Arsitektur Komputer

Arsitektur Komputer
Pertemuan ke-3
- Aritmatika Komputer (2)
>>> Sistem bilangan & Format Data
- Perkembangan Perangkat Keras Komputer
DATA FORMATS
 Computers

Process and store all forms of data in binary
format
 Human

Includes language, images and sounds
 Data


communication
formats:
Specifications for converting data into computerusable form
Define the different ways human data may be
represented, stored and processed by a
computer
3-2
SOURCES OF DATA

Binary input




Begins as discrete input
Example: keyboard input such as A 1+2=3 math
Keyboard generates a binary number code for each key
Analog


Continuous data such as sound or images
Requires hardware to convert data into binary numbers
Figure 3.1 with this
color scheme
A 1+2=3 math
Chapter 3 Data Formats
Computer
Input
device
1101000101010101…
3-3
COMMON DATA REPRESENTATIONS
Type of Data
Standard(s)
Alphanumeric
Unicode, ASCII, EDCDIC
Image (bitmapped)
GIF (graphical image format)
TIF (tagged image file format)
PNG (portable network graphics)
Image (object)
PostScript, JPEG, SWF (Macromedia
Flash), SVG
Outline graphics and fonts
PostScript, TrueType
Sound
WAV, AVI, MP3, MIDI, WMA
Page description
PDF (Adobe Portable Document
Format), HTML, XML
Video
Quicktime, MPEG-2, RealVideo, WMV
Chapter 3 Data Formats
3-4
INTERNAL DATA REPRESENTATION

Reflects the
Complexity of input source
 Type of processing required

Trade-offs

Accuracy and resolution


Simple photo vs. painting in an art book
Compactness (storage and transmission)
More data required for improved accuracy and resolution
 Compression represents data in a more compact form
 Metadata: data that describes or interprets the meaning of data
 Ease of manipulation:
 Processing simple audio vs. high-fidelity sound


Chapter 3 Data Formats

Standardization


Proprietary formats for storing and processing data (WordPerfect vs. Word)
De facto standards: proprietary standards based on general user
acceptance (PostScript)
3-5
DATA TYPES: ALPHANUMERIC
 Alphanumeric:


 Numeric
characters vs. numbers
Both entered as ordinary characters
 Computer converts into numbers for calculation



Chapter 3 Data Formats


Characters: b T
Number digits: 7 9
Punctuation marks: ! ;
Special-purpose characters: $ &
Examples: Variables declared as numbers by the
programmer (Salary$ in BASIC)
Treated as characters if processed as text

Examples: Phone numbers, ZIP codes
3-6
REPRESENTING CHARACTERS
ASCII - most widely used coding scheme
 EBCDIC: IBM mainframe (legacy)
 Unicode: developed for worldwide use

Chapter 3 Data Formats
3-7
ASCII
Developed by ANSI (American National Standards
Institute)
 Represents



Latin alphabet, Arabic numerals, standard punctuation
characters
Plus small set of accents and other European special
characters
ASCII

Chapter 3 Data Formats

7-bit code: 128 characters
3-8
ASCII REFERENCE TABLE
MSD
LSD
0
1
2
3
4
5
0
NUL
DLE
SP
0
@
P
1
SOH
DC1
!
1
A
Q
a
W
2
STX
DC2
“
2
B
R
b
r
3
ETX
DC3
#
3
C
S
c
s
4
EOT
DC4
$
4
D
T
d
t
5
ENQ
NAK
%
5
E
U
e
u
6
ACJ
SYN
&
6
F
V
f
v
7
BEL
ETB
‘
7
G
W
g
w
8
BS
CAN
(
8
H
X
h
x
9
HT
EM
)
9
I
Y
i
y
A
LF
SUB
*
:
J
Z
j
z
B
VT
ESC
+
;
K
[
k
{
C
FF
FS
,
<
L
\
l
|
D
CR
GS
-
=
M
]
m
}
E
SO
RS
.
>
N
^
n
~
F
SI
US
/
?
O
_
o
DEL
Chapter 3 Data Formats
6
7
p
3-9
7416
111 0100
EBCDIC
 Extended
Binary Coded Decimal Interchange
Code developed by IBM
Restricted mainly to IBM or IBM compatible
mainframes
 Conversion software to/from ASCII available
 Common in archival data
 Character codes differ from ASCII

