A.
PENGERTIAN ARSITEKTUR KOMPUTER
Arsitektur
komputer 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. 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 memori
cache, RAM, ROM, cakram keras, dll).
Di antara demikian banyak pemahaman tentang arsitektur,
arsitektur dikenal juga sebagai suatu tradisi yang berkembang. Dari waktu ke
waktu wajah arsitektur selalu mengalami perubahan. Hal-hal yang mempengaruhi
perkembangan dan pengembangan arsitektur tidak hanya berupa keadaan eksternal,
tetapi juga keadaan internal. Disini kita membahas mengenai evolusi arsitektur
pada komputer. Arsitektur dari komputer sendiri merupakan suatu susunan atau
rancangan dari komputer tersebut sehingga membentuk suatu kesatuan yang
dinamakan komputer. Komputer sendiri berevolusi dengan cepat mulai dari
generasi pertama hingga sekarang. Evolusi sendiri didasarkan pada fungsi atau
kegunaanya dalam kehidupan. Evolusi pada komputer sendiri ada karena keinginan
atau hal yang dibutuhkan manusia itu sendiri. Sekarang ini komputer sudah dapat
melakaukan perintah yang sulit sekalipun tidak seperti dulu yang hanya bisa
melakukan yang sederhana saja. Itulah yang dinamakan evolusi arsitektur yaitu
perubahan bentuk juga fungsi dan kemampuannya.
B.
KLASIFIKASI ARSITEKTUR KOMPUTER
1.
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 :
1.
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.
2.
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.
3.
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.
4.
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.
2.
Arsitektur RISC
- Pengertian RISC
RICS singkatan dari Reduced Instruction Set Computer.
Merupakan bagian dari arsitektur mikroprosessor, berbentuk kecil dan berfungsi
untuk negeset istruksi dalam komunikasi diantara arsitektur yang lainnya.
Reduced Instruction Set Computing (RISC) atau “Komputasi set instruksi yang
disederhanakan” pertama kali digagas oleh John Cocke, peneliti dari IBM di
Yorktown, New York pada tahun 1974 saat ia membuktikan bahwa sekitar 20%
instruksi pada sebuah prosesor ternyata menangani sekitar 80% dari keseluruhan
kerjanya. Komputer pertama yang menggunakan konsep RISC ini adalah IBM PC/XT
pada era 1980-an. Istilah RISC sendiri pertama kali dipopulerkan oleh David
Patterson,pengajar pada University of California di Berkely.
RISC, yang jika diterjemahkan berarti “Komputasi Kumpulan
Instruksi yang Disederhanakan”, merupakan sebuah arsitektur komputer atau
arsitektur komputasi modern dengan instruksi-instruksi dan jenis eksekusi yang
paling sederhana. Arsitektur ini digunakan pada komputer dengan kinerja tinggi,
seperti komputer vektor.
Selain digunakan dalam komputer vektor, desain ini juga
diimplementasikan pada prosesor komputer lain, seperti pada beberapa
mikroprosesor Intel 960, Itanium (IA64) dari Intel Corporation, Alpha AXP dari
DEC, R4x00 dari MIPS Corporation, PowerPC dan Arsitektur POWER dari
International Business Machine. Selain itu, RISC juga umum dipakai pada
Advanced RISC Machine (ARM) dan StrongARM (termasuk di antaranya adalah Intel
XScale), SPARC dan UltraSPARC dari Sun Microsystems, serta PA-RISC dari
Hewlett-Packard.
1.
Karakteristik RISC
·
Siklus mesin ditentukan oleh waktu
yang digunakan untuk mengambil dua buah operand dari register, melakukan
operasi ALU, dan menyimpan hasil operasinya kedalam register, dengan demikian
instruksi mesin RISC tidak boleh lebih kompleks dan harus dapat mengeksekusi
secepat mikroinstruksi pada mesin-mesin CISC
·
Operasi berbentuk dari register-ke
register yang hanya terdiri dari operasi load dan store yang mengakses memori .
Fitur rancangan ini menyederhanakan set instruksi sehingga menyederhanakan pula
unit control
·
Penggunaan mode pengalamatan
sederhana, hampir sama dengan instruksi menggunakan pengalamatan register.
·
Penggunaan format-format instruksi
sederhana, panjang instruksinya tetap dan disesuaikan dengan panjang word.
