Arsitektur Sistem Komputer Global

Arsitektur Komputer

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 memory cache, RAM, ROM, cakram keras dll). Beberapa contoh dari arsitektur komputer ini adalah arsitektur Von Naumann CISC, RISC, blue gene dll.

Arsitektur komputer juga 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.

Arsitektur komputer ini paling tidak mengandung 3 sub-kategori:

• Set Instruksi (ISA)
• Arsitektur mikro dari ISA, dan
• Sistem desain dari seluruh komponen dalam perangkat keras komputer ini.

Arsitektur komputer merupakan suatu hal yang sangat penting karena dapat memberikan berbagai atribut pada sistem komputer, hal ini tentunya sangat dibutuhkan bagi perancang atau user software sistem dalam mengembangkan suatu program.
Klasifikasi Arsitektur Komputer :

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.

Ukuran kecepatan prosesor adalah:

• Hertz, yaitu jumlah clock atau ketukan prosesor tiap satu detik. Untuk prosesor modern memakai satuan Megahertz atau Gigahertz.

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

• Flops, singkatan dari Floating Point per Second, yaitu jumlah perhitungan floating point tiap satu detik.
• Fractions of a second, yaitu waktu eksekusi relatif dari suatu instruksi pada sistem komputer. 

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.

• 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 dengan bandwidth 133 MB/dtk.

• AGP, singkatan dari Accelerator Graphic Port, merupakan bus hasil perkembangan dari PCI yang dikhususkan untuk pemrosesan data grafik dan video.

• USB, singkatan dari Universal Serial Bus, pada awalnya dikembangkan secara bersama-sama oleh tujuh perusahaan, yaitu Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, dan Northern Telecom. Saat ini USB telah menjadi standar yang digunakan secara luas dalam Personal Computer.

Mesin Von Neumann

Pada bagian ini kita akan membahas tentang computer Von Numen, yang kita gunakan sehari-hari. Pada dasarnya memang sebagian besar, atau mungkin semua, komputer yang kita kenal adalah Von Neumann machines (mesin Von Neumann), namun beberapa mesin yang dijelaskan pada bagian selanjutnya nanti tidak termasuk. Istilah komputer Von Neumann machine dalam sebagian besar konteks, hanyalah persamaan (sinonim). Kita akan menyebutkan atau mengatakan komputer dengan kata von Neumann machine (mesin von Neumann) jika komputer tersebut memenuhi kriteria berikut :

• mempunyai tiga subsistem hardware dasar :

1. Sebuah CPU
2. Sebuah system memori utama
3. Sebuah system I/O

• merupakan komputer stored-program (program tersimpan). Sistem memori utama menyimpan program yang mengontrol operasinya, dan komputer dapat mengubah programnya sendiri untuk menambah atau mengurangi data lain yang ada di dalam memori.

• menjalankan instruksi secara berurutan. CPU menjalankan,atau setidaknya akan menjalankan,satu operasi dalam sekali waktu.

• mempunyai, atau paling tidak akan mempunyai, satu path antara sistem memori utama dan unit control CPU, hal ini biasanya dinamakan”von Neumann bottleneck.”

Cara Kerja Mesin Von Neumann

Kita dapat menganggap mesin Von Neumann sebagai komputer abstraksi yang menjalankan instruction, yaitu nilai dalam memori yang memberitahu computer mengenai operasi yang akan dijalankannya. Setiap instruksi mempunyai set instruction field (field instruksi), yang isinya memberikan detail tertentu untuk mengontrol unit, dan setiap instruksi mempunyai instruction format (format instruksi)-nya sendiri, yang merupakan cara penempatan field dalam memori. Instruction size (ukuran instruksi) adalah jumlah unit memori (biasanya diukur dalam byte) yang digunakan oleh instruksi. Untuk instruksi yang beroperasi pada data (contohnya instruksi aritmetik, logika, shift, karakter dan string), datanya merupakan operand bagi operasi, dan urutan item data tempat beroperasinya CPU adalah data stream. Instruction set dari computer adalah set instruksi yang dapat dijalankan oleh komputer. Setiap komputer mempunyai set instruksi sendiri. Setiap instruksi mempunyai operation code (op code), yaitu kode angka yang biasanya bisa dijumpai pada field pertama dari instruksi, yang memberitahu computer mengenai operasi yang akan dijalankannya. Field instruksi yang lain memberitahu komputer mengenai register yang akan digunakan, jumlah dan jenis data argumen, (misalnya, untuk operasi aritmetik dan logika), dan spesifikasi untuk alamat operand. Instruksi juga memberitahu komputer mengenai bit status prosesor yang akan diuji atau disusun dan mengenai apa yang harns dilakukan terhadapnya jika terjadi kesalahan. (Bit status prosesor, yang juga disebut flag, adalah register I-bit khusus yang ada dalam CPU). Program adalah urutan instruksi yang akan dijalankan komputer. Setiap instruksi mempunyai urutan logis dalam program, yang disebut logical address. Bila program berada dalam memori utama, maka setiap instruksi juga mempunyai physical address.

Keunggulan Von Neumann

• Mikroprosesor kecepatan telah meningkat dengan faktor 1000 +.
• Program lokalitas.
• Eksploitasi Program lokalitas melalui memori
• Mempunyai hirarki

Kekurangan Von Neumann

Ada kelemahan untuk desain Von Neumann. Selain hambatan Von Neumann dijelaskan di bawah ini, modifikasi program dapat cukup berbahaya, baik oleh kecelakaan atau desain. Dalam beberapa program yang disimpan desain sederhana komputer, sebuah program tidak berfungsi dapat merusak dirinya sendiri, program lain, atau sistem operasi mungkin mengarah kepada kerusakan computer, pelindung memori atau yang lainnya dari kontrol akses biasanya dapat melindungi terhadap kedua disengaja dan modifikasi program berbahaya.

Sumber