TUGAS 3 ARSITEKTUR DAN ORGANISASI KOMPUTER

 

ARSITEKTUR DAN ORGANISASI KOMPUTER

Struktur Detail Dari komputer IAS

Komputer IAS (Institute for Advanced Study) adalah salah satu komputer pertama yang dirancang oleh John von Neumann pada tahun 1945. Komputer ini dianggap sebagai cikal bakal arsitektur komputer modern yang banyak digunakan saat ini, dikenal sebagai Arsitektur Von Neumann. Struktur dari komputer IAS melibatkan beberapa komponen utama yang bekerja bersama untuk menjalankan perhitungan dan pemrosesan data.

-       - Berikut adalah detail struktur dari komputer IAS:

1.     Memori (Memory)

Memori komputer IAS terdiri dari unit penyimpanan yang digunakan untuk menyimpan instruksi dan data yang akan diproses. Memori ini dibagi menjadi dua jenis utama:

·       Memori untuk instruksi: Menyimpan program yang akan dijalankan.

·       Memori untuk data: Menyimpan data yang diperlukan selama eksekusi program.

Memori ini bersifat terprogram (programmable), yang artinya instruksi dapat disimpan dan dimodifikasi.

2.     Unit Pengendali (Control Unit)

Unit pengendali bertanggung jawab untuk mengambil instruksi dari memori, men-decode-nya, dan mengarahkan eksekusi sesuai dengan instruksi tersebut. Fungsi utamanya adalah:

·       Mengambil instruksi dari memori.

·       Men-decoding instruksi untuk memahami tindakan yang diperlukan.

·       Mengarahkan aliran data antara komponen-komponen lain berdasarkan instruksi yang dijalankan.

 

3.     Unit Aritmatika dan Logika (Arithmetic and Logic Unit / ALU)

ALU adalah bagian yang melakukan perhitungan aritmatika (seperti penjumlahan, pengurangan, perkalian, dan pembagian) serta operasi logika (seperti AND, OR, NOT). ALU bekerja dengan data yang disimpan di memori atau diterima dari input lainnya. Ini merupakan bagian penting dalam pemrosesan data.

4.     Register

Komputer IAS menggunakan register untuk menyimpan data sementara yang digunakan selama pemrosesan. Register ini menyimpan nilai sementara, hasil perhitungan, atau alamat memori untuk instruksi selanjutnya. Beberapa register utama dalam komputer IAS adalah:

·       Accumulator (AC): Digunakan untuk menyimpan hasil perhitungan aritmatika.

·       Program Counter (PC): Menyimpan alamat dari instruksi berikutnya yang akan dieksekusi.

·       Memory Buffer Register (MBR): Menyimpan data yang baru saja diambil dari atau akan ditulis ke memori.

·       Memory Address Register (MAR): Menyimpan alamat memori yang sedang diakses.

 

5.     Input dan Output (I/O)

Komputer IAS juga dilengkapi dengan perangkat input dan output untuk berinteraksi dengan dunia luar. Data dapat dimasukkan melalui input (seperti punch cards, keyboard, dll.), dan hasilnya dikeluarkan melalui output (seperti printer, layar, dll.).

6.      Bus

Bus adalah jalur komunikasi yang menghubungkan berbagai komponen di dalam komputer IAS. Ada tiga jenis bus utama:

·       Bus alamat: Mengangkut alamat memori yang akan diakses.

·       Bus data: Mengangkut data yang diproses antara memori, ALU, dan register.

·       Bus kontrol: Mengontrol aliran data dan instruksi antar komponen, mengatur kapan instruksi diambil atau data diproses.

7.     Instruksi dan Eksekusi

Komputer IAS bekerja dengan set instruksi tertentu yang berfungsi untuk mengontrol proses perhitungan dan eksekusi. Set instruksi tersebut terdiri dari instruksi yang dapat melakukan operasi aritmatika, logika, transfer data, dan pengontrolan aliran eksekusi.

 

8.     Langkah-Langkah Eksekusi Instruksi (Cycle)

Proses eksekusi instruksi di komputer IAS dilakukan dalam beberapa langkah yang dikenal sebagai fetch-decode-execute cycle:

·       Fetch: Instruksi diambil dari memori menggunakan alamat yang disimpan di Program Counter (PC).

·       Decode: Instruksi tersebut di-decode oleh unit kontrol untuk menentukan apa yang harus dilakukan.

·       Execute: Operasi yang ditentukan oleh instruksi tersebut dijalankan oleh ALU atau perangkat lainnya, dan hasilnya disimpan kembali ke memori atau register.