2.
Karakteristik-Karakteristik Eksekusi
Instruksi
Salah satu evolusi komputer yang besar adalah evolusi bahasa
pemprograman. Bahasa pemprograman memungkinkan programmer dapat mengekspresikan
algoritma lebih singkat, lebih memperhatikan rincian, dan mendukung penggunaan
pemprograman terstruktur, tetapi ternyata muncul masalah lain yaitu semantic
gap, yaitu perbedaan antara operasi-operasi yang disediakan oleh HLL dengan
yang disediakan oleh arsitektur komputer, ini ditandai dengan ketidakefisienan
eksekusi, program mesin yang berukuran besar,dan kompleksitas kompiler.
Untuk mengurangi kesenjangan ini para perancang menjawabnya
dengan arsitektur. Fitur-fiturnya meliputi set-set instruksi yang banyak,
lusinan mode pengalamatan, dan statemen –statemen HLL yang diimplementasikan
pada perangkat keras.
3.
Operasi
Beberapa
penelitian telah menganalisis tingkah laku program HLL (High Level Language).
Assignment Statement sangat menonjol yang menyatakan bahwa perpindahan
sederhana merupakan satu hal yang penting. Hasil penelitian ini merupakan hal
yang penting bagi perancang set instruksi mesin yang mengindikasikan jenis
instruksi mana yang sering terjadi karena harus didukung optimal.
4.
Operand
Penelitian Paterson telah memperhatikan [PATT82a] frekuensi
dinamik terjadinya kelaskelas variabel. Hasil yang konsisten diantara program
pascal dan C menunjukkan mayoritas referensi menunjuk ke variable scalar.
Penelitian ini telah menguji tingkah laku dinamik program HLL yang tidak
tergantung pada arsitektur tertentu. Penelitian [LUND77] menguji instruksi
DEC-10 dan secara dinamik menemukan setiap instruksi rata-rata mereferensi 0,5
operand dalam memori dan rata-rata mereferensi 1,4 register. Tentu saja angka
ini tergantung pada arsitektur dan kompiler namun sudah cukup menjelaskan
frekuensipengaksesan operand sehingga menyatakan pentingnya sebuah arsitektur.
5.
Procedure Calls
Dalam HLL procedure call dan return merupakan aspek penting
karena merupakan operasi yang membutuhkan banyak waktu dalam program yang
dikompalasi sehingga banyak berguna untuk memperhatikan cara implementasi
opperasi ini secara efisien. Adapun aspeknya yang penting adalah jumlah
parameter dan variabel yang berkaitan dengan prosedur dan kedalaman pensarangan
(nesting).
2.
Arsitektur
CISC
Pengertian
CISC
Complex instruction-set computing atau Complex
Instruction-Set Computer (CISC) “Kumpulan instruksi komputasi kompleks”) adalah
sebuah arsitektur dari set instruksi dimana setiap instruksi akan menjalankan
beberapa operasi tingkat rendah, seperti pengambilan dari memory, operasi
aritmetika, dan penyimpanan ke dalam memory, semuanya sekaligus hanya di dalam
sebuah instruksi. Karakteristik CISC dapat dikatakan bertolak-belakang dengan
RISC.
Sebelum proses RISC didesain untuk pertama kalinya, banyak
arsitek komputer mencoba menjembatani celah semantik”, yaitu bagaimana cara
untuk membuat set-set instruksi untuk mempermudah pemrograman level tinggi
dengan menyediakan instruksi “level tinggi” seperti pemanggilan procedure,
proses pengulangan dan mode-mode pengalamatan kompleks sehingga struktur data
dan akses array dapat dikombinasikan dengan sebuah instruksi. Karakteristik
CISC yg “sarat informasi” ini memberikan keuntungan di mana ukuran
program-program yang dihasilkan akan menjadi relatif lebih kecil, dan
penggunaan memory akan semakin berkurang. Karena CISC inilah biaya pembuatan
komputer pada saat itu (tahun 1960) menjadi jauh lebih hemat.
