ARSITEKTUR DAN

FUNGSI CPU

OLEH:

Nama : Abdul Hayyi Muslim

Semester : II

NPM : 14610056

Jurusan/Prodi : Pendidikan Informatika

STKIP HAMZANWADI SELONG

PRODI PENDIDIKAN INFORMATIKA

2014

A. STRUKTUR DASAR CPU

1. Komponen Utama CPU

CPU merupakan komponen terpenting dari sistem komputer.

CPU adalah komponen pengolah data berdasarkan instruksi –

instruksi yang diberikan kepadanya.

Dalam mewujudkan fungsi dan tugasnya, CPU tersusun atas

beberapa komponen sebagai bagian dari struktur CPU,

seperti terlihat pada gambar 1.1 dan struktur detail

internal CPU terlihat pada gambar 1.2. CPU tersusun atas

beberapa komponen, yaitu :

Arithmetic and Logic Unit (ALU), bertugas membentuk fungsi –

fungsi pengolahan data komputer. ALU sering disebut mesin

bahasa (machine language) karena bagian ini mengerjakan

instruksi – instruksi bahasa mesin yang diberikan

padanya. Seperti istilahnya, ALU terdiri dari dua bagian,

yaitu unit arithmetika dan unit logika boolean, yang

masing – masing memiliki spesifikasi tugas tersendiri.

Control Unit, bertugas mengontrol operasi CPU dan secara

keselurahan mengontrol computer sehingga terjadi

sinkronisasi kerja antar komponen dalam menjalankan

fungsi – fungsi operasinya. Termasuk dalam tanggung jawab

unit kontrol adalah mengambil instruksi – instruksi dari

memori utama dan menentukan jenis instruksi tersebut.

Registers, adalah media penyimpan internal CPU yang

digunakan saat proses pengolahan data. Memori ini

bersifat sementara, biasanya digunakan untuk menyimpan

data saat diolah ataupun data untuk pengolahan

selanjutnya.

CPU Interconnections, adalah sistem koneksi dan bus yang

menghubungkan komponen internal CPU, yaitu ALU, unit

kontrol dan register – register dan juga dengan bus – bus

eksternal CPU yang menghubungkan dengan sistem lainnya,

seperti memori utama, piranti masukan/keluaran.

Struktur Detail Internal CPU

2. Fungsi CPU

CPU memiliki fungsi untuk menjalankan Program-

program yang disimpan dalam memori utama dengan cara

mengambil instruksi-instruksi, menguji instruksi tersebut

dan mengeksekusinya satu persatu sesuai alur perintah.

Pandangan paling sederhana proses eksekusi program

adalah dengan mengambil pengolahan instruksi atau sering

disebut juga dengan siklus instruksi.

Siklus Intruksi

Siklus intruksi memiliki sifat-sifat tertentu yaitu

sekali instruksi telah diambil, maka operand specifiernya

harus diidentifikasikan yang kemudian seluruh operand

input yang berada di dalam memori akan diambil, dan

proses ini mungkin memerlukan pengalamatan tak langsung.

Dalam siklus intruksi operand berbasis register tidak

perlu diambil, dan apabila opcode telah dieksekusi maka

proses yang sama akan diperlukan untuk menyimpan hasilnya

di dalam memori. Di dalam siklus intruksi terdapat

beberapa bagian yaitu :

Fetch, merupakan siklus pembacaan instruksi berikutnya

dari memori kedalam CPU. Dalam arti kata, fetch memiliki

arti mengambil, jadi fetch merupakan pengambilan

instruksi yang akan dieksekusi.

Execute, yaitu menginterpretasi opcode dan melakukan

operasi yang diindikasikan

Interrupt, yaitu apabila bagian ini diaktifkan dan

interrupt telah terjadi, simpan status proses saat itu

dan layani interrupsi.

Siklus tidak langsung, merupakan sebuah instruksi yang

melibatkan sebuah operand atau lebih di dalam memori,

yang masing-masing operand memerlukan akses memori.

Pengambilan alamat-alamat tak langsung dapat dianggap

sebagai sebuah subsiklus intruksi atau lebih.

Strategi Pipelining

Strategi pipelining merupakan proses pengambilan dan

pengeksekusian instruksi secara parallel. Pada strategi

pipelining input baru akan diterima pada sebuah sisi

sebelum input yang diterima sebelumnya keluar sebagai

output di sisi lainnya. Pipelining ini mirip dengan

penggunaan rangkaian perakitan pada pabrik. Rangkaain

perakitan ini memanfaatkan kelebihan yang didapat dari

fakta bahwa suatu produk diperoleh dengan melalui

berbagai tahapan produksi, dengan menaruh proses produksi

diluar rangkaian perakitan, maka produk yang berada di

berbagai tahapan dapat bekerja secara bersamaan.

