CPU, SISTEM BUS DAN ALU

CPU merupakan komponen terpenting dari sistem komputer. CPU adalah komponen pengolah data berdasarkan instruksi – instruksi yang diberikan kepadanya. CPU terdiri dari dua bagian utama yaitu unit kendali (control unit) dan unit aritmatika dan logika (ALU). Disamping itu, CPU mempunyai beberapa alat penyimpan yang berukuran kecil yang disebut register.
• Unit Kendali (Control Unit), bertugas mengontrol operasi CPU dan secara keselurahan mengontrol komputer 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.
• 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.
• Register 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 internalCPU, 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.

Fungsi CPU
CPU berfungsi seperti kalkulator, hanya saja CPU jauh lebih kuat daya pemrosesannya. Fungsi utama dari CPU adalah melakukan operasi aritmatika dan logika terhadap data yang diambil dari memori atau dari informasi yang dimasukkan melalui beberapa perangkat keras, seperti papan ketik,pemindai, tuas kontrol, maupun tetikus. CPU dikontrol menggunakan sekumpulan instruksi perangkat lunak komputer. Perangkat lunak tersebut dapat dijalankan oleh CPU dengan membacanya dari media penyimpan, seperti cakram keras, disket, cakram padat, maupun pita perekam. Instruksi-instruksi tersebut kemudian disimpan terlebih dahulu pada memori fisik (RAM), yang mana setiap instruksi akan diberi alamat unik yang disebut alamat memori. Selanjutnya, CPU dapat mengakses data-data pada RAM dengan menentukan alamat data yang dikehendaki.
Saat sebuah program dieksekusi, data mengalir dari RAM ke sebuah unit yang disebut dengan bus, yang menghubungkan antara CPU dengan RAM. Data kemudian didekode dengan menggunakan unit proses yang disebut sebagai pendekoder instruksi yang sanggup menerjemahkan instruksi. Data kemudian berjalan ke unit aritmatika dan logika (ALU) yang melakukan kalkulasi dan perbandingan. Data bisa jadi disimpan sementara oleh ALU dalam sebuah lokasi memori yang disebut dengan register supaya dapat diambil kembali dengan cepat untuk diolah. ALU dapat melakukan operasi-operasi tertentu, meliputi penjumlahan, perkalian, pengurangan, pengujian kondisi terhadap data dalam register, hingga mengirimkan hasil pemrosesannya kembali ke memori fisik, media penyimpan, atau register apabila akan mengolah hasil pemrosesan lagi. Selama proses ini terjadi, sebuah unit dalam CPU yang disebut dengan penghitung program akan memantau instruksi yang sukses dijalankan supaya instruksi tersebut dapat dieksekusi dengan urutan yang benar dan sesuai.
Fungsi CPU adalah penjalankan program – program yang disimpan dalam memori utama dengan cara mengambil instruksi – instruksi, menguji instruksi tersebut dan mengeksekusinya satu persatu sesuai alur perintah. Untuk memahami fungsi CPU dan caranya berinteraksi dengan komponen lain, perlu kita tinjau lebih jauh proses eksekusi program. Pandangan paling sederhana proses eksekusi program adalah dengan mengambil pengolahan instruksi yang terdiri dari dua langkah, yaitu : operasi pembacaan instruksi (fetch) dan operasi pelaksanaan instruksi (execute).

Arithmetic Logic Unit (ALU)

Arithmatic and Logic Unit (ALU), adalah salah satu bagian/komponen dalam sistem di dalam sistem komputer berfungsi melakukan operasi/perhitungan aritmatika dan logika (seperti penjumlahan, pengurangan dan beberapa logika lain), AlU bekerja besama-sama memori. Dimana hasil dari perhitungan di dalam ALU di simpan ke dalam memori.

Perhitungan dalam ALU menggunakan kode biner, yang merepresentasikan instruksi yang akan dieksekusi (opcode) dan data yang diolah (operand). ALU biasanya menggunakan sistem bilangan biner two’s complement.

ALU mendapat data dari register. Kemudian data tersebut diproses dan hasilnya akan disimpan dalam register tersendiri yaitu ALU output register, sebelum disimpan dalam memori.

Pada saat sekarang ini sebuah chip/IC dapat mempunyai beberapa ALU sekaligus yang memungkinkan untuk melakukan kalkulasi secara paralel. Salah satu chip ALU yang sederhana (terdiri dari 1 buah ALU) adalah IC 74LS382/HC382ALU (TTL). IC ini terdiri dari 20 kaki dan beroperasi dengan 4×2 pin data input (pinA dan pinB) dengan 4 pin keluaran (pinF).

