Arsitektur Komputer

Arsitektur komputer ini merupakan rencana cetak-biru dan deskripsi fungsional dari kebutuhan bagian perangkat keras yang didesain (kecepatan proses dan sistem interkoneksinya). Arsitektur Komputer adalah sebuah konsep perencanaan dan struktur pengoperasian dasar dari suatu sistem komputer. Dengan pengertian lain Arsitektur Komputer yaitu suatu ilmu dan seni tentang tata cara interkoneksi diantara berbagai jenis komponen perangkat keras atau hardware supaya dapat melahirkan suatu komputer melengkapi keperluan fungsional, kinerja dan juga target keuangannya.

Dalam hal bidang teknik komputer, arsitektur komputer memiliki arti suatu ilmu yang bertujuan untuk merancang sebuah sistem komputer. Arsitektur von Neumann atau mesin von Neumann adalah arsitektur yang dibuat oleh John Von Neumann “1903-1957”, hampir semua komputer saat ini memakai arsitektur von Neumann.

Di arsitektur ini digambarkan bahwa komputer dengna empat bagian utama yaitu: unit artimatika dan logis (ALu), Unit kontrol, memori, alat masukan dan hasil” yang disebut dengan I/O, selanjutnya bagian-bagian tersebut terhubung oleh rangkaian kawat “bus”
Ada beberapa sub-kategori dalam arsitektur komputer, diantaranya yaitu:

• Set intruksi “ISA”
• Arsitektur mikro dari ISA
• Sistem desain dari semua komponen dalam perangkat keras “hardware” komputer ini.

Arsitektur Komputer Adalah Desain Komputer. Adapun arsitektur komputer adalah desain komputer yang mencakup:

• Set intruksi
• Komponen perangkat keras atau hardware
• Susunan sistem

Adapun jenis-jenis arsitektur komputer adalah:

• Komputer SISD
  Merupakan singkatan dari Single Intruction, Single Data adalah satu-satunya yang menggunakan arsitektur vin neumann. Iini dikarenakan pada model ini hanya digunakan 1 processor. Oleh karena itu model ini bisa dikatakan sebagai model untuk komputasi tunggal, sedangkan ketiga lainnya merupakan komputasi pralel yang menggunakan beberapa processor. Beberapa contoh komputer yang menngunakan model SISD adalah UNIVAC1, IBM 360, CDC 7600, Cray 1 dan PDP 1.
  
  
  
  
• Komputer SIMD
  Merupakan singkatan dari Single Intruction, Multiple Data. SIMD menggunakan banyak processor dengan intruksi yang sama, namun setiap processor mengolah data yang bebeda. Beberapa contoh komputer yang menggunakan model SIMD adalah ILLIAC IV, MasPar, Cray X-MP, Cray Y-MP, Thinking Machine CM-2 dan Cell Prcessor (GPU)
  
  
  
  
• Komputer MISD
  Merupakan singkatan dari Multiple Intruction, Single Data. MISD menggunakan banyak processor dengan setiap processor menggunakan intruksi yang berbeda namun menggolah data yang sama. Hal ini merupakan kebalikan dari model SIMD. Samapai saat ini belum ada komputer yang menggunakan model MISD.
  
  
• Komputer MIMD
  Merupakan singkatan dari Multiple Instruction, Multiple Data. MIMD menggunakan banyak processor dengan setiap processor memiliki instruksi yang bebeda dan mengolah data yang berbeda. Namun banyak komputer yang menggunakan model MIMD juga memasukkan komponen untuk model SIMD. Beberapa komputer yang mengunakan model MIMD adalah IBM POWER5, HP/Compaq Alpha Server, Intel IA32, AMD Opteron, Cray XT3 dan IBM BG/L.
  