B. SET INSTRUKSI

Set Instruksi (bahasa Inggris: Instruction Set, atau

Instruction Set Architecture (ISA)) didefinisikan sebagai

suatu aspek dalam arsitektur komputer yang dapat dilihat

oleh para pemrogram. Secara umum, ISA ini mencakup jenis

data yang didukung, jenis instruksi yang dipakai, jenis

register, mode pengalamatan, arsitektur memori,

penanganan interupsi, eksepsi, dan operasi I/O

eksternalnya (jika ada).

ISA merupakan sebuah spesifikasi dari kumpulan semua

kode-kode biner (opcode) yang diimplementasikan dalam

bentuk aslinya (native form) dalam sebuah desain prosesor

tertentu. Kumpulan opcode tersebut, umumnya disebut

sebagai bahasa mesin (machine language) untuk ISA yang

bersangkutan. ISA yang populer digunakan adalah set

instruksi untuk chip Intel x86, IA-64, IBM PowerPC,

Motorola 68000, Sun SPARC, DEC Alpha, dan lain-lain.

Karakteristik Mesin Instruksi

Elemen-elemen instruksi mesin

o Operation Code (OP Code) yaitu kode operasi

berbentuk kode biner

o Source Operand Reference yaitu operand adalah input

operasi

o Result Operand Reference yaitu merupakan hasil atau

keluaran operasi

o Next Instruktion Reference elemen ini

menginformasikan CPU posisi instruksi berikutnya

yang harus diambil dan dieksekusi.

Operand dari suatu system operasi dapat berada pada:

Memori Utama atau memori virtual

Register CPU

Perangkat I/O

Format Instruksi

Op

Code

Alamat

Kode Operasi (Op Code) direpresentasikan dengan

singkatan-singkatan yang disebut mnemonic.

Contoh Mnemonic

o ADD = Penambahan

o SUBB = Pengurangan

o LOAD = Muatkan data ke memori

Contoh Instruksi dengan 2 dan 3 alamat

Operasi Set Instruksi Secara Umum

C. MODE PENGALAMATAN

Suatu variasi mode pengalamatan (addressing mode)

dapat digunakan untuk menentukan suatu alamat tempat

untuk dimana operand akan di fetch. Beberapa teknik ini

dapat meningkatkan kecepatan pelaksanaan instruksi dengan

menurunkan jumlah referensi pada memori utama dan

meningkatkan jumlah referensi pada register kecepatan

tinggi. Mode pengalamatan ini menjabarkan suatu aturan

untuk menginterpretasikan atau memodifikasi field alamat

dari instruksi sebelum operand direferensikan.

Beberapa mode pangalamatan umum diantaranya adalah :

*OPR mewakili sebuah register untuk menyimpan operand

yang akan digunakan sewaktu instruksi dijalankan.

D. DUKUNGAN SISTEM OPERASI

Pengertian Sistem Operasi

Dalam Ilmu komputer, Sistem operasi atau dalam

bahasa Inggris: operating system atau OS adalah perangkat

lunak sistem yang bertugas untuk melakukan kontrol

eksekusi program aplikasi dan manajemen perangkat keras

serta operasi-operasi dasar sistem, termasuk menjalankan

software aplikasi seperti program-program pengolah kata

dan browser web.

Sistem Operasi juga bertindak sebagai antar-muka

antara pengguna dengan perangkat keras komputer. Sistem

Operasi mengandung sejumlah program, dan beberapa program

tergolong sebagai utilitas. Kumpulan program ini

menyediakan layanan kontrol terhadap sumber daya

komputer.Secara khusus, sistem operasi menangani kontrol

dan penggunaan sumber daya perangkat keras, seperi disc-

room, memory, processor, dan perangkat tambahan lain,

seperti mouse, printer, dan lain-lain.

Sejarah Sistem Operasi

Perkembangan sistem operasi dipengaruhi oleh

perkembangan hardware. Sistem operasi mulai dikembangkan

sejak ±40 tahun lalu, yaitu:

Generasi ke-nol (1940).

Generasi pertama (1950).

Generasi kedua (1960).

