Arsitektur Komputer

ARCHITECTURE
COMPUTER
INTRODUCTION
Susijanto Tri R.
1
REFERENSI
1. Computer System Architecture
M. Morris Mano
Third Edition
Prentice-Hall International.
2. Computer Organization And
Architecture
William Stallings
Fourth Edition
Prentice-Hall International, Inc.
2
Architecture vs Organization
Organisasi Komputer
Unit-unit operasional serta hubungan /
interkoneksi antar unit-unit tsb. Yang
digunakan untuk merealisasikan
spesifikasi dari arsitektur komputer.
3
Attribut Organisasi Komputer
Detail dari hardware yang transparan bagi
programmer, contoh :
 Control signal
 Memory teknologi
 Besar memory
 Interface antara computer dan peripheral device.
Bagian-bagian fisik dari suatu komputer
(organisasi dan integrasi) menjadi suatu sistem
dan kontrol dari komunikasi serta aliran data
antar bagian-bagian tsb.
4
Arsitektur Komputer
Karakteristik / atribut suatu komputer dari
pandangan seorang programmer. Atribut ini
memberikan
pengaruh
langsung
pada
bagaimana program dieksekusi.
Atribut
 Instruction set
 Jumlah
bit yang digunakan untuk
representation / information format.
 Mekanisme I/O
 Teknik pengalamatan memory.
 General organization dari CPU register.
data
5
Hubungan Arsitektur dan
Organisasi Komputer
Contoh :
IBM system
Semua model memiliki arsitekturyang
sama, tetapi organisasinya berbeda,
harga dan performance dari model tsb
berbeda.
Suatu arsitekture dapat sama, tetapi
organisasinya berubah sesuai dengan
perkembangan teknologi.
6
Pada mikrokomputer hubungan antara
arsitektur dan organisasi sangat dekat.
Perubahan teknologi tidak hanya
mempengaruhi organisasi, tetapi
menghasilkan juga arsitektur yang baru,
contoh : RISC.
Apabila suatu komputer mempunyai
instruksi (misal multiply) merupakan suatu
hal yang berhubungan dengan arsitektur,
tetapi bagaimana instruksi tersebut
diimplementasikan (menggunakan
multiplier atau adder) merupakan hal yang
berhubungan dengan organisasi.
7
Komputer
Adalah seperangkat
peralatan elektronik
dan mekanik, yang
mampu bekerja sama
secara terkoordinasi,
sanggup menerima
input berupa data,
mengolah data sesuai
dengan program, serta
mengeluarkan hasil
yang berupa informasi.
8
ABSTRAK MODEL KOMPUTER
Proses komputasi komputer dapat berupa
evaluasi dari suatu fungsi f(X), dimana
‘X’ : input
‘Z’ : output
Sehingga Z = f(X)
X dan Z dapat berupa bilangan, statement,
file,dsb. f dapat berupa kalkulasi numerik,
bukti suatu teorema, dsb.
9
Untuk mengevaluasi f(X) pada sebuah komputer tiap f
harus diekspresikan berupa sequence dari sub
function f1, f2,…,fn. Sedemikian rupa sehingga tiap
sub function fi dapat dinyatakan dalam bentuk
instruction set dari komputer.
f1, f2, …., fn dapat dilihat sebagai sebuah program
untuk meng-evaluasi f(X), dan secara umum
Y1 = f1(X)
Y2 = f2(Y1)
Y3 = f3(Y2)
:
Yn-1 = fn-1(Yn-2)
Z = fn(Yn-1)
Dianggap sebagai format definition suatu komputer
10
System Komputer
System komputer terdiri dari system unit dan
peralatan pendukungnya, yaitu : peralatan
input, output, dan storage (secondary memory)
11
Arsitektur Von Neumann
Prinsip-prinsip :
Data dan instruksi disimpan dalam
memory utama (stored program
concept).
Isi memory mempunyai alamat yang
menunjukkan lokasi penyimpanan tanpa
memperhatikan jenis data yang
disimpan di lokasi tersebut.
12
Instruksi di-eksekusi secara berurutan
(dari instruksi pertama yang ditunjukkan
oleh program counter pada lokasi
memory, ke instruk-si berikutnya) kecuali
ada perubahan dalam instruksi.
 Organisasi dari arsitektur komputer di atas :
 Central processing unit (CPU) berisi control
unit (CU) yang mongkoordinasi eksekusi
instruksi-instruksi, dan arithmatic logic unit
(ALU) yang mengerjakan operasi-operasi
arithmatic dan logic
 (main) memory.
13
Gambar Arsitektur Komputer
Von Neumann
14
Komputer Von Neumann di atas merupakan
komputer general purpose. Komputer
tersebut dapat digunakan untuk
menyelesaikan banyak masalah yang
berbeda dari program yang dieksekusinya.
Konsep kuncinya adalah pada program dan
bagaimana program dieksekusi.
15
Arsitektur (Von Neumann)
General Purpose)
Pada arsitektur Von Neumann, satu set rangkaian
kecil dapat dikontrol untuk membentuk tugas
yang berbeda-beda, tergantung dari program
software yang dieksekusi.
16
Tugas utama CPU adalah mengeksekusi
instruksi yang diambil (fetch) dari main
memory.
Sebuah instruksi menginformasikan pada
CPU untuk membentuk satu operasi dasar
(arithmatic atau logic), pada sebuah data
yang berada di main memory.
Control unit (CU) yang bertugas
menterjemahkan (decode) instruksi yang
akan dieksekusi ‘memberitahukan’ pada
komponen-komponen lain apa yang harus
dilakukan.
17
CPU mempunyai satu set register yang
berfungsi sebagai temporary storage,
digunakan untuk menyimpan hasil
sementara yang akan digunakan pada
proses berikutnya.
18
Sejarah Perhitungan dan Arsitektur
Komputer
(History of Calculation and ComputerArchitecture)
19
Pentingnya Penghitungan
in Philebus (“On Pleasure”) 4th
century BC
Pada tingkat paling awal pengetahuan
adalah menemukan jumlah dan
penghitungan
 Plato
 Pythagorean
mysticism
Hitung jumlah aturan dunia.
20