Sistem BUS

BUS merupakan lintasan komunikasi yang menghubungkan dua atau lebih komponen komputer. Sifat penting yang sekaligus sebagai syarat utama BUS adalah sebagai media transmisi yang dapat digunakan oleh sejumlah perangkat yang terbungkus padanya. Karena digunakan bersama, diperlukan aturan main agar tidak terjadi tabrakan data atau kerusakan data yang ditransmisikan. Walaupun digunakan bersama, namun dalam satu waktu hanya ada sebuah perangkat yang dapat menggunkan BUS.

BUS mempunyai beberapa saluran, tetapi secara umum, fungsi BUS dikategorikan menjadi 3 bagian, yaitu saluran data, saluran alamat dan saluran kontrol. Saluran data (data bus) merupakan lintasan bagi perpindahan data antar modul. Umunya jumlah saluran terkait dengan panjang word, misalnya 8,16,32 saluran dengan tujuan agar mentransfer word dalam sekalu waktu. Jumlah saluran dikatakan lebar bus dengan lebar bus dengan satuan bit.

Saluran alamat (address bus) digunakan untuk menspesifikasi sumber dan tujuan data pada bus data. Saluran ini digunakan untuk mengirim alamat word pada memori yang akan diakses CPU. Dan juga digunakan untuk saluran alamt perangkat modul komputer saat CPU mengakses suatu modul. Agar semua peralatan yang terhubung dengan sistem komputer dapat diakses harus memiliki alamat, misal mengakses port I/O maka port I/O harus memiliki alamat hardwarenya.

Saluran kontrol (control bus) digunakan untuk mengontrol bus data, bus alamat dan seluruh modul yang ada. Karena bus data dan bus alamat digunakan oleh semua komponen maka diperlukan suatu mekanisme kerja yang dikontrol melalui bus kontrol. Saluran kontrol meliputi :

MemoryWrite : memerintahkan data pada bus akan dituliskan kedalam lokasi alamat

MemoryRead : memerintahkan data dari lokasi alamat ditempatkab pada bus adata

I/OWrite : memerintahkan data pada bus dikirim ke lokasi port I/O

I/ORead : meemrintahkan data dari port I/O ditempatkan pada bus data

Transfer ACK : menunjukkan data telah diterima dari bus atau data telah ditempatkan pada bus

BusRequest : menunjukkan modul yang melakukan request telah diberi hak mengontrol bus

InterruptRequest : menandakan adanya penangguhan interupsi dari modul.

Interrupt ACK : menunjukkan penangguhan interupsi telah diketahui CPU

Clock : kontrol untuk sinkronisasi operasi antar modul

Reset : digunakan untuk menginisialisasi seluruh modul.

Referensi:

[1]Hayati, Nur.2017.Organisasi dan Arsitektur Komputer.Yogyakarta:Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

[2]Purwanto, Imam.2013.Organisasi Komputer Dasar.Jakarta:Universitas Gunadarma

[3]Soeparlan, Soepono.1995.Pengantar Organisasi Sistem Komputer.Jakarta:Gunadarma

ARSITEKTUR 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).

Set instruksi (instruction set) biasa disebut juga sebagai sekumpulan lengkap instruksi yang dapat dimengerti oleh sebuah CPU dengan sebuah kamus berisi daftar perintah apa saja yang dapat dilakukan (didukung) oleh sebuah prosesor, dan biasanya terikat dengan sebuah keluarga arsitektur prosesor tertentu.

ISA merupakan sebuah spesifikasi dari Pullman 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.

ISA kadang-kadang digunakan untuk membedakan kumpulan karakteristik yang disebut di atas dengan mikroarsitektur prosesor, yang merupakan kumpulan teknik desain prosesor untuk mengimplementasikan set instruksi (mencakup microcode, pipeline, sistem cache, manajemen daya, dan lainnya). Komputer-komputer dengan mikroarsitektur berbeda dapat saling berbagi set instruksi yang sama. Sebagai contoh, prosesor Intel Pentium dan prosesor AMD Athlon mengimplementasikan versi yang hampir identik dari set instruksi Intel x86, tetapi jika ditinjau dari desain internalnya, perbedaannya sangat radikal. Konsep ini dapat diperluas untuk ISA-ISA yang unik seperti TIMI yang terdapat dalam IBM System/38 dan IBM IAS/400. TIMI merupakan sebuah ISA yang diimplementasikan sebagai perangkat lunak level rendah yang berfungsi sebagai mesin virtual. TIMI didesain untuk meningkatkan masa hidup sebuah platform dan aplikasi yang ditulis untuknya, sehingga mengizinkan platform tersebut agar dapat dipindahkan ke perangkat keras yang sama sekali berbeda tanpa harus memodifikasi perangkat lunak (kecuali yang berkaitan dengan TIMI). Hal ini membuat IBM dapat memindahkan platform AS/400 dari arsitektur mikroprosesor CISC ke arsitektur mikroprosesor POWER tanpa harus menulis ulang bagian-bagian dari dalam sistem operasi atau perangkat lunak yang diasosiasikan dengannya.