Generasi ketiga (1970)

Generasi keempat (pertengahan 1970-an hingga sekarang).

Tujuan dan Fungsi Sistem Operasi

Sistem operasi diharapkan mempunyai dua tujuan yaitu:

Kenyamanan : suatu sistem operasi membuat komputer

lebih mudah untuk digunakan.

Efesien : suatu sistem operasi memungkinkan sumber daya

sistem komputer dapat digunakan dengan cara yang

efesien.

Fungsi Sistem Operasi

System operasi memiliki tiga fungsi utama yaitu

manajemen proses, manajemen sumber daya dan manajemen

data.

Manajemen proses mencakup penyiapan, penjadwalan dan

pemantauan proses pada computer. Proses adalah program

yang sedang dijalankan.

Manajemen sumber daya berkaitan dengan pengendalian

terhadap pemakaian sumber daya dalam system computer

yang dilakukan oleh perangkat lunak system maupun

pereangkat lunak aplikasi yang sedang dijalankan oleh

computer. Yang dimaksudkan sumber daya disini adalah

komponen perangkat keras dalam computer seperti CPU,

memori utama dan peranti masukan/keluaran.

Manajemen data berupa pengendalian terhadap data

masukan/keluaran, termasuk dalam hal pengalokasian

dalam peranti penyimpan sekunder maupun memori utama.

Selain tiga fungsi utama tersebut, system operasi

umumnya juga mempunyai sarana untuk mengelola keamanan.

Ciri system operasi yang mempunyai fasilitas manajemen

keamanan adalah mengharuskan pemakai memasukan nama

pengguna dan password (kata rahasia) sebelum mengakses

computer.

Macam-Macam Sistem Operasi

Dalam perkembangan sistem operasi, sudah banyak

perusahaan-perusahaan atau para programer yang membuat

dan mengembangkan sistem operasi sendiri, baik itu

personal atau general. Tapi pada saat ini terdapat

beberapa sistem operasi yang sudah sangat dikenal yaitu:

1. Keluarga Microsoft Windows - yang antara lain terdiri

dari Windows Desktop Environment (versi 1.x hingga

versi 3.x), Windows 9x (Windows 95, 98, dan Windows

ME), dan Windows NT (Windows NT 3.x, Windows NT 4.0,

Windows 2000, Windows XP, Windows Server 2003, Windows

Vista, Windows 7 (Seven) yang dirilis pada tahun 2009,

dan Windows Orient yang akan dirilis pada tahun 2014)).

2. Keluarga Unix yang menggunakan antarmuka sistem operasi

POSIX, seperti SCO UNIX, keluarga BSD (Berkeley Software

Distribution), GNU/Linux, MacOS/X (berbasis kernel BSD

yang dimodifikasi, dan dikenal dengan nama Darwin) dan

GNU/Hurd.

3. Mac OS, adalah sistem operasi untuk komputer keluaran

Apple yang biasa disebut Mac atau Macintosh. Sistem

operasi yang terbaru adalah Mac OS X versi 10.4 (Tiger).

Awal tahun 2007 direncanakan peluncuran versi 10.5

(Leopard).

4. Komputer Mainframe, dan Super komputer menggunakan

banyak sekali sistem operasi yang berbeda-beda, umumnya

merupakan turunan dari sistem operasi UNIX yang

dikembangkan oleh vendor seperti IBM AIX, HP/UX, dll.

Penjadwalan Proses

Penjadwalan Jangka-Panjang

Penjadwalan jangka-panjang merupkan keputusan untuk

menambahkan program yang akan dieksekusi ke pool.

Penjadwalan jangka-panjang menentukan program yang mana

diakui sebagai sistem untuk diproses.

Penjadwalan Jangka-Menengah

Penjadwalan jangka-menengah merupakan suatu keputusan

untuk menambah banyaknya proses-proses itu secara

parsial atau secar penuh didalam memori utama.

Penjadwalan Jangka-Pendek

Penjadwalan Jangka-Pendek merupakan keputusan sebagai

proses tersedia yang mana yang akan dieksekusi oleh

prosesor.

Penjadwalan Antrian

Ketika proses memasuki sistem, mereka diletakkan dalam

antrian job. Antrian ini terdiri dari seluruh proses

dalam sistem.

Manajement Memori

Melakukan pengaturan prosesor sehubungan penjadwalan

proses yang harus dilakukan.