Ilmu pengetahuan diperlukan untuk
menyelesaikan kesulitan manusia dalam
menyelesaiakan perhitungan.
Chinese abacus (suan pan), abad ke-13 :
merupakan paralatan pertama dan sederhana
untuk menyelesaikan semua operasi aritmatik
Several rods, five lower balls on each rod, 2
upper balls, divided by a slat
Terdiri dari dua bagian yang terhubung dengan
batang-batang untuk tempat bola (biji). Bagian
pertama terdiri dari 5 bola dan 2 bola pada
bagian kedua.
Abacus masih digunakan hingga sekarang
21
Mesin Hitung



Wilhelm Shickard’s Calculating Clock (1623)
Digunakan untuk perkalian dan pembagian, dan
membutuhkan beberapa campur tangan operator
dalam operasinya.
Dioperasikan menggunakan prinsip ‘Napier’s bones’
Mesin hitung mekanik “Pascaline” yang
didemonstrasikan Blaise Pascal (1642)
 Terdiri dari beberapa gear, setiap gear berisi nomor
0 sampai 9
 Mesin hitung pertama yang dikomersialkan
22

Arithmometer (1822), keyboard (1850), printer
(1885), Electro-mechanical Arithmometer (1913)
23
Programmability?





Masalah yang dimiliki semua mesin di atas adalah
batasan kemampuan menghubungkan hasil
perhitungan sebelumnya dengan proses berikutnya
pada perhitungan yang berurutan.
Memerlukan pencatatan dengan tangan untuk hasil
sebelumnya dan dimasukkan pada proses berikutnya.
Vaucanson’s programmable androids (1738)
Vaucanson (1749) merupakan automatic loom
(mesin otomatis) pertama
Menerima perintah dengan mengartikan lubang-lubang
pada silinder logam.
24
 Jacquard
(1804) perfected the
programmable loom
 Dijalankan dengan sebuah punched-card
(kartu berlubang) yang berurutan.
25
Charles Babbage 1791-1871

Lucasian Professor of Mathematics Cambridge
University, 1827-1839
 Membuat mesin hitung 1823


Aplikasi
Tabel matematika, AstronomyNautical Tables, Navy

Latar belakang
Semua fungsi berurutan dapat diperkirakan dengan
sebuah polynomial ---Weierstrass

Teknologi
• Mekanik - gear, Jacquard’s loom, kalkulator
sederhana.
26

Weierstrass:
 Setiap fungsi berurutan dapat diperkirakan
dengan sebuah polynomial
 Setiap polynomial dapat dihitung dari
difference tables.
27
f (n) = n2+n+41
d1(n) = f(n) -f(n-1) = 2n
d2(n) = d1(n) -d1(n-1) = 2
f(n) = f(n-1) + d1(n) = f(n-1) + (d1(n-1) + 2)
n
0
d2(n)
d1(n)
f(n) 41
1
2
43
2
2
4
47
3
2
4...
2
Semua proses hanya memerlukan adder
28
1823 – Babbage’s paper dipublikasikan
1834 – Paper di atas dibaca Scheutz brothers
di Swedia
1842 – Babbage mendapat ide untuk
mewujudkan mesinnya (pada mesin
analitic)
1855 – Scheutz memperlihatkan mesinnya
pada Paris World Fare
– Dapat menghitung hingga 6 tingkat
polinomial
– Kecepatan : 33 to 44 32-digit bilangan
per menit!
29
1833 – Babbage’s paper dipublikasikan
Membayangkan sebuah hal kosong dalam
membangun sebuah mesin.
Ide : Jacquard’s Loom
Program : Satu set kartu dengan lingkaran warna
yang disusun dengan pola tertentu.
Data (bilangan) : Sama dengan program dengan
dengan warna lingkaran yang berbeda.
1871 – Babbage dihentikan – mesin tidak dapat
direalisasikan
Tidak mungkin jika mesin analitis dibangun
hanya menggunakan teknologi mekanik.
30
Mesin Analitis Konsep Awal
Komputer General Purpose
Semua variabel, baik yang akan diproses
maupun hasil sementara disimpan
selama operasi berlangsung.
Hasil pengolahan (sementara) selalu
dibawa selama operasi
31
Satu operasi dalam mesin (mill)
memerlukan dua punched card dan
menghasilkan sebuah punch card baru.
32
The first programmer
Ada Byron aka “Lady Lovelace”
Ide Babbage mempunyai banyak pengaruh di kemudian
hari, khususnya pada :
Luigi Menabrea, yang menerbitkan catatan dari “Babbage’s
Lecturers” dalam bahasa Italy
Lady Lovelace, yang menterjemahkan “Menabrea’s notes”
dalam bahasa Inggris dan menjelaskan secara
menyeluruh . “... Analytic Engine weaves algebraic
patterns....” (Mesin/Motor Analitik menenun pola secara
aljabar).
Tutor Ada adalah Babage sendiri
Pada abad 20, ilmu pengetahuan terfocus pada komputer
analog.
33
Harvard Mark I



Dibuat th 1944, di laboratorium IBM di Endicott oleh Howard
Aiken – Professor fisika dari Harvard
Masih menggunakan peralatan mekanik tetapi menggunakan
beberapa elektro magnetik untuk mengontrol relay dan gear
Mempunyai bobot 5 ton dan menggunakan 750.000 komponen
untuk sinkronisasi clock yang mempunyai perioda 0.015 detik
Performance:
 0.3 detik untuk penjumlahan
 6 detik untuk perkalian
 1 menit untuk sebuah perhitungan sinus calculation
Broke down once a week!
34
Linear Equation Solver
John Atanasoff, Iowa State University





1930’s: Atanasoff dan Clifford Berry membuat the
Linear Equation Solver. Memerlukan 300 tubes!
Applikasi: Perhitungan Linear dan Integral
differential equations
Background: Vannevar Bush’s Differential Analyzer --an analog computer
Technology:Tubes and Electromechanical relays
Atanasoff yakin bahwa cara perhitungan yang benar
dapat digunakan persamaan elektronik digital.
35
Electronic Numerical Integrator and
Computer (ENIAC)

Terinspirasi oleh Atanasoff and Berry, Eckert dan
Mauchly mendesain dan membangun ENIAC (1943 1945)
 Mesin pertama dengan komponen elektronik
seluruhnya, pengoperasiannya mudah, generalpurpose analytical calculator!
 30 ton, 72 meter persegi, 200KW




Performance
Membaca 120 card per menit
Operasi penjumlahan memerlukan waktu 200 µs,
perkalian 6 ms
1000 kali lebih cepat dibandingkan Mark I

Not very reliable!
36
Electronic Discrete Variable
Automatic Computer (EDVAC)





ENIAC’s programming menggunakan sistem
eksternal
Urutan instruksi yang dieksekuesi terpisah
dengan hasil yang didapat
Memerlukan campur tangan manusia jika terjadi
“out of order” instruksi
Eckert, Mauchly, John von Neumann dan yang
lain mendesain EDVAC (1944) untuk
menyelesaikan masalah ini
Solusinya adalah program komputer yang
tersimpan
37
 Laporan
rancangan pertama mengenai
EDVAC dipublikasikan th 1945, tetapi
hanya dengan tanda tangan von
Neumann’s!
 Th 1973 pengadilan Minneapolis
memetapkan honor untuk rancangan
komputer diberikan kepada John
Atanasoff
38
Stored Program Computer
Program = A sequence of instructions How to control
instruction sequencing?
manual control
Automatic control
external (paper tape)
Internal
plug board
read-only memory
read-write memory
calculators
Harvard Mark I , 1944
Zuse’s Z1, WW2
ENIAC 1946
ENIAC 1948
EDVAC 1947 (concept )
39
The First True Computers


Eckert and Mauchly founded their own companyand
built the BINAC 1947-49
Two processors that checked each other for reliability

Whirlwind I of MIT was another von Neumann
computer built between 1946-51 by Jay Forrester
 Had a magnetic-core memory and a programming
language
 Used by the US Air Defense


First commercial American computer was UNIVAC-I
designed and built by Eckert and Mauchly
Used for opinion polls in 1952 Presidential elections
40
Commercial Activity --1948-52
IBM’s SSEC
Selective Sequence Electronic Calculator






Vacuum tubes in the control unit, and electromagnetic
relays everywhere else
150 word store, stored program machine
Instructions, constraints, and tables of data were read
from paper tapes.
66 Tape reading stations!
Serious inconsistencies of logic.
41
IBM Computers
IBM 701 --30 machines were sold in 1953-54
IBM 650 --a cheaper, drum based machine,
more than 120 were sold in 1954 and there
were orders for 750 more!
42