ASCII
EBCDIC
Space
2016
4016
A
4116
C116
b
6216
8216
Chapter 3 Data Formats
3-10
UNICODE
 Most

Values 0 to 255 in Unicode table
 Multilingual:



defines codes for
Nearly every character-based alphabet
Large set of ideographs for Chinese, Japanese
and Korean
Composite characters for vowels and syllabic
clusters required by some languages
software modifications for locallanguages
Chapter 3 Data Formats
common 16-bit form represents
65,536 characters
 ASCII Latin-I subset of Unicode
 Allows
3-11
COLLATING SEQUENCE
 Alphabetic
sorting if software handles mixed
upper- and lowercase codes
 In ASCII, numbers collate first; in EBCDIC, last
 ASCII collating sequence for string of
characters
Letters
Numeric Characters
Adam
A d a m
Adamian
A d a m i a n
Adams
A d a m s
Chapter 3 Data Formats
1 011 0001
12 011 0001 011 0010
2 011 0010
3-12
2 CLASSES OF CODES
 Printing

Produced on the screen or printer
 Control

VT: vertical tab

LF: Line feed
Cause action to occur


characters
Control position of output on screen or printer


characters
BEL: bell rings

DEL: delete current character
Communicate status between computer and I/O
device
ESC: provides extensions by changing the meaning of a
specified number of contiguous following characters

Chapter 3 Data Formats
3-13
KEYBOARD INPUT
 Scan
Two different scan codes on keyboard


One generated when key is struck and another when
key is released
Converted to Unicode, ASCII or EBCDIC by
software in terminal or PC
 Advantage
Chapter 3 Data Formats

code
Easily adapted to different languages or
keyboard layout
 Separate scan codes for key press/release for
multiple key combinations


Examples: shift and control keys
3-14
OTHER ALPHANUMERIC INPUT

OCR (optical character reader)
Scans text and inputs it as character data
 Used to read specially encoded characters



Example: magnetically printed check numbers
General use limited by high error rate
Bar Code Readers
Used in applications that require fast, accurate and repetitive
input with minimal employee training
 Examples: supermarket checkout counters and inventory control
 Alphanumeric data in bar code read optically using wand



Chapter 3 Data Formats

Magnetic stripe reader: alphanumeric data from credit cards
Voice

Digitized audio recording common but conversion to
alphanumeric data difficult

Requires knowledge of sound patterns in a language (phonemes) plus
rules for pronunciation, grammar, and syntax
3-15
IMAGE DATA
Photographs, figures, icons, drawings, charts and
graphs
 Two approaches:


Differences include:





Chapter 3 Data Formats
Bitmap or raster images of photos and paintings with
continuous variation
 Object or vector images composed of graphical objects like
lines and curves defined geometrically

Quality of the image
Storage space required
Time to transmit
Ease of modification
Specifications for graphics file formats

The Graphics File Format Page
3-16
OBJECT IMAGES
 Created

Chapter 3 Data Formats
by drawing packages or output from
spreadsheet data graphs
 Composed of lines and shapes in various
colors
 Computer translates geometric formulas to
create the graphic
 Storage space depends on image complexity
number of instructions to create lines, shapes, fill
patterns
 Movies
Shrek and Toy Story use object
images
3-17
DATA COMPRESSION
Compression: recoding data so that it requires
fewer bytes of storage space.
 Compression ratio: the amount file is shrunk
 Lossless: inverse algorithm restores data to exact
original form


Examples: GIF, PCX, TIFF
Lossy: trades off data degradation for file size and
download speed
Chapter 3 Data Formats

Much higher compression ratios, often 10 to 1
 Example: JPEG
 Common in multimedia


MPEG-2: uses both forms for ratios of 100:1
3-18
INTERNAL COMPUTER DATA FORMAT
All data stored as binary numbers
 Interpreted based on


Operations computer can perform
Data types supported by programming language used to
create application
Chapter 3 Data Formats

3-19
5 SIMPLE DATA TYPES
Boolean: 2-valued variables or constants with values of
true or false
 Char: Variable or constant that holds alphanumeric
character
 Enumerated

