Organisasi & Arsitektur Komputer

Organisasi Komputer

Organisasi Komputer adalah bagian yang terkait erat dengan unit-unit operasional dan interkoneksi  antar  komponen  penyusun  sistem  komputer  dalam  merealisasikan  aspek arsitekturalnya. Contoh aspek organisasional adalah teknologi hardware, perangkat antarmuka, teknologi memori, sistem memori, dan sinyal-sinyal kontrol.

Arsitektur Komputer lebih cenderung pada kajian atribut-atribut sistem komputer yang terkait dengan seorang programmer. Contohnya, set instruksi, aritmetika yang digunakan, teknik pengalamatan, mekanisme I/O.

OSK → berhubungan dengan sumber daya computer secara fisik dan berkaitan dengan organisasi, integrasi dan control komunikasi aliran data.

Arsitektur Komputer → berhubungan dengan karakteristik yang terlihat oleh programmer.

Sebagai contoh apakah suatu komputer perlu memiliki instruksi pengalamatan pada memori merupakan masalah rancangan arsitektural. Apakah instruksi pengalamatan tersebut akan diimplementasikan  secara  langsung  ataukah  melalui  mekanisme  cache  adalah  kajian organisasional.

Struktur dan Fungsi Utama Komputer

Struktur Komputer

            Komputer adalah sebuah sistem yang berinteraksi dengan cara tertentu dengan dunia luar. Interaksi dengan dunia luar dilakukan melalui perangkat peripheral dan saluran komunikasi. Terdapat empat struktur utama:

1. Central Processing Unit  (CPU), berfungsi sebagai pengontrol operasi komputer dan   

    pusat pengolahan fungsi - fungsi komputer. Kesepakatan, CPU cukup disebut  

    sebagai processor (prosesor) saja.

2. Memori Utama, berfungsi sebagai penyimpan data.

3. I/O, berfungsi memindahkan data ke lingkungan luar atau perangkat lainnya.

4. System Interconnection, merupakan sistem yang menghubungkan CPU, memori  

    utama dan I/O.

Fungsi Komputer

Fungsi dasar sistem komputer adalah sederhana. Pada prinsipnya terdapat empat buah fungsi operasi, yaitu :

- Fungsi Operasi Pengolahan Data

- Fungsi Operasi Penyimpanan Data
- Fungsi Operasi Pemindahan Data
- Fungsi Operasi Kontrol

Komputer harus dapat memproses data. Representasi data di sini bermacam-macam, akan tetapi nantinya data harus disesuaikan dengan mesin pemrosesnya. Dalam pengolahan data, komputer memerlukan unit penyimpanan sehingga diperlukan suatu mekanisme penyimpanan data. Walaupun hasil komputer digunakan saat itu, setidaknya komputer memerlukan media penyimpanan  untuk  data  prosesnya.  Dalam  interaksi  dengan  dunia  luar  sebagai  fungsi pemindahan data diperlukan antarmuka (interface), proses ini dilakukan oleh unit Input/Output (I/O) dan perangkatnya disebut peripheral. Saat interaksi dengan perpindahan data yang jauh atau dari remote device, komputer melakukan proses komunikasi data.

Evolusi Komputer

1.      Komputer Generasi Pertama (1941 – 1956)

2.      Komputer Generasi Kedua (1956 – 1964)

3.      Komputer Generasi Ketiga (1965 – 1971)

4.      Komputer Generasi Keempat (1972 – 1989)

5.      Komputer Generasi Kelima (1990 – Sekarang)

Karakteristik Komputer Generasi Pertama

1. Penggunaan tabung vakum dalam sirkuit elektronik dan mercury delay

lines sebagai memory.