  

Klasifikasi arsitektur komputer antara lain:

1. Arsitektur von neumann
   Arsitektur von Neumann (atau Mesin Von Neumann) adalah arsitektur yang diciptakan oleh John von Neumann (1903-1957). Arsitektur ini digunakan oleh hampir semua komputer saat ini. Arsitektur Von Neumann menggambarkan komputer dengan empat bagian utama: Unit Aritmatika dan Logis (ALU), unit kontrol, memori, dan alat masukan dan hasil (secara kolektif dinamakan I/O). Bagian ini dihubungkan oleh berkas kawat, “bus”.
   Kriteria mesin Von Neumann :
   
   • Mempunyai subsistem hardware dasar yaitu sebuah CPU, sebuah memori dan sebuah I/O sistem
   • Merupakan stored-program computer
   • Menjalankan instruksi secara berurutan
   • Mempunyai jalur (path) bus antara memori dan CPU
     
     
   Pada perkembangan komputer modern, setiap prosesor terdiri dari atas :
   
   • Arithmetic and Logic Unit (ALU)
     Arithmatic and Logic Unit atau Unit Aritmetika dan Logika berfungsi untuk melakukan semua perhitungan aritmatika (matematika) dan logika yang terjadi sesuai dengan instruksi program. ALU menjalankan operasi penambahan, pengurangan, dan operasi-operasi sederhana lainnya pada input-inputnya dan memberikan hasilnya pada register output.
   • Register.
     Register merupakan alat penyimpanan kecil yang mempunyai kecepatan akses cukup tinggi, yang digunakan untuk menyimpan data dan instruksi yang sedang diproses, sementara data dan instruksi lainnya yang menunggugiliran untukdiproses masihdisimpan yang menunggugiliran untuk diproses masihdisimpan di dalam memori utama. Setiap register dapat menyimpan satu bilangan hingga mencapai jumlah maksimum tertentu tergantung pada ukurannya.
   • Control Unit
     Control Unit atau Unit Kontrol berfungsi untuk mengatur dan mengendalikan semua peralatan yang ada pada sistem komputer. Unit kendali akan mengatur kapan alat input menerima data dan kapan data diolah serta kapan ditampilkan pada alat output. Unit ini juga mengartikan instruksi-instruksi dari program. Unit ini juga mengartikan instruksi-instruksi dari program komputer, membawa data dari alat input ke memori utama dan mengambil data dari memori utama untuk diolah. Bila ada instruksi untuk perhitungan aritmatika atau perbandingan logika, maka unit kendali akan mengirim instruksi tersebut ke ALU. Hasil dari pengolahan data dibawa oleh unit kendali ke memori utama lagi untuk disimpan, dan pada saatnya akan disajikan ke alat output.
   • Bus
     Bus adalah sekelompok lintasan sinyal yang digunakan untuk menggerakkan bit-bit informasi dari satu tempat ke tempat lain, dikelompokkan menurut fungsinya Standar bus dari suatu sistem komputer adalah bus alamat (address bus), bus data (data bus) dan bus kontrol (control bus). Komputer menggunakan suatu bus atau saluran bus sebagaimana kendaraan bus yang mengangkut penumpang dari satu tempat ke tempat lain, maka bus komputer mengangkut data. Bus komputer menghubungkan CPU pada RAM dan periferal. Semua komputer menggunakan saluran busnya untuk maksud yang sama.
     
2. Arsitektur RISC
   RICS singkatan dari Reduced Instruction Set Computer. Merupakan bagian dari arsitektur mikroprosessor, berbentuk kecil dan berfungsi untuk negeset istruksi dalam komunikasi diantara arsitektur yang lainnya. Reduced Instruction Set Computing (RISC) atau “Komputasi set instruksi yang disederhanakan” pertama kali digagas oleh John Cocke, peneliti dari IBM di Yorktown, New York pada tahun 1974 saat ia membuktikan bahwa sekitar 20% instruksi pada sebuah prosesor ternyata menangani sekitar 80% dari keseluruhan kerjanya. Komputer pertama yang menggunakan konsep RISC ini adalah IBM PC/XT pada era 1980-an. Istilah RISC sendiri pertama kali dipopulerkan oleh David Patterson,pengajar pada University of California di Berkely.
   