User-defined data types with possible values listed in definition

Type DayOfWeek = Mon, Tues, Wed, Thurs, Fri, Sat, Sun
Integer: positive or negative whole numbers
 Real



Chapter 3 Data Formats

Numbers with a decimal point
Numbers whose magnitude, large or small, exceeds
computer’s capability to store as an integer
3-20
KUIS KE-2
Ubah
6 angka desimal pada
NIM anda menjadi bilangan
biner, oktal, dan heksa
Untuk masing-masingnya,
tunjukkan mana nilai MSB dan
mana nilai LSB
PERKEMBANGAN
PERANGKAT KERAS
KOMPUTER
Materi :
 Stallings, bab 2
ENIAC
Electronic Numerical Integrator And Computer
Eckert and Mauchly
University of Pennsylvania
Tabel lintasan peluru
Mulai dibuat tahun 1943
Selesai tahun 1946
Terlambat digunakan dalam perang dunia
Dipakai sampai 1955
Minggu III
23
Detail dari ENIAC
 Menggunakan
sistem Decimal (bukan
binary)
 Memiliki 20 accumulators untuk 10 digits
 Diprogram secara manual melalui saklar (
switches )
 Berisi 18,000 tabung vakum
 Berat 30 tons
 Volume 15,000 kaki persegi
 Daya listrik 140 kW
 Kecepatan operasi 5,000 per detik
Minggu III
24
von Neumann/Turing
 Konsep
: program tersimpan (Stored Program)
 Memori Utama, untuk menyimpan data maupun
instruksi
 Arithmetic Logic Unit (ALU), untuk mengolah
data binner
 Control Unit, untuk melakukan interpretasi
instruksi - instruksi di dalam memori sehingga
adanya eksekusi instruksi tersebut
 I/0, untuk berinteraksi dengan lingkungan luar
 Computer of Institute for Advanced Studies
(IAS)
Diselesaikan tahun 1952
Minggu III
25
Struktur Mesin Von Nuemann
Arithmetic and
Logic Unit
Input
Output
Equipment
Main
Memory
Program Control Unit
26
Detail - IAS
 Kapasitas memori
: 1000 x 40 bit words
Menggunakan sistem bilangan Binary
Panjang instruksi 2 x 20 bit instruksi 20 bit
 Register-register dalam CPU :
Memory Buffer Register = MBR
Memory Address Register = MAR
Instruction Register = IR
Instruction Buffer Register = IBR
Program Counter = PC
Accumulator = AC
Multiplier Quotient = MQ
Minggu III
27
Structure of IAS - detail
Central Processing Unit
Arithmetic and Logic Unit
Accumulator
MQ
Arithmetic & Logic Circuits
MBR
Input
Output
Equipment
Instructions
Main
& Data
Memory
IBR
PC
MAR
IR
Program Control
Unit
Control
Circuits
Address
Keterangan Gambar






Memory Buffer Register (MBR), berisi sebuah word yang
akan disimpan di dalam memori atau digunakanuntuk
menerima word dari memori.
Memory Address Register (MAR), untuk menentukan
alamat word di memori untuk dituliskan dari MBR atau
dibaca oleh MBR.
Instruction Register (IR), berisi instruksi 8 bit kode
operasi yang akan dieksekusi.
Instruction Buffer Register (IBR), digunakan untuk
penyimpanan sementara instruksi sebelah kanan word di
dalam memori.
Program Counter (PC), berisi alamat pasangan instruksi
berikutnya yang akan diambil dari memori.
Accumulator (AC) dan Multiplier Quotient (MQ),
digunakan untuk penyimpanan sementara operand dan
hasil ALU. Misalnya, hasil perkalian 2 buah bilangan 40 bit
adalah sebuah bilangan 80 bit; 40 bit yang paling berarti
MSB disimpan dalam AC dan 40 bit lainnya LSB disimpan
dalam MQ.
Minggu III
29
Keterangan Gambar ……Lanjutan

