arsitektur & organisasi 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. Unit-unit tersebut adalah: masukan, memori, aritmetika dan logika, keluaran dan kontrol seperti pada gambar 1.1.

Gambar 1.1. Unit fungsional dasar pada komputer

Unit masukan menerima informasi yang yang dikodekan dari operator manusia lewat alat-alat elektromekanik seperti papan ketik pada suatu terminal video, atau dari komputer ke komputer lain lewat jalur komunikasi digital. Informasi yang diterima dan disimpan dalam memori untuk dipergunakan kelak, atau langsung diolah oleh rangkaian aritmetika dan logika untuk melaksanakan operasi yang diinginkan. Langkah-langkah pengolahan ditentukan oleh program yang disimpan dalam memori. Akhirnya hasil-hasil yang diperoleh dikirimkan kembali keluar melalui unit keluaran. Seluruh kegiatan ini dikoordinasi oleh unit kontrol.

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

Pengertian arsitektur komputer adalah dapat dikategorikan sebagai ilmu dan sekaligus sebagai suatu seni mengenai cara interkoneksi antara berbagai komponen perangkat keras atau hardware untuk dapat menciptakan sebuah komputer yang dapat memenuhi kebutuhan fungsional, kinerja, dan juga target biayanya.

Dalam bidang teknik komputer, definisi arsitektur komputer adalah suatu konsep perencanaan dan juga struktur pengoperasian dasar dari suatu sistem komputer atau ilmu yang bertujuan untuk perancangan sistem komputer.

Arsitektur von Neumann (atau Mesin Von Neumann) adalah arsitektur yang diciptakan oleh John von Neumann [1903 – 1957]. Arsitektur ini digunakan oleh hampir pada semua komputer pada saat ini. Arsitektur Von Neumann ini menggambarkan komputer dengan 4 (empat) bagian utama, yaitu: Unit Aritmatika & Logis (ALU), unit kontrol, memori, & alat masukan & hasil (secara kolektif dinamakan I/O). Bagian tersebut dihubungkan oleh berkas kawat, “bus”.

3 sub-kategori arsitektur komputer

Arsitektur komputer ini mengandung 3 (tiga) sub-kategori, diantaranya meliputi:

• Set intruksi (ISA).
• Arsitektur mikro dari ISA, dan juga
• Sistem desain dari semua atau seluruh komponen dalam perangkat keras (hardware) komputer ini.

Arsitektur Komputer yaitu desain komputer yang meliputi:

• Set instruksi.
• Komponen hardware (perangkat keras).
• Organisasi atau susunan sistemnya.

Struktur 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.
• I/O, berfungsi memindahkan data ke lingkungan luar atau perangkat lainnya.
• System Interconnection, merupakan sistem yang menghubungkan CPU, memori utama dan I/O.

Gambar 1.2 Struktur Dasar Komputer

Komponen yang paling menarik namun paling kompleks adalah CPU. Struktur CPU terlihat pada gambar 1.2, dengan struktur utamanya adalah :

•    Control Unit, berfungsi untuk mengontrol operasi CPU dan mengontrol komputer secara keseluruhan.
•    Arithmetic And Logic Unit (ALU), berfungsi untuk membentuk fungsi – fungsi pengolahan data komputer.
• Register, berfungsi sebagai penyimpan internal bagi CPU.
• CPU Interconnection, berfungsi menghubungkan seluruh bagian dari CPU.

Fungsi Komputer

Fungsi dasar sistem komputer adalah sederhana seperti terlihat pada gambar 1.3. Pada prinsipnya terdapat empat buah fungsi operasi, yaitu :

• Fungsi Operasi Pengolahan Data
• Fungsi Operasi Penyimpanan Data
• Fungsi Operasi Pemindahan Data
• Fungsi Operasi Kontrol

Gambar 1.3. Fungsi Komputer

Komputer harus dapat memproses data. Representasi data di sini bermacam–macam, akan tetapi nantinya data harus disesuaikan dengan mesin pemrosesnya. Dalam pengolahan data, komputer memerlukan unit penyimpanan sehingga diperlukan suatu mekanisme penyimpanan data. Walaupun hasil komputer digunakan saat itu, setidaknya komputer memerlukan media penyimpanan untuk data prosesnya. Dalam interaksi dengan dunia luar sebagai fungsi pemindahan data diperlukan antarmuka (interface), proses ini dilakukan oleh unit Input/Output (I/O) dan perangkatnya disebut peripheral. Saat interaksi dengan perpindahan data yang jauh atau dari remote device, komputer melakukan proses komunikasi data. Gambar 1.4 mengilustrasikan operasi–operasi komputer. Gambar 1.4a adalah operasi pemindahan data, gambar 1.24 adalah operasi penyimpanan data, gambar 1.4c dan gambar 1.4d adalah operasi pengolahan data.