1. KARAKTERISTIK DAN FUNGSI SET INSTRUKSI

›  Operasi dari CPU ditentukan oleh instruksi-instruksi yang dilaksanakan atau dijalankannya. Instruksi ini sering disebut sebagai instruksi mesin (mechine instructions) atau instruksi komputer (computer instructions).

›  Kumpulan dari instruksi-instruksi yang berbeda yang dapat dijalankan oleh CPU disebut set Instruksi (Instruction Set).

1. ELEMEN-ELEMEN DARI INSTRUKSI MESIN (SET INSTRUKSI)

· Operation Code (opcode) : menentukan operasi yang akan dilaksanakan

· Source Operand Reference : merupakan input bagi operasi yang akan dilaksanakan

· Result Operand Reference : merupakan hasil dari operasi yang dilaksanakan

· Next instruction Reference : memberitahu CPU untuk mengambil (fetch) instruksi berikutnya setelah instruksi yang dijalankan selesai.

Source dan result operands dapat berupa salah satu diantara tiga jenis berikut ini:

›  Main or Virtual Memory

›  CPU Register

›  I/O Device

1. DESAIN SET INSTRUKSI

Desain set instruksi merupakan masalah yang sangat komplek yang melibatkan banyak aspek, diantaranya adalah:

1. Kelengkapan set instruksi

2. Ortogonalitas (sifat independensi

instruksi)

1. Kompatibilitas :

–  Source code compatibility

– Object code Compatibility

Selain ketiga aspek tersebut juga melibatkan

hal-hal sebagai berikut:

1. Operation Repertoire: Berapa banyak dan operasi apa saja yang disediakan, dan berapa sulit operasinya

2. Data Types: tipe/jenis data yang dapat olah

Instruction Format: panjangnya, banyaknya alamat, dsb.

1. Register: Banyaknya register yang dapat digunakan

4.Addressing: Mode pengalamatan untuk operand

v  Format Instruksi

Suatu instruksi terdiri dari beberapa field yang sesuai dengan elemen dalam instruksi tersebut. Layout dari suatu instruksi sering disebut sebagai Format Instruksi (Instruction Format).

v  Jenis-Jenis Operand

·     Addresses (akan dibahas pada addressing modes)

· Numbers          : Integer or fixed point, Floating point, Decimal (BCD)

· Characters       : ASCII, EBCDIC

· Logical Data   : Bila data berbentuk binary ( 0 dan 1 )

v  Jenis-Jenis Instruksi

1. Pengolahan Data

Instruksi untuk aritmetika dan logika. Instruksi Aritmetika memiliki kemampuan untuk mengolah data numeric. Instruksi Logika beroperasi pada bit-bit word sebagai bit bukan sebagai bilangan.

1. Penyimpanan Data

Instruksi untuk Memori. Instruksi memori diperlukan untuk memindahkan data yang terdapat pada memori dan register.

1. Perpindahan Data

Instruksi untuk I/O. Instruksi I/O diperlukan untuk memindahkan program dan data ke dalam memori dan mengembalikan hasil komputansi kepada pengguna.

1. Kontrol

Instruksi untuk pemeriksaan dan percabangan. Instruksi kontrol digunakan untuk memeriksa nilai data dannmencambangkan ke set industri lain.

1. Jenis Addressing Mode (Teknik Pengalamatan)

Yang termasuk Teknik pengalamatan yaitu : Immediate, Direct, Indirect, Register, Register Indirect, Displacement, Stack

Ø  Immediate Addressing

o   Pengalamatan yang paling sederhana.

o   Operand benar-benar ada dalam instruksi atau bagian dari intsruksi

o   Operand sama dengan field alamat

o   Umumnya bilangan akan disimpan dalam bentuk complement dua

o   Bit paling kiri sebagai bit tanda

o   Ketika operand dimuatkan ke dalam register data, bit tanda digeser ke kiri hingga maksimum word data

Keuntungan :

– Tidak adanya referensi memori selain dari instruksi yang diperlukan untuk memperoleh operand

– Menghemat siklus instruksi sehingga proses keseluruhanakan akan cepat

Kekurangan :

– Ukuran bilangan dibatasi oleh ukuran field

Contoh :

– ADD 7 ; tambahkan 7 pada akumulator

Ø  Direct Addressing

o   Teknik ini banyak digunakan pada komputer lama dan komputer kecil

o   Hanya memerlukan sebuah referensi memori dan tidak memerlukan kalkulus khusus