IAS beroperasi secara berulang membentuk siklus
instruksi. Komputer IAS memiliki 21 instruksi, yang
dapat dikelompokkan seperti berikut ini :
◦ Data tranfer, memindahkan data di antara memori
dengan register – register ALU atau antara dua
register ALU sendiri.
◦ Unconditional branch, perintah – perintah
eksekusi percabangan tanpa syarat tertentu.
◦ Conditional branch, perintah – perintah eksekusi
percabangan yang memerlukan syarat tertentu
agar dihasilkan suatu nilai dari percabangan
tersebut.
◦ Arithmetic, kumpulan operasi – operasi yang
dibentuk oleh ALU.
◦ Address Modify, instruksi – instruksi yang
memungkinkan pengubahan alamat saat di
komputasi sehingga memungkinkan fleksibilitas
alamat yang tinggi pada Minggu
program.
III
30
Komputer Komersial
1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation
UNIVAC I (Universal Automatic Computer)
Untuk kalkulasi sensus 1950 oleh US Bureau
Menjadi divisi dari Sperry-Rand Corporation
Dipasarkan akhir tahun 1950 - UNIVAC II
Lebih cepat
Kapasitas memory lebih besar
Minggu III
31
IBM
Pabrik peralatan Punched-card
1953 - IBM 701
Komputer pertama IBM ( stored program
computer )
Untuk keperluan aplikasi Scientific
1955 - IBM 702
Untuk aplikasi Business
Merupakan awal dari seri 700/7000 yang
membuat IBM menjadi pabrik komputer yang
dominan
Minggu III
32
Transistor








Menggantikan vacuum tubes
Lebih kecil
Lebih murah
Disipasi panas sedikit
Merupakan komponen Solid State
Dibuat dari Silicon (Sand)
Ditemukan pada tahun 1947 di laboratorium
Bell
Oleh William Shockley dkk.
Minggu III
33
Komputer Berbasis Transistor
Mesin generasi II
NCR & RCA menghasilkan small transistor machines
IBM 7000
DEC - 1957
Membuat PDP-1
Minggu III
34
Microelectronics
 Secara harafiah berarti “
elektronika kecil”
 Sebuah komputer dibuat dari gerbang logika
(gate), memory cells and interconnections
 Sejunlah gate dikemas dalam satu keping semi
konduktor
 Misal silicon wafer
Minggu III
35
Beberapa Generasi Komputer
Vacuum tube - 1946-1957
 Transistor - 1958-1964
 Small scale integration - 1965 on

◦ Up to 100 devices on a chip

Medium scale integration - to 1971
◦ 100-3,000 devices on a chip

Large scale integration - 1971-1977
◦ 3,000 - 100,000 devices on a chip

Very large scale integration - 1978 to date
◦ 100,000 - 100,000,000 devices on a chip

