Pengantar Organisasi Komputer

Mari kita bahas tentang struktur dan fungsi komputer. Setelah mempelajari  diharapkan dapat memahami sifat dan karakteristik sistem-sistem komputer yang berkembang saat ini. Tantangan yang dihadapi adalah adanya bermacam-macam komputer dan perkembangan  yang  pesat  dibidang  komputer,  namun   demikian  konsep  dasar  organisasi  komputer  telah digunakan secara konsisten secara  menyeluruh. Buku ini bermaksud untuk memberikan bahasan lengkap dan mudah tentang dasar-dasar organisasi komputer.

 

Komputer

Komputer adalah sebuah mesin hitung elektronik yang secara cepat menerima informasi masukan digital dan mengolah informasi tersebut menurut seperangkat instruksi yang tersimpan  dalam komputer tersebut dan menghasilkan keluaran informasi yang dihasilkan setelah diolah.  Daftar perintah tersebut dinamakan program komputer dan unit penyimpanannya adalah memori komputer. Dalam bentuk yang paling sederhana komputer terdiri dari lima bagian utama yang mempunyai fungsi sendiri-sendiri.

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.

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.

perbedaan utama

• Organisasi Komputer

Bagian yang terkait erat dengan unit-unit operasional

Contoh: teknologi hardware, perangkat antarmuka, teknologi memori, sistem memori, dan sinyal-sinyal kontrol

• Arsitektur Komputer

atribut-atribut sistem komputer yang terkait dengan seorang programmer

Contoh: set instruksi, aritmetika yang digunakan, teknik pengalamatan, mekanisme I/O

 

Struktur dan fungsi utama komputer

Komputer adalah sebuah sistem yang berinteraksi dengan cara tertentu dengan dunia luar. Interaksi dengan dunia luar dilakukan melalui perangkat peripheral dan saluran komunikasi. Dalam buku ini akan banyak dikaji seputar struktur internal komputer. Perhatikan gambar 1.2, terdapat empat struktur utama:

• Central Processing Unit  (CPU), berfungsi sebagai pengontrol operasi komputer dan pusat pengolahan fungsi - fungsi komputer. Kesepakatan, CPU cukup disebut sebagai processor (prosesor) saja.


• Memori Utama, berfungsi sebagai penyimpan data.


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


• System Interconnection, merupakan sistem yang menghubungkan CPU, memori utama dan I/O.

EVOLUASI DAN KINERJA KOMPUTER

Dalam bab ini mula-mula akan dibahas tentang sejarah singkat komputer karena beberapa diantaranya merupakan dasar dari perkembangan komputer saat ini. Kemudian dibahas mengenai bermacam-macam   teknik  dan  strategi   yang  digunakan  untuk mencapai  unjuk  kerja  yang seimbang dan efisien. Terakhir akan dibahas evolusi dua system yang sangat penting pada komputer saat ini yaitu Pentium dan PowerPC.

1. Sejarah Singkat Komputer


2. Generasi Pertama : Tabung Vakum (1945 - 1955) ENIAC

ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), pada tahun 1946 dirancang dan dibuat oleh John Mauchly dan John Presper Eckert di Universitas Pennsylvania merupakan komputer digital elektronik untuk kebutuhan umum pertama di dunia. ENIAC dibuat di bawah lembaga Army’s Ballistics Research Laboratory (BRL). Sebuah badan yang bertanggung jawab dalam pembuatan jarak dan tabel lintasan peluru kendali senjata baru. Sebelumnya tugas ini dilakukan oleh kurang lebih 200 personil dengan menggunakan kalkulator untuk menyelesaikan persamaan matematis peluru kendali yang memakan waktu lama.

ENIAC mempunyai berat 30 ton, bervolume 15.000 kaki persegi, dan berisi lebih dari  18.000  tabung  vakum.  Daya listrik  yang  dibutuhkan  sebesar   140  KW.  Kecepatan  operasi mencapai        5.000  operasi  penambahan  per  detik.  ENIAC masih  merupakan  mesin  desimal, representasi data bilangan dalam bentuk desimal dan arimetiknya dibuat dalam bentuk desimal. Memorinya  terdiri  atas 20  akumulator,  yang  masing -  masing  akumulatornya  mampu menampung 10 digit desimal. Setiap digit direpresentasikan oleh cincin yang terdiri atas 10 buah tabung  vakum.  Kekurangan  utama  mesin  ini  adalah  masih manual  pemrogramannya,  yaitu dengan menyetel switch  - switch, memasang dan menanggalkan kabel  - kabelnya. ENIACselesai pada tahun 1946 sejak proposal diajukan tahun 1943, sehingga tahun 1946 merupakan gerbang bagi zaman baru komputer elektronik.

