebuah bus sistem terdiri dari 50 hingga 100 saluran yang terpisah. Masing-masing saluran ditandai dengan arti dan fungsi khusus. Walaupun terdapat sejumlah rancangan bus yang berlainan, fungsi saluran bus dapat diklasifikasikan menjadi tiga kelompok, yaitu saluran data, saluran alamat , dan saluran kontrol.

  Selain itu, terdapat pula saluran distribusi daya yang memberikan kebutuhan daya bagi modul yang terhubung.

Data Bus

Bus Data adalah lintasan bagi perpindahan data

  

antar modul. Jumlah saluran terkait dengan panjang

word, misalnya 8, 16, 32 saluran dengan tujuan agar

mentransfer word dalam sekali waktu, contoh bus data terdiri dari atas 8 saluran sehingga dalam satu waktu dapat mentransfer data 8 bit.

  

Jumlah saluran dalam bus data dikatakan lebar bus,

dengan satuan bit, misal lebar bus 16 bit.

  

Address bus

• Digunakan untuk menspesifikasi sumber dan tujuan data pada bus data.

• • Misalkan CPU perlu membaca instruksi (data) dari

  memori pada lokasi tertentu
• Lebar jalur menentukan kapasitas memori maksimum dari sistem
• – Contoh; 8080 memiliki 16 bit address bus maka ruang memori maksimum adalah 64k

Control Bus

• • Digunakan untuk mengotrol bus data, bus alamat dan seluruh

  modul yang ada. Karena bus data dan bus alamat digunakan oleh semua komponen maka diperlukan suatu mekanisme kerja yang dikontrol melalui bus control ini. Sinyal-sinyal kontrol terdiri dari atas sinyal pewaktuan yang menandakan validitas data dan alamat, dan sinyal-sinyal perintah berfungsi membentuk suatu operasi.
• Informasi kendali dan timing
• – Sinyal read/write memory dan I/O
• – Interrupt request (IRQ)
• – Clock signals (CK)

  Skema Interkoneksi Bus

Elemen Perancangan Elemen Bus

  Parameter dasar perancangan bus dapat diklasifikasikan berdasarkan jenis •

• – Dedicated – Mulitiplexed

  Metode arbitrasi •

• – Tersentralisasi – Terdistribusi

  Timing •

• – Sinkron – Tak sinkron

  Lebar bus •

• – Lebar address
• – Lebar data

  Jenis transfer data •

• – read
• – write

• Dedicated Penggunaan alamat terpisah dan jalur data. Keuntungannya

  adalah Throughtput yang tinggi, dan kerugiannya adalah

  meningkatnya ukuran dan biaya sistem
• Multiplexed Penggunnaan saluran yang sama untuk berbagai keperluan. Keuntungannya adalah Memerlukan saluran yang sedikit menghemat ruang dan biaya, kekurangannya yaitu diperlukan rangkaian yang lebih kompleks untuk setiap modul

  

Menugaskan sebuah perangkat, CPU atau I/O yang

bertindak sebagai master;

• Tersentralisasi

  Pengontrol bus atau arbitrer bertanggung jawab atas alokasi waktu pada Bus

• Terdistribusi

  Modul-modul bekerja sama untuk memakai Bus bersama-sama

  a. Address : Lebar bus alamat mempengaruhi

kapasitas. Semakin lebar bus alamat, semakin

besar range lokasi yang dapat.

  b. Data : Lebar bus data mempengaruhi kinerja sistem. Semakin lebar bus data semakin besar bit yang dapat ditransfer pada suatu waktu.

• Timing berkaitan dengan cara terjadinya event yang dikoordinasikan pada Bus.
• – Sinkron: Terjadinya event pada bus ditentukan oleh sebuah clock
• – Asinkron : Terjadinya event bus mengikuti dan tergantung pada event sebelumnya

• Read : Slave menaruh data pada bus data begitu slave mengetahui alamat dan mengambil datanya.
• Write : Master menaruh data pada bus data saat

  alamat stabil dan slave mempunyai kesempatan

  untuk mengetahui alamat.

Bentuk Fisik

• Bagaimana bentuk fisik bus?
• – Jalur-jalur parallel PCB (Motherboard)
• – Ribbon cables
• – Strip connectors pada mother boards
• contoh PCI
• – Kumpulan kabel

  

Bus Traditional (ISA)

(menggunakan cache)

  High Performance Bus

Bus ISA

• Industry Standar Architecture • Bus PC/AT yang beroperasi pada 8,33 MHz
• Keuntungannya adalah bahwa pendekatan ini tetap mempertahankan kompatibilitas dengan mesin-mesin dan kartu-kartu yang ada.
• Pendekatan ini juga didasarkan pada sebuah bus yang telah dilisensikan secara bebas oleh IBM kepada banyak perusahaan dalam rangka untuk menjamin bahwa sebanyak mungkin pihak ketiga dapat memproduksi kartu-kartu untuk PC pertama, sesuatu yang kembali

Bus PCI

• Peripheral Component Interconnection

  • Dikeluarkan oleh Intel sebagai public domain

• 32 atau 64 bit
• 50 Jalur

Jalur pada Bus PCI

• Jalur System
• – clock and reset
• Address & Data
• – 32 jalur multiplex address/data
• – Jalur validasi
• Interface Control • Arbitrasi
• – Not shared
• – Direct connection to PCI bus arbiter

Bus USB

• Semua perangkat peripheral tidak efektif apabila dipasang pada bus berkecepatan tinggi PCI
• Banyak peralatan yang memiliki kecepatan rendah seperti keyboard, mouse, dan printer.
• Solusi : tujuh vendor komputer (Compaq, DEC, IBM,

  Intel, Microsoft, NEC, dan Northern Telecom) bersama- sama merancang bus untuk peralatan I/O berkecepatan rendah.