Ultra large scale integration
◦ Over 100,000,000 devices on a chip
Hukum Moore
Meningkatkan kerapatan komponen dalam chip
Gordon Moore - cofounder of Intel
Jumlah transistor/ chip meningkat 2x lipet per tahun
Sejak tahun 1970 pengembangan sedikit agak
lambat
Jumlah transistor 2x lipat setiap 18 bulan
Harga suatu chip tetap/ hampir tidak berubah
Kerapatan tinggi berarti jalur pendek, menghasilkan
kinerja yang meningkat
Ukuran semakin kecil, fleksibilitas meningkat
Daya listrik lebih hemat, panas menurun
Sambungan sedikit berarti semakin handal
Minggu III
37
Perkembangan Jumlah Transistor
dalam CPU
Minggu III
38
IBM Seri 360
1964
Pengganti (& not compatible with) seri 7000
Rancangan awal suatu “family” computer
Memiliki set instruksi yang sama atau identik
Menggunakan O/S yang sama atau identik
Kecepatan meningkat
Jumlah port I/O meningkat (i.e. Terminal banyak)
Kapasitas memory bertambah besar
Harga meningkat
Struktur pensaklarannya Multiplexed
Minggu III
39
DEC PDP-8
1964
Minicomputer pertama (after miniskirt!)
Tidak mengharuskan ruangan ber-AC
Ukurannya kecil
Harga $16,000
$100k+ untuk IBM 360
Embedded applications & OEM
Menggunakan struktur BUS
Minggu III
40
Struktur BUS DEC - PDP-8
Console
Controller
CPU
Main Memory
I/O
Module
I/O
Module
OMNIBUS
Minggu III
41
Memori Semiconductor
1970
Fairchild
Ukuran kecil sebesar 1 sel core memory
Dapat menyimpan 256 bits
Non-destructive read
Lebih cepat dari core memory
Kapasitas meningkat 2x lipat setiap tahun
Minggu III
42
Intel
1971 - 4004
 First microprocessor
 All CPU components on a single chip
 4 bit
Followed in 1972 by 8008
 8 bit
 Digunakan untuk aplikasi khusus
1974 – 8080 , Mikroprosesor pertama Inte
1978 – 8086, 80286
1985- 80386
1989 - 80486
Minggu III
43
8080, keluar tahun 1972 merupakan mikroprosesor
pertama keluaran Intel dengan mesin 8 bit dan bus
data ke memori juga 8 bit. Jumlah instruksinya 66
instruksi dengan kemampuan pengalamatan 16KB.
 8086, dikenalkan tahun 1974 adalah mikroprosesor
16 bit dengan teknologi cache instruksi. Jumlah
instruksi mencapai 111 dan kemampuan
pengalamatan ke memori 64KB.
 80286, keluar tahun 1982 merupakan
pengembangan dari 8086, kemampuan
pengalamatan mencapai 1MB dengan 133 instruksi.
 80386, keluar tahun 1985 dengan mesin 32 bit.
Sudah mendukung sistem multitasking. Dengan
mesin 32 bitnya, produk ini mampu menjadi
terunggul pada masa itu.
 80486, dikenalkan tahun 1989. Kemajuannya pada
teknologi cache memori dan pipelining instruksi.
Sudah dilengkapi dengan math co-processor.

Minggu III
44
Pentium, dikeluarkan tahun 1993, menggunakan
teknologi superscalar sehingga memungkinkan
eksekusi instruksi secara paralel.
 Pentium Pro, keluar tahun 1995. Kemajuannya pada
peningkatan organisasi superscalar untuk proses
paralel, ditemukan sistem prediksi cabang, analisa
aliran data dan sistem cache memori yang makin
canggih.
 Pentium II, keluar sekitar tahun 1997 dengan
teknologi MMX sehingga mampu menangani
kebutuhan multimedia. Mulai Pentium II telah
menggunakan teknologi RISC.
 Pentium III, terdapat kemampuan instruksi floating
point untuk menangani grafis 3D  SSE
 Pentium IV, kemampuan floating point dan
multimedia semakin canggih
 Itanium, memiliki kemampuan 2 unit floating point, 4
unit integer, 3 unit pencabangan, internet streaming,
128 interger register.

Minggu III
45
Meningkatkan Kecepatan
 Pipelining
 On
board cache
 On board L1 & L2 cache
 Branch prediction
 Data flow analysis
 Speculative execution
Minggu III
46
Peningkatan Kinerja
 Kecepatan Processor meningkat
 Kapasitas Memory
meningkat
 Kecepatan Memory tertinggal dari kecepatan
processor
Minggu III
47
DRAM and Processor
Characteristics
Minggu III
48
Tren Penggunaan DRAM
Minggu III
49
Solusi
Meningkatkan jumlah bit per akses
Make DRAM “wider” rather than “deeper”
Mengubah interface DRAM
Cache
Mengurangi frequency akses memory
cache yang lebih komplek dan cache on chip
Meningkatkan interkoneksi bandwidth
Bus kecepatan tinggi - High speed buses
Hierarchy of buses
Minggu III
50
TUGAS – Kelas A
Apakah Hukum Moore masih relevan
dengan kondisi saat ini?
 Buat sebuah paper / makalah yang
merepresentasikan hal tersebut.
 Sertakan pula daftar pustaka.
 1 kelompok 3 orang.
 Dikumpulkan via email, paling lambat
tanggal 18 maret 2009 pukul 23.00

TUGAS – kelas B
Buat sebuah paper / makalah yang
berisikan tentang perkembangan
teknologi (evolusi) microprocessor
(IBM, Intel, AMD, VIA)
 Sertakan pula daftar pustaka.
 1 kelompok 3 orang.
 Dikumpulkan via email, paling lambat
tanggal 18 maret 2009 pukul 23.00