1. Generasi Kedua : Transistor (1955 - 1965)

Sejak  pesatnya  teknologi  semikonduktor  hingga  menghasilkan  komponen  transistor membawa perubahan besar pada dunia komputer. Komputer era ini tidak lagi menggunakan tabung  vakum  yang   memerlukan   daya  operasional   besar,  tabung  - tabung  itu  digantikan  komponen kecil bernama transistor. Konsumsi daya listrik amat kecil dan bentuknyapun relatif kecil.

Transistor ditemukan di Bell Labs pada tahun 1947 dan tahun 1950 telah meluncurkan revolusi  elektronika   modern. IBM  sebagai  perusahaan  pertama  yang  meluncurkan  produk komputer dengan transistor sehingga tetap mendominasi pangsa pasar komputer. NCR dan RCA adalah perusahaan yang mengembangkan komputer berukuran kecil saat itu, kemudian diikutiIBM dengan mengeluarkan seri 7000-nya.

Dengan adanya transistor membuat hardware komputer saat itu makin cepat prosesnya, lihat Tabel 2.1. Memori makin besar kapasitasnya namun makin kecil bentuknya. Generasi dua ini juga terdapat perubahan perkembangan pada ALU yang makin kompleks, lahirnya bahasa pemrograman tingkat tinggi maupun tersedianya software sistem operasi.

Generasi kedua juga ditandai munculnya Digital Equipment Corporation (DEC) tahun 1957 dan meluncurkan komputer pertamanya, yaitu PDP 1. Komputer ini sangat penting bagi perkembangan komputer generasi ketiga.

 

1. Generasi Ketiga : Integrated Circuits (1965 - 1980)

Pada tahun  1958 terjadi revolusi elektronika kembali, yaitu ditemukannya integrated circuit (IC) yang merupakan penggabungan komponen  - komponen elektronika dalam suatu paket. Dengan ditemukan IC ini semakin mempercepat proses komputer, kapasitas memori makin besar dan bentuknya semakin kecil.

IBM System/360

Tahun 1964 dikeluarkan IBM System/360 yang telah menggunakan teknologi IC. Dalam satu dekade IBM menguasai 70% pasaran komputer.

Sistem  360 merupakan kelompok komputer pertama yang terencana. Banyak model dalam arsitektur 360 ini dan saling kompatibel. Hal ini sangat menguntungkan konsumen, karena konsumen dapat menyesuaikan dengan kebutuhan maupun harganya. Pengembangan (upgrading) dimungkinkan dalam komputer ini. Karakteristik komputer kelompok ini adalah :

• Set  Instruksi  Mirip  atau  Identik,  dalam  kelompok  komputer  ini  berbagai  model  yang dikeluarkan menggunakan set instruksi yang sama sehingga mendukung kompabilitas sistem maupun perangkat kerasnya.


•  Sistem Operasi Mirip atau Identik, ini merupakan feature yang menguntungkan konsumen sehingga apabila kebutuhan menuntut penggantian komputer tidak kesulitan dalam sistem operasinya karena sama.


• Kecepatan yang meningkat, model  - model yang ditawarkan mulai dari kecepatan rendah sampai kecepatan tinggi untuk penggunaan yang dapat disesuaikan konsumen sendiri.


• Ukuran Memori yang lebih besar, semakin tinggi modelnya akan diperoleh semakin besar memori yang digunakan.


• Harga yang meningkat, semakin tinggi modelnya maka harganya semakin mahal.

1. Generasi Keempat : Very Large Scale Integration (1980 - ????)

Era keempat perkembangan genarasi komputer ditandai adanya VLSI. Paket VLSI dapat menampung 10.000 komponen lebih per kepingnya dengan kecepatan operasi mencapai 100juta operasi  per  detiknya.  Gambar 2.7  mengilustrasikan perkembangan  mikroprosesor  Pentium terhadap jumlah transistor per kepingnya.

 

Masa - masa ini diawali peluncuran mikroprosesor Intel seri 4004. Mikroprosesor 4004 dapat menambahkan dua bilangan 4 bit dan hanya dapat mengalikan dengan cara pengulangan penambahan.  Memang   masih  primitif,  namun  mikroprosesor  ini tonggak  perkembangan mikroprosesor -  mikroprosesor  canggih  saat  ini.  Tidak  ada  ukuran  pasti  dalam   melihatmikroprosesor, namun ukuran terbaik adalah lebar bus data : jumlah bit data yang dapat dikirim -diterima mikroprosesor. Ukuran lain adalah jumlah bit dalam register.