Kelebihan :

– Field alamat berisi efektif address sebuah operand

Kekurangan :

– Keterbatasan field alamat karena panjang field alamat biasanya lebih kecil dibandingkan panjang word

Contoh :

– ADD A ; tambahkan isi pada lokasi alamat A ke akumulator

Ø  Indirect Addressing

o   Merupakan mode pengalamatan tak langsung

o   Field alamat mengacu pada alamat word di alamat memori, yang pada gilirannya akan berisi alamat operand yang panjang

Kelebihan :

– Ruang bagi alamat menjadi besar sehingga semakin banyak alamat yang dapat referensi

Kekurangan :

– Diperlukan referensi memori ganda dalam satu fetch sehingga memperlambat proses operasi

Contoh :

– ADD (A) ; tambahkan isi memori yang ditunjuk oleh isi alamat A ke akumulator

Ø  Register Addressing

o     Metode pengalamatan register mirip dengan mode pengalamatan langsung

o     Perbedaanya terletak pada field alamat yang mengacu pada register, bukan pada memori utama

o     Field yang mereferensi register memiliki panjang 3 atau 4 bit, sehingga dapat mereferensi 8 atau 16 register general purpose

Keuntungan :

– Diperlukan field alamat berukuran kecil dalam instruksi dan tidak diperlukan referensi memori

– Akses ke register lebih cepat daripada akses ke memori, sehingga proses eksekusi akan lebih cepat

Kerugian :

– Ruang alamat menjadi terbatas

Ø  Register Indirect Addressing

Metode pengalamatan register tidak langsung mirip dengan mode pengalamatan tidak langsung

o   Perbedaannya adalah field alamat mengacu pada alamat register

o   Letak operand berada pada memori yang dituju oleh isi register

o   Keuntungan dan keterbatasan pengalamatan register tidak langsung pada dasarnya sama dengan pengalamatan tidak langsung

o   Keterbatasan field alamat diatasi dengan pengaksesan memori yang tidak langsung sehingga alamat yang dapat direferensi makin banyak

o   Dalam satu siklus pengambilan dan penyimpanan, mode pengalamatan register tidak langsung hanya menggunakan satu referensi memori utama sehingga lebih cepat daripada mode pengalamatan tidak langsung

Ø  Displacement Addressing

o   Menggabungkan kemampuan pengalamatan langsung dan pengalamatan register tidak langsung

o   Mode ini mensyaratkan instruksi memiliki dua buah field alamat, sedikitnya sebuah field yang eksplisit

o   Operand berada pada alamat A ditambahkan isi register

Tiga model displacement

o   Relative addressing : register yang direferensi secara implisit adalah Program Counter (PC)

o   Alamat efektif didapatkan dari alamat instruksi saat itu ditambahkan ke field alamat

o   Memanfaatkan konsep lokalitas memori untuk menyediakan operand-operand berikutnya

o   Base register addressing : register yang direferensi berisi sebuah alamat memori dan field alamat berisi perpindahan dari alamat itu

· Referensi register dapat eksplisit maupun implisit

· Memanfaatkan konsep lokalitas memori

o   Indexing  : field alamat mereferensi alamat memori utama, dan register yang direferensikan berisi pemindahan positif dari alamat tersebut

· Merupakan kebalikan dari mode base register

· Field alamat dianggap sebagai alamat memori dalam indexing

· Manfaat penting dari indexing adalah untuk eksekusi program-pprogram iteratif

Contoh :

– Field eksplisit bernilai A dan field imlisit mengarah pada register

Ø  Stack Addressing

o   Stack adalah array lokasi yang linier = pushdown list = last-in-firs-out

o   Stack merupakan blok lokasi yang terbaik

o   Btir ditambahkan ke puncak stack sehingga setiap blok akan terisi secara parsial

o   Yang berkaitan dengan stack adalah pointer yang nilainya merupakan alamat bagian paling atas stack

o   Dua elemen teratas stack dapat berada di dalam register CPU, yang dalam hal ini stack pointer mereferensi ke elemen ketiga stack

o   Stack pointer tetap berada dalam register

o   Dengan demikian, referensi-referensi ke lokasi stack di dalam memori pada dasarnya merupakan pengalamatan register tidak langsung.

Referensi:

[1]Hayati, Nur.2017.Organisasi dan Arsitektur Komputer.Yogyakarta:Universitas Muhammadiyah Yogyakarta

[2]Purwanto, Imam.2013.Organisasi Komputer Dasar.Jakarta:Universitas Gunadarma

[3]Soeparlan, Soepono.1995.Pengantar Organisasi Sistem Komputer.Jakarta:Gunadarma