Ada beberapa istilah dalam manajemen memori yang akan

dijelaskan yaitu:

o Swaping

Sebuah proses harus berada di memori untuk

dieksekusi. Proses juga dapat ditukar (swap)

sementara keluar memori ke backing store dan kemudian

dibawa kembali ke memori untuk melanjutkan eksekusi.

o Partitioning

Sebuah proses system operasi akan menempati bagian

memori yang tetap. Sisa memori akan dibagi-bagi

untuk keperluan sejumlah proses.

o Paging

Paging merupakan kemungkinan solusi untuk

permasalahan fragmentasi eksternal dimana ruang

alamat logika tidak berurutan; mengijinkan sebuah

proses dialokasikan pada memori fisik yang terakhir

tersedia.

E. CICS Dan RISC

RISC(Reduced Instuction Set Computer) adalah rancangan

prosessor yang sederhana, tetapi dalam kesederhanaan

tersebut didapatkan kecepatan operasi tiap-tiap siklus

instruksinya.

Alasan menggunakan RISC

Rancangan arsitektur CPU yang mengambil dasar filosofi

bahwa prosessor dibuat dengan arsitektur yang tidak rumit

dengan membatasi jumlah instruksi hanya pada instruksi

dasar yang diperlukan saja. Racangan ini berawal dari

pertimbangan-pertimbangan dan analisa model perancangan

lain yang kompleks, sehingga harus ada pengurangan set

instruksinya.

Ide dasar prosesor RISC sebenarnya bisa dilacak dari apa

yang disarankan oleh Von Neumann pada tahun 1946. Von

Neumann menyarankan agar rangkaian elektronik untuk

konsep logika diimplementasikan hanya bila memang

diperlukan untuk melengkapi sistem agar berfungsi atau

karena frekuensi penggunaannya cukup tinggi (Heudin, 1992

: 18). Jadi ide tentang RISC, yang pada dasarnya adalah

untuk menyederhanakan realisasi perangkat keras prosesor

dengan melimpahkan sebagian besar tugas kepada perangkat

lunaknya, telah ada pada komputer elektronik pertama.

Seperti halnya prosesor RISC, komputer elektronik pertama

merupakan komputer eksekusi-langsung yang memiliki

instruksi sederhana dan mudah didekode.

Karakteristik RISC

RISC mempunyai beberapa karakteristik, yaitu: siklus

instruksi, operasi pertukaran data, mode pengalamatan dan

format instruksi. Berikut akan dibahas dari masing-masing

karakteristik dari RISC.

Siklus instruksi

Satu instruksi mesin persiklus mesin. Suatu siklus

mesin dinyatakan oleh waktu yang dibutuhkan untuk

mengambil dua operand dari register, untuk melakukan

suatu operasi ALU dan menyimpan hasilnya pada register.

dengan demikian instruksi mesin RISC tidak boleh lebih

kompleks dan harus dapat mengeksekusi secepat

mikroinstruksi pada mesin-mesin CISC. Dengan menggunakan

instruksi sederhana atau instruksi satu siklus hanya

dibutuhkan satu mikrokode atau tidak sama sekali,

instruksi mesin dapat dihardwired. Instruksi seperti itu

akan dieksekusi lebih cepat dibanding yang sejenis pada

yang lain karena tidak perlu mengakses penyimapanan

kontrol mikroprogram saat eksekusi instruksi berlangsung.

Operasi pertukaran data

Kebanyakan operasi harus dalam bentuk register ke

register, dengan hanya operasi akses memori LOAD dan

STORE yang sederhana. Rancangan ini menyederhanakan set

intsruksi dan sekaligus menyederhanakan unik kontrol.

Sebagai contoh, sebuah set instruksi RISC bisa mengandung

hanya satu atau dua instruksi ADD (misalnya, penambahan

bilangan bulat, penambahan dengan carry). VAX mempunyai

25 instruksi ADD yang berbeda. Keuntugan lain adalah

bahwa arsitektur seperti itu meningkatkan optimasi

penggunaan register, sehingga operand-operand yang sering

diakses akan tetap berada dalam penyimpanan berkecepatan

tinggi.

Mode pengalamatan

Penggunaan mode pengalamatan sederhana, hampir sama

dengan instruksi menggunakan pengalamatan register,.

Beberapa mode tambahan seperti pergeseran dan pe-relatif

dapat dimasukkan selain itu banyak mode kompleks dapat

disintesis pada perangkat lunak dibanding yang sederhana,

selain dapat menyederhanakan sel instruksi dan unit

kontrol.