Gambar 1.4. Operasi-operasi Komputer

ALU (Aritmetic and Logic Unit)

ALU merupakan bagian pengolah bilangan biner dari sebuah prosesor. ALU bertugas melakukan operasi-operasi aritmatika dan logika sesuai dengan instruksi yang diberikan. ALU juga merupakan salah satu bagian yang terpenting. Unit aritmetik logika (ALU) terdiri dari sirkuit elektronik yang membuatnya mampu melaksanakan operasi aritmatika dan logika. Ia mengeksekusi instruksi dan melakukan perhitungan (tambah, kali, kurang, dan bagi) dan perbandingan. ALU bekerja dengan register yang berbeda untuk menyimpan data atau informasi tentang tindakan terakhir yang dilakukan oleh unit logika. ALU mampu membandingkan huruf, angka, atau karakter khusus. Komponen dari rangkaian logika pada ALU adalah gerbanggerbang logika AND, OR, XOR, dan NOT yang dihubungkan pada multiplexer. Selain itu juga terdapat juga operasi shifter yang komponen dasarnya adalah multiplexer. Komponen ALU mendapatkan masukan data dari register dan sinyal kontrol dari CU. Untuk operasi ALU dengan dua masukan, diperlukan dua register 8-bit: ACC (accumulator) untuk masukan pertama dan temp (register sementara) untuk masukan kedua. Hasil dari operasi ALU ini adalah data 8-bit yang kemudian diteruskan ke register untuk menyimpan hasil operasi ini. Selain itu juga dihasilkan flag atau bit status. Flag ini akan diteruskan ke register yang menyimpan flag hasil dari operasi ALU. Untuk mempercepat pemrosesan data di dalam prosesor, selain CU dan ALU, prosesor juga membutuhkan memori dengan kecepatan yang sama dengan prosesor. Memori khusus yang diimplementasikan pada prosesor ini disebut register. Komponen utama penyusun register adalah flip-flop.

Register

Bagian CPU berikutnya adalah register. Register merupakan perangkat memori sementara yang menyimpan data. Register membantu CPU dalam melaksanakan instruksi. Mereka dikelola oleh unit kontrol. Register berfungsi untuk tempat penyimpanan yang berisi data dan informasi lainnya yang sering dibutuhkan ketika sebuah program sedang berjalan. Register dimaksudkan untuk dapat diakses dengan sangat cepat. Yang termasuk register di antaranya adalah register uji dan instruksi. Register instruksi berisi instruksi CPU sedangkan register uji dimaksudkan untuk menyimpan hasil kerja yang dilakukan oleh CPU.

Memory

Memori merupakan media penyimpanan program maupun data. Memori semikonduktor dapat dibedakan menjadi Read Only Memory (ROM) dan Random Access Memory (RAM). ROM adalah memori non-volatil yang digunakan untuk menyimpan data secara permanen. Data yang disimpan hanya dapat dibaca, tidak dapat diubah, dan isinya tidak hilang ketika catuan dimatikan. Sedangkan RAM adalah tempat penyimpanan sementara yang berisi alamat yang isinya dapat dibaca dan dimodifikasi. Memori ini bersifat volatil, isinya akan hilang ketika catuan dimatikan

Memori program merupakan ruang memori yang digunakan untuk menyimpan program yang akan dijalankan oleh prosesor. Memori program bersifat read only memory (ROM). Prosesor hanya bisa membaca isi dari memori program tetapi tidak bisa mengubah isinya. Memori data pada prosesor digunakan untuk menyimpan data-data hasil pemrosesan dari instruksi-instruksi yang dijalankan oleh prosesor. Pada mikrokontroler 8051, memori data internal sebesar 128 byte. Didalamnya terdapat bank register, Spesial Function Register (SFR), dan general-purpose register.

CPU Interconnections

CPU Interconnections adalah sistem Koneksi dan bus yang menhubungkan komponen internal CPU,yaitu ALU,unit kontrol dan register register dan juga dengan bus bus eksternal CPU yang menhubungkan dengan sistem lainnya,seperti memori utama , piranti masukan/keluaran. Terdapat 4 langkah dari sebuah sistem komputer ,yaitu:

• Fetch,yaitu proses pengambilan data atau intruksi dari memori dengan menggunakan perangkat input.
•  Decode,yaitu proses pembacaan sandi/kode dan menerjemahkan intruksi melalui kontrol input.
• Execute,yaitu proses eksekusi dengan menjalankag perintah
• Store,yaitu proses penyimpanan data dan menampilkan hasilnya pada peralatan output seperti monitor.