Tahun 1972  diperkenalkan dengan mikroprosesor 8008 yang merupakan mikroprosesor 8 bit.   Mikroprosesor  ini  lebih kompleks  instruksinya  tetapi  lebih  cepat  prosesnya  dari pendahulunya. Kemudian Bells dan HP menciptakan mikroprosesor 32 bit pada 1981, sedangkan Intel baru mengeluarkan tahun 1985 dengan mikroprosesor 80386.

 

1. UNIK MASUKAN DAN KELUARAN

Sistem komputer memiliki tiga komponen utama, yaitu  : CPU, memori  (primer dan sekunder), dan peralatan masukan/keluaran  (I/O devices) seperti printer, monitor, keyboard, mouse, dan modem. Beberapa bab sebelumnya telah membahas CPU dan memori, sekarang akan kita jelaskan tentang peralatan atau modul I/O pada bab ini.

Modul I/O merupakan peralatan antarmuka (interface) bagi sistem bus atau switch sentral dan mengontrol satu atau lebih perangkat peripheral. Modul I/O tidak hanya sekedar modul penghubung, tetapi sebuah piranti yang berisi logika dalam melakukan fungsi komunikasi antara peripheral dan bus komputer.

Ada beberapa alasan kenapa piranti - piranti tidak langsung dihubungkan dengan bus sistem komputer, yaitu :

• Bervariasinya metode operasi piranti peripheral, sehingga tidak praktis apabila sistem komputer herus menangani berbagai macam sisem operasi piranti peripheral tersebut.


• Kecepatan transfer data piranti peripheral umumnya lebih lambat dari pada laju transfer data pada CPU maupun memori.


• Format data dan panjang data pada piranti peripheral seringkali berbeda dengan CPU, sehingga perlu modul untuk menselaraskannya.

Dari beberapa alasan diatas, modul I/O memiliki dua buah fungsi utama, yaitu :

ü Sebagai piranti antarmuka ke CPU dan memori melalui bus sistem.

ü Sebagai piranti antarmuka dengan peralatan peripheral lainnya dengan menggunakan link data terten tu.

1.  Sistem Masukan & Keluaran Komputer

Bagaimana  modul  I/O  dapat  menjalankan  tugasnya,  yaitu  menjembatani  CPU  dan memori dengan dunia luar merupakan hal yang terpenting untuk kita ketahui. Inti mempelajari sistem I/O suatu komputer adalah mengetahui fungsi dan struktur modul I/O.

2.  Fungsi Modul I/O

Modul I/O adalah suatu komponen dalam sistem komputer yang bertanggung jawab atas pengontrolan sebuah perangkat luar atau lebih dan bertanggung jawab pula dalam pertukaran data antara perangkat luar tersebut dengan memori utama ataupun dengan register - register CPU. Dalam mewujudkan hal ini, diperlukan antarmuka internal dengan komputer (CPU dan memori utama) dan  antarmuka  dengan  perangkat  eksternalnya  untuk  menjalankan  fungsi -  fungsi pengontrolan.

Fungsi dalam menjalankan tugas bagi modul I/O dapat dibagi menjadi beberapa katagori, yaitu:

• Kontrol dan pewaktuan.


• Komunikasi CPU.


• Komunikasi perangkat eksternal.


• Pem-buffer-an data.


• Deteksi kesalahan.

Fungsi kontrol dan pewaktuan (control & timing) merupakan hal yang penting untuk mensinkronkan kerja masing - masing komponen penyusun komputer. Dalam sekali waktu CPU berkomunikasi dengan satu atau lebih perangkat dengan pola tidak menentu dan kecepatan transfer komunikasi data yang beragam, baik dengan perangkat internal seperti register - register, memori utama, memori sekunder, perangkat peripheral. Proses tersebut bisa berjalan apabila ada fungsi  kontrol  dan  pewaktuan  yang mengatur  sistem  secara  keseluruhan.  Contoh  kontrol pemindahan data dari peripheral ke CPU melalui sebuah modul I/O dapat meliputi langkah -langkah berikut ini :

1.  Permintaan dan pemeriksaan status perangkat dari CPU ke modul I/O.


2.   Modul I/O memberi jawaban atas permintaan CPU.


3.  Apabila  perangkat  eksternal  telah  siap  untuk  transfer  data,  maka  CPU  akan mengirimkan perintah ke modul I/O.


4. Modul I/O akan menerima paket data dengan panjang tertentu dari peripheral.


5. Selanjutnya data dikirim ke CPU setelah diadakan sinkronisasi panjang data dan kecepatan transfer oleh modul I/O sehingga paket - paket data dapat diterima CPU dengan baik.