Format instuksi

Penggunaan format-format instruksi sederhana,

panjang instruksinya tetap dan disesuaikan dengan panjang

word. Fitur ini memiliki beberapa kelebihan karena dengan

menggunakan field yang tetap pendekodean opcode dan

pengaksesan operand register dapat dilakukan secara

bersama-sama

Setelah dipertimbangkan semua karakteristik secara

bersamaan, dapat dilihat keuntungan-keuntungan potensial

dari pendekatan RISC. Keuntungan-keuntungan ini

dikategorikan dalam dua kategori utama: yang pertama

berhubungan dengan kinerja dan yang kedua berhubungan

dengan implementasi VLSI.

Berkaitan dengan kinerja, suatu jumlah tertentu

“circumstansial evidence” dapat direpresentasikan.

Pertama pengoptimalan compiler yang lebih efektif dan

dapat dikembangkan. Yang kedua bahwa kebanyakan instruksi

yang dihasilkan oleh kompiler biasanya sederhana dan

relatif. Yang ketiga adalah penggunaan pipeline

instruksi. Dan yang terakhir bahwa prosessor RISC lebih

respontif ke interupsi.

Pipelining pada RISC

Pipelining akan lebih mudah di implemenstasikan bila

set instruksi sederhana dan teratur.

Instruksi yang bisa dilakukan akan dikerjakan tanpa

menunggu instruksi sebelumnya selesai.

Salah satu metode untuk meningkatkan kinerja system

computer.

Cisc (Complex instruction-set computing atau Complex Instruction-Set

Computer) atau "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.

Tujuan utama dari arsitektur CISC adalah melaksanakan

suatu perintah cukup dengan beberapa baris bahasa mesin

sedikit mungkin. Hal ini bisa tercapai dengan cara

membuat perangkat keras prosesor mampu memahami dan

menjalankan beberapa rangkaian operasi. Untuk tujuan

contoh kita kali ini, sebuah prosesor CISC sudah

dilengkapi dengan sebuah instruksi khusus, yang kita beri

nama MULT. Saat dijalankan, instruksi akan membaca dua

nilai dan menyimpannya ke 2 register yag berbeda,

melakukan perkalian operan di unit eksekusi dan kemudian

mengambalikan lagi hasilnya ke register yang benar. Jadi

instruksi-nya cukup satu saja…

MULT 2:3, 5:2

MULT dalam hal ini lebih dikenal sebagai “complex

instruction”, atau instruksi yang kompleks. Bekerja

secara langsung melalui memori komputer dan tidak

memerlukan instruksi lain seperti fungsi baca maupun

menyimpan.

Satu kelebihan dari sistem ini adalah kompailer hanya

menerjemahkan instruksi-instruksi bahasa tingkat-tinggi

ke dalam sebuah bahasa mesin. Karena panjang kode

instruksi relatif pendek, hanya sedikit saja dari RAM

yang digunakan untuk menyimpan instruksi-instruksi

tersebut.

Mengapa CISC?

Jumlah instruksi yang banyak dan instruksi yang lebih

kompleks. Dua alasan utama yang menjadi motivasi

kecenderungan ini adalah adanya keinginan untuk

menyederhanakan kompiler dan keinginan untuk meningkatkan

kinerja. Alasan penting lainnya adalah harapan bahwa CISC

akan menghasilkan program yang lebih kecil dan lebih

cepat.

Karakteristik CISC versus RISC

Rancangan RISC dapat memperoleh keuntungan dengan

mengambil sejumlah feature CISC dan Rancangan CISC dapat

memperoleh keuntungan dengan mengambil sejumlah feature

RISC. Hasilnya adalah bahwa sejumlah rancangan RISC yang

terbaru, yang dikenal sebagai PowerPC, tidak lagi “murni”

RISC dan rancangan CISC yang terbaru, yang dikenal

sebagai Pentium, memiliki beberapa karakteristik RISC.

RISC CISC

Penekanan pada perangkat

lunak

Penekanan pada perangkat

keras

Single-clock,hanya sejumlah

kecil instruksi

Termasuk instruksi kompleks

multi-clock

Register

toRegister :”LOAD”&”STORE”

adalah instruksi2 terpisah

Memori ke Memori:

”LOAD”&”STORE” saling

bekerjasama

Ukuran kode besar(kecepatan

relatif tinggi)

Ukurang kode

kecil,kecepatan rendah

Transistor banyak dipakai

untuk register memori

Transistor digunakan untuk

menyimpan instruksi2

kompleks