   
   RISC, yang jika diterjemahkan berarti “Komputasi Kumpulan Instruksi yang Disederhanakan”, merupakan sebuah arsitektur komputer atau arsitektur komputasi modern dengan instruksi-instruksi dan jenis eksekusi yang paling sederhana. Arsitektur ini digunakan pada komputer dengan kinerja tinggi, seperti komputer vektor. Selain digunakan dalam komputer vektor, desain ini juga diimplementasikan pada prosesor komputer lain, seperti pada beberapa mikroprosesor Intel 960, Itanium (IA64) dari Intel Corporation, Alpha AXP dari DEC, R4x00 dari MIPS Corporation, PowerPC dan Arsitektur POWER dari International Business Machine.
   
   Selain itu, RISC juga umum dipakai pada Advanced RISC Machine (ARM) dan StrongARM (termasuk di antaranya adalah Intel XScale), SPARC dan UltraSPARC dari Sun Microsystems, serta PA-RISC dari Hewlett-Packard. Karakteristik RISC antara lain:
   
   • Siklus mesin ditentukan oleh waktu yang digunakan untuk mengambil dua buah operand dari register, melakukan operasi ALU, dan menyimpan hasil operasinya kedalam register, dengan demikian instruksi mesin RISC tidak boleh lebih kompleks dan harus dapat mengeksekusi secepat mikroinstruksi pada mesin-mesin CISC.
   • Operasi berbentuk dari register-ke register yang hanya terdiri dari operasi load dan store yang mengakses memori. Fitur rancangan ini menyederhanakan set instruksi sehingga menyederhanakan pula unit control.
   • Penggunaan mode pengalamatan sederhana, hampir sama dengan instruksi menggunakan pengalamatan register.
   • Penggunaan format-format instruksi sederhana, panjang instruksinya tetap dan disesuaikan dengan panjang word
   Karakteristik-Karakteristik Eksekusi Instruksi antara lain:
   
   • Operasi
     Beberapa penelitian telah menganalisis tingkah laku program HLL (High Level Language). Assignment Statement sangat menonjol yang menyatakan bahwa perpindahan sederhana merupakan satu hal yang penting. Hasil penelitian ini merupakan hal yang penting bagi perancang set instruksi mesin yang mengindikasikan jenis instruksi mana yang sering terjadi karena harus didukung optimal.
   • Operand
     Penelitian Paterson telah memperhatikan [PATT82a] frekuensi dinamik terjadinya kelaskelas variabel. Hasil yang konsisten diantara program pascal dan C menunjukkan mayoritas referensi menunjuk ke variable scalar. Penelitian ini telah menguji tingkah laku dinamik program HLL yang tidak tergantung pada arsitektur tertentu. Penelitian [LUND77] menguji instruksi DEC-10 dan secara dinamik menemukan setiap instruksi rata-rata mereferensi 0,5 operand dalam memori dan rata-rata mereferensi 1,4 register. Tentu saja angka ini tergantung pada arsitektur dan kompiler namun sudah cukup menjelaskan frekuensipengaksesan operand sehingga menyatakan pentingnya sebuah arsitektur.
   • Procedure Calls
     Dalam HLL procedure call dan return merupakan aspek penting karena merupakan operasi yang membutuhkan banyak waktu dalam program yang dikompalasi sehingga banyak berguna untuk memperhatikan cara implementasi opperasi ini secara efisien. Adapun aspeknya yang penting adalah jumlah parameter dan variabel yang berkaitan dengan prosedur dan kedalaman pensarangan (nesting).
   • Procedure Calls
     Dalam HLL procedure call dan return merupakan aspek penting karena merupakan operasi yang membutuhkan banyak waktu dalam program yang dikompalasi sehingga banyak berguna untuk memperhatikan cara implementasi opperasi ini secara efisien. Adapun aspeknya yang penting adalah jumlah parameter dan variabel yang berkaitan dengan prosedur dan kedalaman pensarangan (nesting).
     