2. Drum Magnetik sebagai media penyimpan internal utama.

3. Kapasitas penyimpanan utama yang terbatas (1000 – 4000 bytes)

4. Pemrograman bahasa symbol tingkat rendah.

5. Problem panas dan pemeliharaan.

6. Aplikasi : perhitungan sains, pemrosesan payroll, penyimpanan record.

7. Waktu siklus : milidetik

8. Kecepatan pemrosesan : 2000 instruksi per detik.

Karakteristik Komputer Generasi Kedua

1. Penggunaan transistor untuk operasi internal.

2. Magnetic core sebagai media penyimpan internal utama.

3. Mempunyai kapasitas penyimpanan lebih banyak (4K – 32K)

4. I/O lebih cepat, orientasi pita

5. Bahasa pemrograman tingkat tinggi (Cobol, Fortran, Algol)

6. Penurunan panas.

7. Waktu siklus mikrodetik

8. Kecepatan pemrosesan : 1 juta instruksi per detik (mips)

Ciri Ciri Komputer Generasi Ketiga

1. Menggunakan sirkuit terintegrasi.

2. Magnetic core dan penyimpanan utama yang padat (32K – 3 Mbyte)

3. Lebih fleksibel dengan I/0 ; berorientasi disk.

4. Ukuran lebih kecil, unjuk kerja lebih baik dan handal.

5. Penggunaan bahasa pemrograman tingkat tinggi lebih luas.

6. Muncul komputer mini.

7. Pemrosesan jarak jauh dan time sharing melalui jaringan komunikasi.

8. Tersedianya perangkat lunak sistem operasi untuk mengontrol I/O.

9. Waktu siklus ; nano detik

10. kecepatan pemrosesan ; 10 mips.

Karakteristik Komputer Generasi Ke Empat

1. Menggunaan large scale integrated circuit.

2. Peningkatan kapasitas penyimpanan (lebih 3 Mbyte) dan kecepatan.

3. Dukungan dari bahasa pemrograman yang lebih kompleks.

4. Perangkat I/O semakin meningkat sehingga mendukung peripheral lainnya.

5. Penggunaan minikomputer, mikroprosessor, dan mikrokomputer.

6. Aplikasi ; simulasi model matematika, komunikasi data.

7. Kecepatan pemrosesan ; 100 mips sampai 1 bips

Karakteristik Komputer Generasi Ke Lima

1. Perkembangan diutamakan pada pengolahan citra (image processing)

2. Perkembangan pada networking dengan konsep parallel computing, data clustering dan grid computing.

- Konsep parallel → beberapa computer yang dihubungkan satu dengan yang lain.

- Data Clustering → masing-masing computer mengolah data yang berbeda, selanjutnya pada sebuah system akan didapat penggabungannya.

- Grid Computing → menggunakan prinsip bahwa masing-masing system dapat berkomunikasi satu sama lainnya tanpa batas karena seluruh system terhubung secara matriks.

Perancangan Kinerja

Kinerja  sebuah  sistem  komputer  merupakan  hasil  proses  dari  seluruh  komponen komputer, yang melibatkan CPU, memori utama, memori sekunder, bus, peripheral. Aplikasi dekstop yang hampir dimiliki semua sistem komputer saat ini meliputi :

• Pengolahan citra

• Pengenalan voice atau pembicaraan

• Video conference

• Mulitimedia

• Transfer data

            Peningkatan  kinerja mikroprosesor  ini  terus  berlanjut  tidak  kenal  henti  dengan  berbagai  teknik  yang  telah dikembangkan, diantaranya :

• Branch Prediction, teknik dimana prosesor memungkinkan mengamati terlebih dahulu di dalam software dan melakukan prediksi percabangan atau kelompok instruksi yang akan dieksekusi berikutnya.
• Data Flow Analysis, prosesor akan menganalisa instruksi - instruksi yang tidak tergantung pada hasil atau data lainnya untuk membuat penjadwalan yang optimum dalam eksekusi.
• Speculative Execution, dengan modal prediksi cabang dan analisis data, maka prosesor dapat melakukan eksekusi spekulatif terlebih dahulu sebelum waktunya.