 

Metode Untuk Mengatasi Perbedaan Perkembangan Antara Processor Dengan Komponen Komputer Lainnya

Perbedaan perkembangan antara prosesor dengan komponen komputer lainnya, seperti memori, perangkat input/output (I/O), dan komponen lainnya, sering kali menyebabkan ketidakseimbangan dalam kinerja sistem komputer secara keseluruhan. Prosesor, sebagai pusat pemrosesan, sering berkembang lebih cepat dibandingkan dengan komponen lainnya.

-     -  Ada beberapa metode dan teknik yang diterapkan dalam desain dan pengembangan sistem komputer:

1.     Cache Memory

Cache memory adalah jenis memori yang sangat cepat yang digunakan untuk menyimpan data dan instruksi yang sering digunakan oleh prosesor. Cache berfungsi sebagai penampung sementara antara prosesor dan memori utama, sehingga prosesor dapat mengakses data lebih cepat tanpa harus menunggu akses ke memori yang lebih lambat. Dengan adanya cache, meskipun memori utama berkembang lebih lambat daripada prosesor, kinerja sistem tetap optimal.

·       Level Cache (L1, L2, L3): Cache dibagi menjadi beberapa level, dari L1 yang lebih kecil dan lebih cepat, hingga L3 yang lebih besar tetapi lebih lambat. Ini membantu prosesor untuk mengakses data dengan lebih efisien.

2.     Peningkatan Bandwidth Memori

Salah satu alasan mengapa prosesor dapat berkembang lebih cepat dibandingkan komponen lainnya adalah keterbatasan bandwidth memori. Untuk mengatasi masalah ini, ada beberapa pendekatan yang dilakukan:

·       Memori Multi-Channel: Menggunakan beberapa saluran komunikasi untuk memori yang memungkinkan akses data lebih cepat.

·       Memori DDR (Double Data Rate): Jenis memori ini dapat mentransfer data lebih cepat dengan menggunakan kedua tepi sinyal (rising dan falling edges).

·       Memori GDDR (Graphics Double Data Rate): Digunakan di kartu grafis, memiliki bandwidth yang lebih tinggi dibandingkan memori standar.

 

3.     Pipelining dan Superscalar

Untuk meningkatkan throughput prosesor dan memanfaatkan instruksi secara lebih efisien, teknik seperti pipelining dan superscalar digunakan.

·       Pipelining: Memecah eksekusi instruksi menjadi beberapa tahap yang dapat dijalankan secara paralel. Hal ini memungkinkan prosesor untuk mengeksekusi beberapa instruksi sekaligus dalam satu siklus.

·       Superscalar: Prosesor yang mampu mengeksekusi lebih dari satu instruksi dalam satu siklus jam, dengan memiliki beberapa unit eksekusi untuk instruksi yang berbeda. Ini membantu prosesor untuk mengurangi keterlambatan karena ketidakseimbangan antara prosesor dan memori.

4.     Memori Terintegrasi (On-chip Memory)

Prosesor modern sering dilengkapi dengan memori terintegrasi (on-chip memory) untuk mengurangi latensi yang disebabkan oleh akses ke memori eksternal. Contohnya adalah memori SRAM yang terpasang langsung pada chip prosesor. Dengan mengurangi ketergantungan pada memori utama, prosesor dapat mengakses data lebih cepat, mengurangi perbedaan kecepatan antara prosesor dan memori.

 

5.     Direct Memory Access (DMA)

Direct Memory Access (DMA) adalah teknik di mana perangkat I/O dapat mengakses memori langsung tanpa melibatkan prosesor. Ini mengurangi beban kerja pada prosesor dan meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan. DMA memungkinkan perangkat untuk mentransfer data ke memori tanpa intervensi prosesor, sehingga mengurangi bottleneck antara prosesor dan I/O.

 

6.     Parallelism dan Multithreading

Untuk mengatasi ketidakseimbangan antara perkembangan prosesor dan komponen lainnya, banyak sistem modern mengadopsi arsitektur paralelisme dan multithreading. Teknik-teknik ini memungkinkan prosesor untuk menjalankan beberapa tugas sekaligus (paralel), atau menjalankan beberapa thread dalam satu prosesor (multithreading).

·       Parallelism: Membagi pekerjaan menjadi beberapa bagian yang dapat dieksekusi secara bersamaan oleh beberapa prosesor atau core.

·       Multithreading: Memungkinkan satu core prosesor untuk menjalankan beberapa thread eksekusi secara simultan, meningkatkan pemanfaatan prosesor yang lebih efisien meskipun komponen lainnya tidak berkembang secepat prosesor.

7.     Sistem Cache Hierarki dan Prefetching

Untuk memitigasi keterlambatan dalam pengambilan data dari memori, banyak prosesor modern menggunakan prefetching dan cache hierarki. Prefetching adalah teknik di mana prosesor mencoba untuk memprediksi data yang mungkin dibutuhkan di masa depan dan memuatnya ke dalam cache lebih awal. Cache hierarki, dengan beberapa level cache, membantu meminimalkan waktu akses antara prosesor dan memori.