3. Arsitektur CISC
   Sarat informasi memberikan keuntungan di mana ukuran program-program yang dihasilkan akan menjadi relatif lebih kecil, dan penggunaan memory akan semakin berkurang. Karena CISC inilah biaya pembuatan komputer pada saat itu (tahun 1960) menjadi jauh lebih hemat Dimaksudkan untuk meminimumkan jumlah perintah yang diperlukan untuk mengerjakan pekerjaan yang diberikan. (Jumlah perintah sedikit tetapi rumit) Konsep CISC menjadikan mesin mudah untuk diprogram dalam bahasa rakitan
   
   
   
   
4. Arsitektur harvard
   Arsitektur Havard menggunakan memori terpisah untuk program dan data dengan alamat dan bus data yang berdiri sendiri. Karena dua perbedaan aliran data dan alamat, maka tidak diperlukan multiplexing alamat dan bus data. Arsitektur ini tidak hanya didukung dengan bus paralel untuk alamat dan data, tetapi juga menyediakan organisasi internal yang berbeda sedemikian rupa instruksi dapat diambil dan dikodekan ketika dan data, tetapi juga menyediakan organisasi internal yang berbeda sedemikian rupa instruksi dapa Lebih lanjut lagi, bus data bisa saja memiliki ukuran yang berbeda dari bus alamat. Hal ini memungkinkan pengoptimalan bus data dan bus alamat dalam pengeksekusian instruksi yang cepat diambil dan dikodekan ketika berbagai data sedang diambil dan dioperasikan. Sebagai contoh, mikrokontroler Intel keluarga MCS-51 menggunakan arsitektur Havard karena ada perbedaan kapasitas memori untuk program dan data, dan bus terpisah (internal) untuk alamat dan data. Begitu juga dengan keluarga PIC dari Microchip yang menggunakan arsitektur Havard.
   
   
   
   
5. Arsitektur blue gene
   Blue Gene adalah sebuah arsitektur komputer yang dirancang untuk menciptakan beberapa superkomputer generasi berikut, yang dirancang untuk mencapai kecepatan operasi petaflop (1 peta = 10 pangkat 15), dan pada 2005 telah mencapai kecepatan lebih dari 100 teraflop (1 tera = 10 pangkat 12). Blue Gene merupakan proyek antara Departemen Energi Amerika Serikat (yang membiayai projek ini), industri (terutama IBM), dan kalangan akademi. Ada lima projek Blue Gene dalam pengembangan saat ini, diantaranya adalah Blue Gene/L, Blue Gene/C, dan Blue Gene/P.
   
   
   Komputer pertama dalam seri Blue Gene. Blue Gene/L dikembangkan melalui sebuah “partnership” dengan Lawrence Livermore National Laboratory menghabiskan biaya AS$100 juta dan direncanakan dapat mencapai kecepatan ratusan TFLOPS, dengan kecepatan puncak teoritis 360 TFLOPS. Ini hampir sepuluh kali lebih cepat dari Earth Simulator, superkomputer tercepat di dunia sebelum Blue Gene. Pada Juni 2004, dua prototipe Blue Gene/L masuk dalam peringkat 500 besar superkomputer berada dalam posisi ke-4 dan ke-8.
   

   Pada 29 September 2004 IBM mengumumkan bahwa sebuah prototipe Blue Gene/L di IBM Rochester (Minnesota) telah menyusul Earth Simulator NEC sebagai komputer tercepat di dunia, dengan kecepatan 36,01 TFLOPS, mengalahkan Earth Simulator yang memiliki kecepatan 35,86 TFLOPS. Mesin ini kemudian mencapai kecepatan 70,72.
   
   Pada 24 Maret 2005, Departemen Energi AS mengumumkan bahwa Blue Gene/L memecahkan rekor komputer tercepat mencapai 135,5 TFLOPS. Hal ini dimungkinkan karena menambah jumlah rak menjadi 32 dengan setiap rak berisi 1.024 node komputasi. Ini masih merupakan setengah dari konfigurasi final yang direncanakan mencapai 65.536 node.
   
   Pada 27 Oktober, 2005, Lawrence Livermore National Laboratory dan IBM mengumumkan bahwa Blue Gene/L sekali lagi telah menciptakan rekor dengan mengalahkan rekornya sendiri setelah mencapai kecepatan 280.6 TFLOPS.