            Bidang lain yang menjadi fokus kajian peningkatan kinerja sistem komputer adalah penanganan perangkat - perangkat I/O. Masalah yang terjadi hampir sama dengan memori. Teknik penyelesaian yang digunakan umumnya adalah teknik buffering dan caching.

            Target yang ingin dicapai dalam peningkatan kinerja adalah tercapainya keseimbangan proses operasi antar komponen - komponen penyusun komputer sehingga menghasilkan kinerja komputer yang tinggi.

Contoh Evolusi Komputer : kelompok komputer Pentium Intel dan PowerPC. Alasannya adalah komputer Pentium Intel mampu mendominasi pasaran dan secara teknologi  menggunakan  rancangan  CISC             (complex  instruction  set  computers)  dalam arsitekturnya. Sedangkan PowerPC merupakan kelompok komputer yang menerapkan teknologi RISC (reduced instruction set computers). Detail tentang CISC dan RISC akan dijelaskan dalam matakuliah Arsitektur CPU.

Pentium

Berikut evolusi prosesor keluaran Intel dari prosesor sederhana sampai prosesor keluaran saat ini:

• 8080, keluar tahun 1972 merupakan mikroprosesor pertama keluaran Intel dengan mesin 8 bit dan bus data ke memori juga 8 bit. Jumlah instruksinya 66 instruksi dengan kemampuan pengalamatan 16KB.
• 8086, dikenalkan tahun 1974 adalah mikroprosesor 16 bit dengan teknologi cache instruksi. Jumlah instruksi mencapai 111 dan kemampuan pengalamatan ke memori 64KB.
• 80286, keluar tahun 1982 merupakan pengembangan dari 8086, kemampuan pengalamatan mencapai 1MB dengan 133 instruksi.
• 80386, keluar tahun 1985 dengan mesin 32 bit. Sudah mendukung sistem multitasking. Dengan mesin 32 bitnya, produk ini mampu menjadi terunggul pada masa itu.
• 80486, dikenalkan tahun 1989. Kemajuannya pada teknologi cache memori dan pipelining instruksi. Sudah dilengkapi dengan math co-processor.
• Pentium, dikeluarkan tahun 1993, menggunakan teknologi superscalar sehingga memungkinkan eksekusi instruksi secara paralel.
• Pentium Pro, keluar tahun 1995. Kemajuannya pada peningkatan organisasi superscalar untuk proses paralel, ditemukan sistem prediksi cabang, analisa aliran data dan sistem cache memori yang makin canggih.
• Pentium II, keluar sekitar tahun 1997 dengan teknologi MMX sehingga mampu menangani kebutuhan multimedia. Mulai Pentium II telah menggunakan teknologi RISC.
• Pentium III, terdapat kemampuan instruksi floating point untuk menangani grafis 3D.
• Pentium IV, kemampuan floating point dan multimedia semakin canggih.
• Itanium, memiliki kemampuan 2 unit floating point, 4 unit integer, 3 unit pencabangan, internet streaming, 128 interger register.

PowerPC

Proyek sistem RISC diawali tahun 1975 oleh IBM pada komputer muni seri 801. Seri pertama ini hanyalah prototipe, seri komersialnya adalah PC RT yang dikenalkan tahun 1986. Tahun 1990 IBM mengeluarkan generasi berikutnya yaitu IBM RISC System/6000 yang merupakan mesin RISC superskalar  workstation.  Setelah  ini  arsitektur  IBM  lebih  dikenal  sebagai  arsitektur POWER.

IBM menjalin kerja sama dengan Motorola menghasilkan mikroprosesor seri  6800, kemudian Apple menggunakan keping Motorola dalam Macintoshnya. Saat ini terdapat  4 kelompok PowerPC, yaitu :

• 601, adalah mesin 32 bit merupakan produksi masal arsitektur PowerPC untuk lebih dikenal masyarakat.
• 603, merupakan komputer desktop dan komputer portabel. Kelompok ini sama dengan seri 601 namun lebih murah untuk keperluan efisien.
• 604, seri komputer PowerPC untuk kegunaan komputer low-end server dan komputer desktop.
• 620, ditujukan untuk penggunaan high-end server. Mesin dengan arsitektur 64 bit.
• 740/750, seri dengan cache L2.
• G4, seperti seri 750 tetapi lebih cepat dan menggunakan 8 instruksi paralel.