• Standard yang dihasilkan dinamakan Universal Serial Bus (USB).

Keuntungan USB

• Pemakai tidak harus memasang tombol atau jumper pada PCB atau peralatan
• Pemakai tidak harus membuka casing untuk memasang peralatan I/O baru
• Hanya satu jenis kabel yang diperlukan sebagai penghubung
• Dapat mensuplai daya pada peralatan-peralatan I/O
• Memudahkan pemasangan peralatan-peralatan yang hanya sementara dipasang pada komputer
• Tidak diperlukan reboot pada pemasangan peralatan baru dengan USB

Pengkabelan USB • Bandwidth total USB adalah 1,5 MB per detik

• Bandwidth itu sudah mencukupi peralatan I/O berkecepatan rendah seperti keyboard, mouse, scanner, telepon digital, printer, dan sebagainya.
• Kabel pada bus terdiri dari 4 kawat, 2 untuk data, 1 untuk power (+5 volt), dan 1 untuk ground.
• Sistem pensinyalan mentransmisikan sebuah bilangan nol sebagai transisi tegangan dan sebuah bilangan satu bila tidak ada transmisi tegangan

Bus SCSI

• Small Computer System Interface (SCSI)

• • Perangkat peripheral eksternal yang dipopulerkan oleh macintosh

  pada tahun 1984.

• • SCSI merupakan interface standard untuk drive CD-ROM, peralatan

  audio, hard disk, dan perangkat penyimpanan eksternal berukuran besar.
• SCSI menggunakan interface paralel dengan 8, 16, atau 32 saluran data
• Perangkat SCSI memiliki dua buah konektor
• – Konektor input – Konektor output.
• Seluruh perangkat berfungsi secara independen dan dapat saling bertukar data
• – misalnya hard disk dapat mem-back up diri ke tape drive tanpa melibatkan prosesor

Bus SCSI • Beberapa macam versi SCSI

• – SCSI-1 dibuat tahun 1980 memiliki 8 saluran data, dan beroperasi pada kecepatan 5 MHz. Versi ini memungkinkan sampai 7 perangkat dihubungkan secara daisy-chain.
• – SCSI-2 diperkenalkan tahun 1992 dengan spesifikasi 16 atau 32 saluran data pada kecepatan 10 MHz.
• – SCSI-3 yang mendukung kecepatan yang lebih tinggi sampai saat ini masih dalam tahap penelitian

  

Bus P1394 / Fire Wire

• Kebutuhan bus I/O berkecepatan tinggi dan Semakin cepatnya prosesor saat ini yang mencapai
• – Perlu diimbangi dengan bus berkecepatan tinggi

• – Dikembangkan bus performance tinggi yang dikenal

  dengan Fire Wire (P1394 standard IEEE)

  Future Bus+

Future Bus+ adalah standard bus

asinkron yang berkinerja tinggi

Syarat-syarat Future Bus

• Tidak tergantung pada arsitektur, processor dan teknologi tertentu
• Memiliki protokol transfer asinkron dasar dengan mengizinkan protokol tersinkronisasi pada sumber untuk kebutuhan optional
• Tidak berdasarkan pada teknologi tercanggih
• Terdiri dari protokol-protokol paralel terdistribusi penuh dan arbitrasi yang mendukung baik protokol circuit switched maupun protokol split transactions
• Menyediakan dukungan bagi sistem-sistem yang fault-tolerant dan yang memiliki reliabilitas tinggi
• Future bus+ mendukung bus-bus data 32,64, 128,256 bit

Kesimpulan 1

  Komputer tersusun atas beberapa komponen penting

seperti CPU, memori, perangkat I/O. Sistem bus adalah

penghubung bagi keseluruhan komponen komputer dalam menjalankan tugasnya.

  2. Kumpulan lintasan atau saluran berbagai modul disebut

struktur interkoneksi. Rancanagan struktur interkoneksi

sangat bergantung pada jenis dan karakteristik pertukaran datanya.

  

3. Secara umum fungsi saluran bus dikategorikan dalam tiga

bagian, yaitu saluran data, saluran alamat dan saluran

Kesimpulan

  4. Saat ini terdapat banyak implementasi sistem bus, tetapi parameter dasar perancangan bus dapat diklasifikasikan berdasarkan jenis (dedicated dan mulitiplexed), metode arbitrasi (tersentralisasi dan terdistribusi), timing (sinkron dan tak sinkron), lebar bus (lebar address dan lebar data) dan jenis transfer datanya(read, write, read-modify-write, read-alterwrite, block).

  5. Diantara jenis bus yang beredar di pasaran saat ini adalah PCI, PCI Express, ISA, USB, SCSI, FutureBus+, FireWire, dll