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 :
·
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.
2. Arsitektur RISC
A. 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.
·
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.
·
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.
·
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.
·
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.
·
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).
3. Arsitektur CISC
A. 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
1. 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.
2. 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
3. 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.
4. 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.
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.
http://sumberbelajarangga.wordpress.com/2012/12/10/arsitektur-komputer/ Di akses 10 Septembar 2014
Emoticon Emoticon