Klasifikasi sistem arsitektur komputer antara lain:

1. Klasifikasi Michaerl J. Flynn
   Pada tahun 1966, Flyyn mengklasifikasikan arsitektur komputer berdasarkan sifatnya yaitu :
   
   • Jumlah prosesor
   • Jumlah program yang dapat dijalankan
   • Struktur memori
     
     
   Menurut Flyyn ada 4 klasifikasi komputer :
   
   • SISD (Single Instruction Stream, Single Data Stream)
     Satu CPU yang mengeksekusi instruksi satu persatu dan menjemput atau menyimpan data satu persatu.
   • SIMD (Single Instruction Stream, Multiple Data Stream)
     Satu unit kontrol yang mengeksekusi aliran tunggal instruksi, tetapi lebih dari satu Elemen Pemroses
   • MISD (Multiple Instruction Stream, Single Data Stream)
     Mengeksekusi beberapa program yang berbeda terhadap data yang sama. Ada dua kategori:
     
     1. Mesin dengan Unit pemroses berbeda dengan instruksi yang berbeda dengan data yang sama (sampai sekarang tidak ada mesin yang seperti ini) 
     2. Mesin, dimana data akan mengalir ke elemen pemroses serial
   • MIMD (Multiple Instruction Stream, Multiple Data Stream)
     Juga disebut multiprocessors, dimana lebih dari satu proses dapat dieksekusi berikut terhadap dengan datanya masing-masing,
     
2. Klasifikasi Shore
   J.E. Shore membuat klasifikasi arsitektur komputer yang didasarkan pada organisasi bagian-bagian penyusun suatu komputer dan membedakannya menjadi enam jenis mesin.
   
   • Mesin I. Pada komputer ini, satu instruksi dikerjakan pada suatu waktu dan masing-masing beroperasi pada satu word dalam suatu waktu.
   • Mesin II. Komputer ini juga menjalankan satu instruksi pada suatu waktu namun ia beroperasi pada sebuah irisan dari suatu bit dala suatu waktu, bukannya semua bit dalam suatu word data.
   • Mesin III. Sebuah komputer dalam kelas ini memiliki dua unit pengolahan yang dapat beroperasi pada data, satu word dalan suatu waktu atau suatu irisan bit dalam suatu waktu.
   • Mesin IV. Komputer jenis ini dicirikan oleh sejumlah elemen (unit pengolahan dan unit memori), semua di bawah kendal sebuah unit kendali logik (CLU) tunggal.
   • Mesin V. Mesin V dihasilkan dengan mengubah mesin IV sedemikian sehingga elemen-elemen pengolahan dapat berkomunikasi dengan tetanggaterdekat mereka.
   • Mesin VI. Komputer ini disebut sebagai array logika dalam memori, merupakan sebuah mesin dengan logik yang tersebar dalam memori.
     
3. Klasifikasi Feng
   Tse-yum Feng (1972) menyarankan pengkasifikasian arsitektur komputer atas tingkatan paralelisme mereka. Tingkatan paralelisme (degree of paralelisme) diwakili oleh pasangan (n, m) di ana n merupakan panjang word dan m adalah panjang irisan bit. Pasangan ini diklasifikasikan menjadi empat kelompok sebagai berikut :
   
   • Jika n = 1 dan m = 1 maka tidak terjadi paralelisme. Word dan bit diproses satu per satuan waktu. Hal ini disebut sebagai word serial/bit serial (WSBS).
   • Jika n>1 dan m = 1 maka paralisme itu disebut sebagai word paralel/bit serial (WPBS). Dalam hal ini, semua n irisan bit dapat diproses satu per satuan waktu.
   • Paralelisme word serial/bit paralel (WSBP) terjadi jika n = 1 dan m > 1. Dengan demikian sejumlah word diproses satu per satuan waktu tetapi sejumlah m bit dan masing-masing word diproses secara paralel.
   • Kategori terakhir disebut sebagai word paralel/bit (WPBP) dan merupakan suatu paralelisme di mana n > 1 dan m > 1. Dalam hal ini, sejumlah nm bit diproses secara bersamaan.

Share: