Makalah Arsitektur CPU

MAKALAH
ARSITEKTUR CPU
DI SUSUN
OLEH:
Nama Anggota
:
Ismuhar Dwi Putra
Kelas
:
G2
NIM
:
090412053
Jurusan/Prodi
:
T.Elektro/T. Informatika
POLITEKNIK NEGERI LHOKSUEMAWE
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
PRODI TEKNIK INFORMATIKA
2010
KATA PENGANTAR
Puji syukur mari sama-sama kita panjatkan kehadirat Allah swt yang telah memberi
kita kesempatan dan kesehatan kepada kita semua sehingga penulis dapat menyelesaikan
sebuah makalah “Arsitektur CPU”.
Selanjutnya salawat dan salam kita limpahkan kepada junjungan kita Nabi
Muhammad saw yang telah membawa kita dari alam kebodohan ke alam yang penuh dengan
ilmu pengetahuan dan rahmat seperti yang dapat kita rasakan sekarang ini.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa makalah ini masih jauh dari kesempurnaan,
baik dari segi tata bahasa maupun dari segi-segi lainnya, oleh sebab itu penulis
mengharapkan saran dan kritikannya yang bersifat positif dan membangun dari semua pihak.
Akhirnya semoga Allah swt memberikan yang layak atas seluruh jasa dan kebijakan
yang penulis terima. Semoga hasil karya ini bermanfaat bagi penulis sendiri maupun bagi
pihak yang lain.
Wassalam
PEMBAHASAN
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 lainlain.
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 pertimbanganpertimbangan 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 instruksiinstruksi 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”
Memori
adalah instruksi2 terpisah
”LOAD”&”STORE” saling bekerjasama
ke
Memori:
Ukuran kode besar(kecepatan relatif
tinggi)
Ukurang kode kecil,kecepatan rendah
Transistor banyak dipakai untuk register
Transistor digunakan untuk menyimpan
memori
instruksi2 kompleks
DAFTAR PUSTAKA
1. Organisasi dan Arsitektu Komputer: Rancangan Kinerja/William Stallings; Alih Bahasa,
Thamir Abdul Hafedh. – Jakarta: PT INDEKS Kelompok GRAMEDIA, 2005
2. http://iskandar-zulkarnaen1.tripod.com/risc.pdf
3. http://ardtechnology.blogspot.com/2010/10/risc-dan-cisc.html
4. http://www2.eepis-its.edu/~setia/Modul/ArKom/Pertemuan%2013.pdf