8.  Penggunaan FPGA dan ASIC

Field-Programmable Gate Arrays (FPGA) dan Application-Specific Integrated Circuits (ASIC) digunakan untuk mempercepat komputasi tertentu yang sangat spesifik, misalnya dalam aplikasi yang memerlukan pengolahan data besar atau pengolahan grafis. Dengan menggunakan FPGA atau ASIC, dapat mengurangi ketergantungan pada CPU utama dan menyeimbangkan beban kerja.

9.Arsitektur Heterogen (Heterogeneous Computing)

Pendekatan ini menggunakan berbagai jenis prosesor atau unit pemrosesan, seperti CPU, GPU, dan akselerator lainnya, yang bekerja bersama-sama. GPU (Graphics Processing Unit), misalnya, dapat digunakan untuk melakukan komputasi paralel yang sangat efisien pada tugas-tugas tertentu, seperti rendering grafis atau pembelajaran mesin, sementara CPU menangani tugas-tugas yang lebih umum.

Perbedaan Utama Teknologi CISC dan RIS

 1. Teknologi CISC (Complex Instruction Set Computing)

CISC adalah arsitektur prosesor yang memiliki set instruksi kompleks, yang memungkinkan satu instruksi melakukan beberapa operasi sekaligus, seperti memindahkan data, melakukan perhitungan, dan mengakses memori dalam satu langkah.

a.    a.     Karakteristik Utama CISC:

1.     Set Instruksi yang Lebih Banyak: CISC memiliki banyak instruksi dengan berbagai macam fungsionalitas. Satu instruksi dalam CISC bisa melakukan beberapa operasi seperti pegambilan data dari memori, operasi aritmatika, dan lainnya.

2.     Instruksi Panjang: Instruksi dalam CISC bisa memiliki panjang yang bervariasi dan lebih kompleks. Ini berarti satu instruksi bisa memerlukan lebih banyak waktu untuk dieksekusi, karena memerlukan banyak tahapan untuk diproses.Lebih Sedikit Instruksi untuk Menulis Program: Dengan set instruksi yang lebih kompleks, CISC memungkinkan programmer untuk menulis program dengan lebih sedikit baris kode, karena satu instruksi dapat melakukan beberapa operasi.

3.     Pengaksesan Memori Lebih Komplek: Instruksi CISC biasanya bisa langsung mengakses memori sebagai bagian dari eksekusi instruksi. Artinya, instruksi bisa mengambil data dari memori dan melakukan operasi dalam satu langkah.

4.     Kinerja Lebih Lambat dalam Beberapa Kasus: Karena instruksi CISC sering lebih kompleks, eksekusi setiap instruksi bisa memerlukan lebih banyak siklus clock, yang mungkin lebih lambat.

 

b.     Contoh:

1.     Intel x86 dan Motorola 68k adalah contoh arsitektur CISC yang terkenal.

 2.  Teknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing)

RISC, di sisi lain, adalah arsitektur prosesor yang dirancang dengan set instruksi yang lebih sederhana dan lebih sedikit. Instruksi dalam RISC lebih efisien, dengan tujuan membuat prosesor lebih cepat dalam mengeksekusi instruksi.

a.    a.     Karakteristik Utama RISC:

1.     Set Instruksi yang Lebih Sederhana: RISC menggunakan instruksi yang lebih sedikit dan sederhana. Setiap instruksi biasanya hanya melakukan satu operasi dasar, seperti memindahkan data antar register atau melakukan operasi aritmatika sederhana.

2.     Instruksi dengan Panjang yang Tetap: Instruksi pada arsitektur RISC memiliki panjang yang seragam dan sederhana, memudahkan eksekusi yang cepat dan pengoptimalan.

3.     Instruksi yang Memerlukan Lebih Banyak Baris Kode: Karena setiap instruksi RISC melakukan satu operasi sederhana, program yang ditulis dalam RISC biasanya membutuhkan lebih banyak instruksi dibandingkan dengan CISC.

4.     Pengaksesan Memori Terpisah dari Instruksi: RISC cenderung memisahkan instruksi memori (load dan store) dari operasi aritmatika. Artinya, untuk mengakses data dari memori, perlu ada instruksi terpisah.

5.     Peningkatan Kecepatan Eksekusi: Karena instruksi RISC lebih sederhana, prosesor RISC cenderung lebih cepat dalam mengeksekusi instruksi per siklus clock. Ini membuatnya lebih efisien dalam beberapa kasus.

a.     Contoh:

1.     ARM dan MIPS adalah contoh arsitektur RISC yang terkenal.