Sistem Bus

Sistem bus adalah penghubung bagi keseluruhan komponen komputer dalam menjalankan tugasnya.

Transfer data antar komponen komputer sangatlah mendominasi kerja suatu komputer. Data atau program yang tersimpan dalam memori dapat diakses dan dieksekusi CPU melalui perantara bus, begitu juga kita dapat melihat hasil eksekusi melalui monitor juga menggunakan sistem bus.

Era saat  ini  memerlukan saluran data atau bus yang handal. Kecepatan komponen penyusun komputer tidak akan berarti kalau tidak diimbangi kecepatan dan manajemen bus yang baik. Trend mikroprosesor saat ini adalah melakukan pekerjaan secara paralel dan program dijalankan secara multitasking menuntut sistem bus tidak hanya lebar tapi juga cepat.

Struktur Interkoneksi

            Komputer tersusun atas komponen - komponen atau modul - modul (CPU, memori dan I/O) yang saling berkomunikasi.

Kumpulan lintasan atau saluran berbagai modul disebut struktur interkoneksi.

Rancanagan struktur interkoneksi sangat bergantung pada jenis dan karakteristik pertukaran datanya.

Jenis pertukaran data yang diperlukan oleh modul - modul penyusun komputer :

• Memori :

Memori umumnya terdiri atas N word memori dengan panjang yang sama. Masing - masing
word diberi alamat numerik yang unik (0, 1, 2, …N-1). Word dapat dibaca maupun ditulis pada
memori dengan kontrol Read dan Write. Lokasi bagi operasi dispesifikasikan oleh sebuah
alamat.

• Modul I/O :

Operasi modul I/O adalah pertukaran data dari dan ke dalam komputer. Berdasarkan pandangan internal,  modul  I/O  dipandang  sebagai  sebuah  memori  dengan  operasi  pembacaan  dan penulisan. Modul I/O dapat mengontrol lebih dari sebuah perangkat peripheral. Modul I/O juga dapat mengirimkan sinyal interrupt.

• CPU :

CPU berfungsi sebagai pusat pengolahan dan eksekusi data berdasarkan routine - routine
program yang diberikan padanya. CPU mengendalikan seluruh sistem komputer sehingga
sebagai  konsekuensinya memiliki koneksi ke seluruh modul yang menjadi bagian sistem
komputer.

Dari jenis pertukaran data yang diperlukan modul - modul komputer, maka struktur interkoneksi harus mendukung perpindahan data berikut :

• Memori ke CPU : CPU melakukan pembacaan data maupun instruksi dari memori.

• CPU ke Memori : CPU melakukan penyimpanan atau penulisan data ke memori.

• I/O ke CPU : CPU membaca data dari peripheral melalui modul I/O.

• CPU ke I/O : CPU mengirimkan data ke perangkat peripheral melalui modul I/O.

• I/O ke Memori atau dari Memori : digunakan pada sistem DMA.

Sampai  saat  ini  terjadi  perkembangan  struktur  interkoneksi,  namun  yang  banyak digunakan saat ini adalah sistem bus. Sistem bus ada yang digunakan secara tunggal dan ada secara jamak, tergantung karakteristik sistemnya.

Interkoneksi Bus

Bus merupakan lintasan komunikasi yang menghubungkan dua atau lebih komponen komputer. Sifat  penting  dan  merupakan  syarat  utama bus adalah media transmisi yang dapat digunakan bersama oleh sejumlah perangkat yang terhubung padanya. Karena digunakan  bersama,  diperlukan  aturan  main  agar  tidak  terjadi  tabrakan  data  atau kerusakan data yang ditransmisikan. Walaupun digunakan bersama namun dalam satu waktu hanya ada sebuah perangkat yang dapat menggunakan bus.