Transfer data tidak akan lepas dari penggunaan sistem bus, maka interaksi CPU dan modul I/O akan melibatkan kontrol dan pewaktuan sebuah arbitrasi bus atau lebih.
Adapun fungsi komunikasi antara CPU dan modul I/O meliputi proses - proses berikut

• Command Decoding, yaitu modul I/O menerima perintah - perintah dari CPU yang dikirimkan sebagai sinyal bagi bus kontrol. Misalnya, sebuah modul I/O untuk disk dapat menerima perintah: Read sector, Scan record ID, Format disk.


• Data, pertukaran data antara CPU dan modul I/O melalui bus data.


• Status  Reporting,  yaitu  pelaporan  kondisi  status  modul  I/O  maupun  perangkat peripheral, umumnya berupa status kondisi Busy atau Ready. Juga status bermacam -
  macam kondisi kesalahan (error).


• Address  Recognition,  bahwa  peralatan  atau  komponen  penyusun  komputer  dapat
  dihubungi atau dipanggil maka harus memiliki alamat yang unik, begitu pula pada
  perangkat peripheral, sehingga setiap modul I/O harus mengetahui alamat peripheral yang dikontrolnya.

Pada sisi modul I/O ke perangkat peripheral juga terdapat komunikasi yang  meliputi komunikasi data, kontrol maupun status. Perhatikan gambar 6.2 berikut.

1. MEMORI

Memori  adalah  bagian  dari  komputer  tempat  program  -  program dan  data-data disimpan. Bebarapa pakar komputer (terutama dari Inggris) menggunakan istilah store atau storage untuk memori, meskipun kata storage sering digunakan untuk menunjuk ke penyimpanan disket. Tanpa sebuah memori sebagai tempat untuk mendapatkan informasi guna dibaca dan ditulis  oleh prosesor  maka  tidak  akan  ada  komputer -  komputer  digital  dengan  sistem penyimpanan program.

Walaupun  konsepnya  sederhana,  memori  komputer  memiliki  aneka  ragam  jenis, teknologi, organisasi, unjuk kerja dan harganya. Dalam bab ini akan  dibahas mengenai memori internal  dan  bab  selanjutnya  membahas  memori   eksternal.

Perlu dijelaskan  sebelumnya perbedaan keduanya yang sebenarnya fungsinya sama untuk penyimpanan program maupun data. Memori internal adalah memori yang dapat diakses langsung oleh prosesor. Sebenarnya terdapat beberapa macam memori internal, yaitu register yang terdapat di dalam prosesor, cache memori dan memori utama berada di luar prosesor. Sedangkan memori eksternal adalah memori yang diakses prosesor melalui piranti I/O, seperti disket dan hardisk.

 

1. Operasi sel memori

Elemen dasar memori adalah sel memori. Walaupun digunakan digunakan sejumlah teknologi elektronik, seluruh sel memori memiliki sifat - sifat tertentu :

• Sel  memori  memiliki dua keadaan stabil  (atau semi-stabil), yang dapat digunakan untuk merepresentasikan bilangan biner 1 atau 0.


• Sel memori mempunyai kemampuan untuk ditulisi (sedikitnya satu kali).


• Sel memori mempunyai kemampuan untuk dibaca.

2. Memori Utama Semikonduktor

Pada komputer lama, bentuk umum random access memory untuk memori utama adalah sebuah  piringan  ferromagnetik berlubang  yang  dikenal  sebagai  core,  istilah  yang  tetap dipertahankan hingga saat ini.

3. Jenis Memori Random Akses

Semua jenis memori yang dibahas pada bagian ini adalah berjenis random akses, yaitu data secara langsung diakses melalui logik pengalamatan wired-in. Tabel 4.4 adalah daftar jenis memori semikonduktor utama. Hal  yang  membedakan  karakteristik RAM    (Random  Access  Memory)  adalah dimungkinkannya pembacaan dan penulisan data ke memori secara cepat dan mudah. Aspek lain adalah RAM bersifat volatile, sehingga RAM hanya menyimpan data sementara. Teknologi yang berkembang saat ini adalah statik dan dinamik. RAM dinamik disusun oleh sel  - sel yang menyimpan data sebagai muatan listrik pada kapasitor. Karena kapasitor memiliki kecenderungan alami untuk mengosongkan muatan, maka RAM dinamik memerlukan pengisian muatan listriksecara periodik untuk memelihara penyimpanan data. Pada RAM statik, nilai biner disimpan dengan menggunakan konfigurasi gate logika flipflop tradisional. RAM statik akan menyimpan data selama ada daya listriknya.