Arsitektur Komputer mempelajari atribut - atribut sistem komputer yang terkait dengan seorang programmer. contoh: set instruksi, aritmetilka yang digunakan, teknik pengalamatan, mekanisme I/0.

Set instruksi (instruction set) adalah sekumpulan lengkap instruksi yang dapat di mengerti oleh sebuah CPU, set instruksi sering juga disebut sebagai bahasa mesin (machine code), karna aslinya juga berbentuk biner kemudian dimengerti sebagai bahasa assembly, untuk konsumsi manusia (programmer), biasanya digunakan representasi yang lebih mudah dimengerti oleh manusia.

ELEMEN-ELEMEN DARI INSTRUKSI MESIN (SET INSTRUKSI)

• 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

Aritmatika komputer sendiri itu akan banyak membahas tentang bagaimana cara menyelesaikan suatu logika aritmatika, seperti pertambahan, pengurangan, pembagian, dan perkalian dalam bentuk bilangan biner. Karena komputer tidak bisa mengonsumsi bahasa manusia dan harus menerjemahkannya ke dalam bentuk angka biner dan juga komputer hanya akan mengartikan perintah user dalam bentuk bilangan biner.

Aturan standar dalam penjumlahan :

• 0+0=1
• 0+1=1
• 1+0=1
• 1+1=0 dengan carry 1

Aturan standar dalam pengurangan :

• 0-0=0
• 0-1=1 dengan borrow 1
• 1-0=1
• 1-1=0 dengan carry 1

Contoh angka pertama yang ditulis dalam biner sebagai berikut:

Desimal Biner

• Nol                  00
• Satu                 11
• Dua 2               10
• Tiga 3              11
• Empat 4           100
• Lima 5             101
• Enam 6            110
• Tujuh 7            111
• Delapan 8        1000
• Sembilan 9      1001
• Sepuluh 10      1010
• Sebelas 11       1011
• Dua belas 12   1100

Aritmatika komputer menyajikan 4 operasi bilangan biner

• Penjumlahan
• Pengurangan
• Perkalian
• Pembagian

Teknik pengalamatan adalah bagaimana cara menunjuk dan mengalamati suatu lokasi memori pada  sebuah alamat di mana operand akan diambil. Mode pengalamatan diterapkan pada set instruksi, dimana pada umumnya instruksi terdiri dari opcode (kode operasi) dan alamat. Setiap mode pengalamatan memberikan fleksibilitas khusus yang sangat penting. Mode pengalamatan ini meliputi direct addressing, indirect addressing, dan immediate addressing.

pengalamatan adalah bagaimana cara menunjuk dan mengalamati suatu lokasi memori pada  sebuah alamat di mana operand akan diambil. Mode pengalamatan diterapkan pada set instruksi, dimana pada umumnya instruksi terdiri dari opcode (kode operasi) dan alamat. Setiap mode pengalamatan memberikan fleksibilitas khusus yang sangat penting. Mode pengalamatan ini meliputi direct addressing, indirect addressing, dan immediate addressing.

pengiriman data secara bertahap dan terus menerus melalui suatu aliran data dari proses ke peranti (begitu pula sebaliknya). Fungsi :Fungsi i/o Pada dasarnya adalah mengimplementasikan algoritma I/O pada level aplikasi. Hal ini dikarenakan kode aplikasi sangat fleksible, dan bugs aplikasi tidak mudah menyebabkan sebuah sistem crash.

• Port I/O yang berarti gerbang konektor Input/Output pada komputer, seperti pada keyboard, mouse paralel/serial ataupun USB. Menyediakan koneksi untuk piranti eksternal seperti kamera digital, printer dan scanner. Unit Input/Output (I/O) adalah bagian dari sistem mikroprosesor yang digunakan oleh mikroprosesor itu untuk berhubungan dengan dunia luar.
• Unit input adalah unit luar yang digunakan untuk memasukkan data dari luar ke dalam mikroprosesor ini, contohnya data yang berasal dari keyboard atau mouse.
• Unit output biasanya digunakan untuk menampilkan data, atau dengan kata lain untuk menangkap data yang dikirimkan oleh mikroprosesor, contohnya data yang akan ditampilkan pada layar monitor atau printer.
• Bagian input (masukan) dan juga keluaran (output) ini juga memerlukan sinyal kontrol, antara lain untuk baca I/O (Input/Ouput Read [IOR]) dan untuk tulis I/O (Input/Output Write [IOW]). berikut ini adalah mekanisme kerja I/O.