Struktur Bus

Sebuah bus biasanya terdiri atas beberapa saluran. Sebagai contoh bus data terdiri atas 8 saluran sehingga dalam satu waktu dapat mentransfer data  8 bit. Secara umum fungsi saluran bus dikatagorikan dalam tiga bagian, yaitu saluran data, saluran alamat dan saluran kontrol, seperti terlihat pada gambar pola interkoneksi bus. 

            Saluran data  (data bus) adalah lintasan bagi perpindahan data antar modul. Secara kolektif lintasan ini disebut bus data. Umumnya jumlah saluran terkait dengan panjang word,

misalnya 8, 16, 32 saluran dengan tujuan agar mentransfer word dalam sekali waktu. Jumlah saluran dalam bus data dikatakan lebar bus, dengan satuan bit, misal lebar bus 16 bit.
            Saluran alamat (address bus) digunakan untuk menspesifikasi sumber dan tujuan data
pada bus data. Saluran ini digunakan untuk mengirim alamat word pada memori yang akan diakses  CPU. Juga  digunakan untuk saluran alamat  perangkat  modul komputer saat  CPU mengakses suatu  modul.  Perlu  diketahui,  semua  peralatan  yang  terhubung  dengan  sistem komputer, agar dapat diakses harus memiliki alamat. Semisal mengakses port I/O, maka port I/O harus memiliki alamat hardware-nya.

            Saluran kontrol (control bus) digunakan untuk mengontrol 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 kontrol ini. Sinyal - sinyal kontrol terdiri  atas  sinyal  pewaktuan  dan  sinyal - sinyal  perintah.  Sinyal  pewaktuan  menandakan validitas data dan alamat, sedengkan sinyal perintah berfungsi membentuk suatu operasi. Secara umum saluran kontrol meliputi :

• Memory Write, memerintahkan data pada bus akan dituliskan ke dalam lokasi alamat.
• Momory Read memerintahkan data dari lokasi alamat ditempatkan pada bus data.
• I/O Write, memerintahkan data pada bus dikirim ke lokasi port I/O.
• I/O Read, memerintahkan data dari port I/O ditempatkan pada bus data.
• Transfer ACK, menunjukkan data telah diterima dari bus atau data telah ditempatkan pada bus.
• Bus Request, menunjukkan bahwa modul memerlukan kontrol bus.
• Bus Grant, menunjukkan modul yang melakukan request telah diberi hak mengontrol
  bus.
• Interrupt Request, menandakan adanya penangguhan interupsi dari modul.
• Interrupt ACK, menunjukkan penangguhan interupsi telah diketahui CPU.
• Clock, kontrol untuk sinkronisasi operasi antar modul.
• Reset, digunakan untuk menginisialisasi seluruh modul.

            Secara fisik bus adalah konduktor listrik paralel yang menghubungkan modul - modul.
Konduktor ini biasanya adalah saluran utama pada PCB motherboard dengan layout tertentu
sehingga didapat fleksibilitas penggunaan. Untuk modul I/O biasanya dibuat slot bus yang mudah dipasang dan dilepas, seperti slot PCI dan ISA. Sedangkan untuk chips akan terhubung melalui pinnya.

Prinsip operasi bus adalah sebagai berikut. Operasi pengiriman data ke modul lainnya :

1. Meminta penggunaan bus.

2. Apabila telah disetujui, modul akan memindahkan data yang diinginkan ke modul yang dituju.

Operasi meminta data dari modul lainnya :

1. Meminta penggunaan bus.

2. Mengirim request ke modul yang dituju melalui saluran kontrol dan alamat yang sesuai.

3. Menunggu modul yang dituju mengirimkan data yang diinginkan.

Elemen Perancangan Bus

1. Jenis Bus

a. Dedicated Bus : bus yang khusus menyalurkan data tertentu, misalnya paket data saja, atau alamat saja,

Keuntungan: throughput yang tinggi karena kemacetan lalu lintas kecil.