RAM statik maupun dinamik adalah volatile, tetapi RAM dinamik lebih sederhana dan rapat sehingga lebih murah. RAM dinamik lebih cocok untuk kapasitas memori besar, namun RAM statik umumnya lebih cepat.  Read only memory (ROM) sangat berbeda dengan RAM, seperti namanya, ROM berisi pola  data  permanen  yang  tidak  dapat  diubah.  Data  yang  tidak  bisa diubah  menimbulkan keuntungan dan juga kerugian. Keuntungannya  untuk data yang permanen dan sering digunakan pada  sistem operasi  maupun  sistem   perangkat  keras  akan  aman  diletakkan  dalam  ROM.

Kerugiaannya apabila ada kesalahan data atau adanya perubahan data sehingga perlu penyisipan -penyisipan. Kerugian tersebut bisa diantisipasi dengan jenis programmable ROM, disingkat PROM. ROM dan PROM bersifat non-volatile. Proses penulisan PROm secara elektris dengan peralatan khusus.

Variasi ROM lainnya adalah read mostly memory, yang sangat berguna untuk aplikasi operasi pembacaan jauh lebih sering daripada operasi penulisan. Terdapat tiga macam jenis, yaitu: EPROM, EEPROM dan flash memory.

EEPROM (electrically erasable programmable read only memory) merupakan memori yang dapat ditulisi kapan saja tanpa menghapus isi sebelumnya. EEPROM menggabungkan kelebihan non-volatile dengan fleksibilitas dapat di-update.

Bentuk memori semikonduktor terbaru adalah flash memory. Memori ini dikenalkan tahun 1980-an  dengan  keunggulan pada  kecepatan  penulisan  programnya.  Flash  memory  menggunakan  teknologi  penghapusan  dan penulisan elektrik. Seperti halnya EPROM, flash

4. Cache Memori

Cache memori difungsikan mempercepat kerja memori sehingga mendekati kecepatan prosesor. Konsepnya dijelaskan pada gambar 4.6 dan gambar 4.7. Dalam organisasi komputer, memori utama lebih besar kapasitasnya namun lambat operasinya, sedangkan cache memori berukuran kecil namun lebih cepat. Cache memori berisi salinan memori utama.

Pada saat CPU membaca sebuah word memori, maka dilakukan pemeriksaan untuk mengetahui apakah word tersebut berada dalam cache memori. Bila ada dalam cache memori maka dilakukan pengiriman ke CPU, bila tidak dijumpai maka dicari dalam memori utama,selanjutnya blok yang berisi sejumlah word tersebut dikirim ke cache memori dan word yang diminta CPU dikirimkan ke CPU dari cache memori. Karena fenomena lokalitas referensi, ketika
blok data diberikan ke dalam cache memori, terdapat kemungkinan bahwa word-word berikutnya yang berada dalam satu blok akan diakses oleh CPU. Konsep ini yang menjadikan kinerja memori lebih baik.

5. Kapasitas Cache

Menentukan  ukuran  memori  cache  sangatlah  penting  untuk  mendongkrak  kinerja komputer. Dari segi harga cache sangatlah mahal tidak seperti memori utama. Semakin besar kapasitas cache tidak berarti semakin cepat prosesnya, dengan ukuran besar akan terlalu banya gate pengalamatannya sehingga akan memperlambat proses. Kita  bisa  melihat  beberapa  merek prosesor  di  pasaran beberapa  waktu  lalu.  AMD mengeluarkan prosesor K5 dan K6 dengan cache yang besar (1MB) tetapi kinerjanya tidak bagus. Kemudian Intel pernah mengeluarkan prosesor tanpa cache untuk alasan harga yang murah, yaitu seri Intel Celeron pada tahun 1998-an hasil kinerjanya sangat buruk terutama untuk operasi data besar, floating point, 3D. Intel Celeron versi berikutnya sudah ditambah cache sekitar 128KB.

Lalu berapa idealnya kapasitas cache? Sejumlah penelitian telah menganjurkan bahwa ukuran cache antara 1KB dan 512KB akan lebih optimum [STA96].

1. SISTEM BILANGAN

Sistem Bilangan atau Number System adalah Suatu cara untuk mewakili besaran dari suatu item fisik. Sistem Bilangan menggunakan suatu bilangan dasar atau basis (base / radix) yang tertentu. Dalam hubungannya dengan komputer, ada 4 Jenis Sistem Bilangan yang dikenal yaitu :

• Desimal (Basis 10),


•  Biner (Basis 2),


•  Oktal (Basis 8)


•  Hexadesimal (Basis 16). Berikut penjelesan mengenai 4 Sistem Bilangan ini