Memang setelah itu banyak desain yang memberikan hasil yang
lebih baik dengan biaya yang lebih rendah, dan juga mengakibatkan pemrograman
level tinggi menjadi lebih sederhana, tetapi pada kenyataannya tidaklah selalu
demikian. Contohnya, arsitektur kompleks yang didesain dengan kurang baik (yang
menggunakan kode-kode mikro untuk mengakses fungsi-fungsi hardware), akan
berada pada situasi di mana akan lebih mudah untuk meningkatkan performansi
dengan tidak menggunakan instruksi yang kompleks (seperti instruksi pemanggilan
procedure), tetapi dengan menggunakan urutan instruksi yang sederhana.
Istilah RISC dan CISC saat ini kurang dikenal, setelah
melihat perkembangan lebih lanjut dari desain dan implementasi baik CISC dan
CISC. Implementasi CISC paralel untuk pertama kalinya, seperti 486 dari Intel,
AMD, Cyrix, dan IBM telah mendukung setiap instruksi yang digunakan oleh
prosesor-prosesor sebelumnya, meskipun efisiensi tertingginya hanya saat
digunakan pada subset x86 yang sederhana (mirip dengan set instruksi RISC,
tetapi tanpa batasan penyimpanan/pengambilan data dari RISC). Prosesor-prosesor
modern x86 juga telah menyandikan dan membagi lebih banyak lagi
instruksi-instruksi kompleks menjadi beberapa “operasi-mikro” internal yang
lebih kecil sehingga dapat instruksi-instruksi tersebut dapat dilakukan secara
paralel, sehingga mencapai performansi tinggi pada subset instruksi yang lebih
besar.
Karakteristik
CISC
·
Sarat informasi memberikan
keuntungan di mana ukuran program-program yang dihasilkan akan menjadi relatif
lebih kecil, dan penggunaan memory akan semakin berkurang. Karena CISC inilah
biaya pembuatan komputer pada saat itu (tahun 1960) menjadi jauh lebih hemat
·
Dimaksudkan untuk meminimumkan
jumlah perintah yang diperlukan untuk mengerjakan pekerjaan yang diberikan.
(Jumlah perintah sedikit tetapi rumit) Konsep CISC menjadikan mesin mudah untuk
diprogram dalam bahasa rakitan
4.
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 menyediakanorganisasiinternal yang berbeda
sedemikian rupa instruksi dapat diambil dan dikodekan ketika dan data, tetapi
juga menyediakan organisasi internal yang berbeda sedemikian rupa
instruksi dapaLebih 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.t diambil dan dikodekan
ketika berbagai data sedang diambil dan dioperasikan. 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.
5.
Arsitektur Blue Gene
Blue Gene adalah sebuah arsitektur komputer yang dirancang
untuk menciptakan beberapa superkomputer generasi berikut, yang dirancang untuk
mencapai kecepatan operasi petaflop (1 peta = 10 pangkat 15), dan pada 2005
telah mencapai kecepatan lebih dari 100 teraflop (1 tera = 10 pangkat 12). Blue
Gene merupakan proyek antara Departemen Energi Amerika Serikat (yang membiayai
projek ini), industri (terutama IBM), dan kalangan akademi. Ada lima projek
Blue Gene dalam pengembangan saat ini, di antaranya adalah Blue Gene/L, Blue
Gene/C, dan Blue Gene/P.
Komputer pertama dalam seri Blue Gene. Blue Gene/L
dikembangkan melalui sebuah “partnership” dengan Lawrence Livermore National
Laboratory menghabiskan biaya AS$100 juta dan direncanakan dapat mencapai
kecepatan ratusan TFLOPS, dengan kecepatan puncak teoritis 360 TFLOPS. Ini
hampir sepuluh kali lebih cepat dari Earth Simulator, superkomputer tercepat di
dunia sebelum Blue Gene. Pada Juni 2004, dua prototipe Blue Gene/L masuk dalam
peringkat 500 besar superkomputer berada dalam posisi ke-4 dan ke-8.
Pada 29 September 2004 IBM mengumumkan bahwa sebuah
prototipe Blue Gene/L di IBM Rochester (Minnesota) telah menyusul Earth
Simulator NEC sebagai komputer tercepat di dunia, dengan kecepatan 36,01
TFLOPS, mengalahkan Earth Simulator yang memiliki kecepatan 35,86 TFLOPS. Mesin
ini kemudian mencapai kecepatan 70,72.