Kerugian: meningkatnya ukuran biaya sistem.

b. Multiplexed bus : bus melakukan tugas untuk berbagai  informasi  yang berbeda baik data, alamat maupun sinyal kontrol dengan metode mulipleks data

Keuntungan: hanya memerlukan saluran yang sedikit sehingga dapat menghemat tempat dan biaya.

Kerugian: kecepatan transfer data menurun dan diperlukan mekanisme yang komplek untuk mengurai data yang telah dimultipleks.

2. Metode Arbitrasi : menugaskan sebuah perangkat CPUatau I/O bertindak sebagai master kontrol pertukaran.  Metode ini terdiri dari :

1. Tersentralisasi : pengontrol bus sentral atau arbiter yang bertugas mengatur penggunaan bus oleh  modul.
2. Terdistribusi : setiap modul memiliki logika pengontrol akses (access control logic) yang berfungsi mengatur  pertukaran  data  melalui  bus.  

3. Timing : Metode terjadinya event dikoordinasikan pada bus

a. Sinchronous : terjadinya event pada bus ditentukan oleh clock.

b. Asinchronous : terjadinya event pada bus mengikuti dan tergantung pada event sebelumnya.

4. Lebar Bus

Lebar bus sangat mempengaruhi kinerja sistem komputer. Semakin lebar bus maka semakin besar data yang dapat ditransfer sekali waktu. Semakin besar bus alamat, akan semakin banyak range lokasi yang dapat direfensikan.

5. Jenis Transfer Data

Dalam sistem komputer, operasi transfer data adalah pertukaran data antar modul sebagai
tindak lanjut atau pendukung operasi yang sedang dilakukan. Saat operasi baca (read), terjadi
pengambilan data dari memori ke CPU, begitu juga sebaliknya pada operasi penulisan maupun
operasi - operasi kombinasi. Bus harus mampu menyediakan layanan saluran bagi semua operasi
komputer.

Contoh Bus

1. Bus ISA (Industry Standar Architecture) Vendor pemakai: IBM

2. Bus PCI Vendor pemakai: Intel

Peripheral Component Interconnect (PCI) adalah bus yang tidak tergantung prosesor dan berfungsi sebagai bus mezzanine atau bus peripheral. PCI memiliki kinerja tinggi untuk sistem I/O berkecepatan tinggi seperti : video adaptor, NIC, disk controller, sound card, dan lain-lain.

3. Bus USB / Universal Standard Bus

Untuk peralatan yang memiliki kecepatan rendah seperti keyboard, mouse, dan printer, 7 vendor komputer (Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, dan Northern Telecom) bersama-sama merancang bus USB.

4. Bus SCSI

Small Computer System Interface (SCSI) adalah 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.

5. Bus P1394 / Fire Wire

Bus performance tinggi yang dikenal dengan Fire Wire (P1394 standard IEEE).
P1394 memiliki kelebihan dibandingkan dengan interface I/O lainnya, yaitu sangat cepat,
murah, dan mudah untuk diimplementasikan. Pada kenyataanya P1394 tidak hanya populer pada sistem komputer, namun juga pada peralatan elektronik seperti pada kamera digital, VCR,dan televisi. Kelebihan lain adalah penggunaan transmisi serial sehingga tidak memerlukan banyak kabel.

Referensi :

www.slideshare.net/.../pengantar-organisasi-komputer

http://ftsi.wordpress.com/2007/09/24/modul-organisasi-komputer-dan-arsitektur-komputer/

http://winggihjohansaputro.blogspot.com/2012/10/organisasi-dan-arsitektur-komputer.html

http://www.gudangmateri.com/2009/07/arsitektur-dan-organisasi-komputer.html

http://www.scribd.com/doc/10916989/Organisasi-Dan-Arsitektur-Komputer

Nama   : Bryant Varel Purba

Npm    : 19111194

Kelas   : 2 KA 43