Pada 24 Maret 2005, Departemen Energi AS mengumumkan bahwa
Blue Gene/L memecahkan rekor komputer tercepat mencapai 135,5 TFLOPS. Hal ini
dimungkinkan karena menambah jumlah rak menjadi 32 dengan setiap rak berisi
1.024 node komputasi. Ini masih merupakan setengah dari konfigurasi final yang
direncanakan mencapai 65.536 node.
Pada 27 Oktober, 2005, Lawrence Livermore National
Laboratory dan IBM mengumumkan bahwa Blue Gene/L sekali lagi telah menciptakan
rekor dengan mengalahkan rekornya sendiri setelah mencapai kecepatan 280.6
TFLOPS.
C. MODEL-MODEL KOMPUTASI
ARSITEKTUR KOMPUTER
SISD
Yang
merupakan singkatan dari Single Instruction, Single Data adalah satu-satunya
yang menggunakan arsitektur Von Neumann. Ini dikarenakan pada model ini hanya
digunakan 1 processor saja. Oleh karena itu model ini bisa dikatakan sebagai
model untuk komputasi tunggal. Sedangkan ketiga model lainnya merupakan
komputasi paralel yang menggunakan beberapa processor. Beberapa contoh komputer
yang menggunakan model SISD adalah UNIVAC1, IBM 360, CDC 7600, Cray 1 dan PDP
1.
SIMD
Yang
merupakan singkatan dari Single Instruction, Multiple Data. SIMD menggunakan
banyak processor dengan instruksi yang sama, namun setiap processor mengolah
data yang berbeda. Sebagai contoh kita ingin mencari angka 27 pada deretan
angka yang terdiri dari 100 angka, dan kita menggunakan 5 processor. Pada
setiap processor kita menggunakan algoritma atau perintah yang sama, namun data
yang diproses berbeda. Misalnya processor 1 mengolah data dari deretan / urutan
pertama hingga urutan ke 20, processor 2 mengolah data dari urutan 21 sampai
urutan 40, begitu pun untuk processor-processor yang lain. Beberapa contoh
komputer yang menggunakan model SIMD adalah ILLIAC IV, MasPar, Cray X-MP, Cray
Y-MP, Thingking Machine CM-2 dan Cell Processor (GPU
MISD
Yang
merupakan singkatan dari Multiple Instruction, Single Data. MISD menggunakan
banyak processor dengan setiap processor menggunakan instruksi yang berbeda
namun mengolah data yang sama. Hal ini merupakan kebalikan dari model SIMD.
Untuk contoh, kita bisa menggunakan kasus yang sama pada contoh model SIMD
namun cara penyelesaian yang berbeda. Pada MISD jika pada komputer pertama,
kedua, ketiga, keempat dan kelima sama-sama mengolah data dari urutan 1-100,
namun algoritma yang digunakan untuk teknik pencariannya berbeda di setiap
processor. Sampai saat ini belum ada komputer yang menggunakan model MISD.
MIMD
Yang
merupakan singkatan dari Multiple Instruction, Multiple Data. MIMD menggunakan
banyak processor dengan setiap processor memiliki instruksi yang berbeda dan mengolah
data yang berbeda. Namun banyak komputer yang menggunakan model MIMD juga
memasukkan komponen untuk model SIMD. Beberapa komputer yang menggunakan model
MIMD adalah IBM POWER5, HP/Compaq AlphaServer, Intel IA32, AMD Opteron, Cray
XT3 dan IBM BG/L.
Singkatnya
untuk perbedaan antara komputasi tunggal dengan komputasi paralel, bisa
digambarkan pada gambar di bawah ini:
Gambar
1 : Penyelesaian Sebuah Masalah pada Komputasi Tunggal
Dari
perbedaan kedua gambar di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa kinerja komputasi
paralel lebih efektif dan dapat menghemat waktu untuk pemrosesan data yang
banyak daripada komputasi tunggal.
Dari
penjelasan-penjelasan di atas, kita bisa mendapatkan jawaban mengapa dan kapan
kita perlu menggunakan komputasi paralel. Jawabannya adalah karena komputasi
paralel jauh lebih menghemat waktu dan sangat efektif ketika kita harus
mengolah data dalam jumlah yang besar. Namun keefektifan akan hilang ketika
kita hanya mengolah data dalam jumlah yang kecil, karena data dengan jumlah
kecil atau sedikit lebih efektif jika kita menggunakan komputasi tunggal.
Sumber :
Tidak ada komentar:
Posting Komentar