fasilkom.mercubuana.ac.idfasilkom.mercubuana.ac.id/wp-content/...dan-organisasi-komputer-ti.pdf ·...

MODUL PERKULIAHAN

PENDAHULUAN

Pengenalan Arsitektur Dan Organisasi Komputer

Fakultas Program Studi Tatap Muka Kode MK Disusun Oleh

Ilmu Komputer Teknik Informatika

01 15004 Tim Dosen

Abstract Kompetensi

Membahas tentang konsep dasar Arsitektur dan Organisasi Komputer

Mahasiswa dapat memahami konsep dasar organisasi dan arsitektur komputer serta perbedaanya

2012 2 Arsitektur dan Organisasi Komputer Pusat Bahan Ajar dan eLearning

Tim Dosen http://www.mercubuana.ac.id

Pendahuluan

Komputer adalah merupakan suatu peralatan pemrosesan data yang cukup

kompleks, bukan saja sekedar peralatan yang terdiri dari hardware dan software saja tetapi

merupakan suatu bagian yang terintegrasi yang melibatkan segi arsitektural maupun

organisasinya.

Didalam memandang suatu sistem komputer maka ada 2 hal yang harus

diperhatikan :

Arsitektural

Berkaitan dengan sebuah sistem yang tampak bagi seorang user atau pemrogram

Contoh sebuah sistem arsitektur :

Jumlah bit

Mekanisme I/O

Teknik teknik addressing dari memory

Organisasi

Berkaitan dengan unit unit operasional dan interkoneksi ( hubungan ) yang

merealisasikan spesifikasi arsitekturalnya.

Contoh dari organisasi :

Hardware pendukung

Signal signal kontrol dari I/O atau peralatan pendukung lainnya.

Interfacing.

Bagaimana sistem dari arsitektur dan organisasinya dapat dimengerti dengan baik

maka seorang perancang komputerharus mengerti dengan jelas sifat dan hierarkhi dari

sebuah sistem komputer.

Sifat dan hierarkhi dari sebuah sistem dapat dilihat dengan jelas berdasarkan tingkat

tingkat yang ada didalam sistem dimana pada setiap tingkatannya yang harus dimengerti

dengan benar adalah struktur dan fungsi dari tingkatan tersebut.



FUNGSI :

Adalah merupakan operasi dari masing masing komponen sebagai bagian dari sistem

keseluruhan.

Gambar 1.1. Fungsi Utama secara umum sebuah Komputer

Fungsi dasar yang dapat dilihat pada sebuah sistem komputer adalah

Data Processing

Berkaitan dengan hal hal yang berhubungan dengan pemrosesan data menjadi

informasi sesuai dengan program yang ada.

Bentuk data disini adalah data digital.

Data Storage

Berkaitan dengan hal hal yang berhungan dengan penyimpanan data / informasi

yang ada.

Bentuk data disini adalah dapat berupa data digital atau data analog dengan fornat

digital.

Data Transfer

Berkaitan dengan hal hal yang berhubungan perpindahan data dari dalam sistem

komputer keluar atau sebaliknya.

Bentuk data disini adalah data analog yang sesuai dengan medianya dan harus

terdapat suatu mekanisme perubah dari data analog ke digital atau sebaliknya.

INPUT PEMROSES

AN

OUTPUT

STORAGE



Control

Berkaitan dengan hal hal yang berhubungan dengan sinkronisasi kerja dari ketiga hal

tersebut diatas, baik sinkronisasi secara hardware maupun software.

Gambar 1.2. Fungsi dasar sebuah sistem Komputer

1. Proses Data Transfer

Gambar 1.3. Proses Data Transfer

Control

Data

Transffer

Data

Storag

e

Data

Processing

Data

Storag

Data

Proces

Control

Data

Transfe



Perpindahan antara komputer dengan dunia luar yang bersifat sementara.

Sistem Komputer hanya bersifat sebagai pelalu data

Melibatkan peripheral transfer data

2. Proses Input - Output

Gambar 1.4. Proses Input-Output

Pemasukan data dari dunia luar ke sistem komputer atau sebaliknya

Proses I/O

Terjadi perubahan bentuk data

Terjadi proses buffering

Proses pengolahan data

Gambar 1.5. Proses Pengolahan data

Data

Storage

Control

Data

Transfer

Data

Process

Data

Storag

Contro

l

Data

Transfe

Data

Proces



Pada proses pengolahan data mempunyai urutan kerja sebagai berikut:

Proses pengolahan data menjadi informasi sesuai dengan program yang ada.

Control akan mengatur sinkronisasi kerja peralatan pengolah data

Program akan mengatur urutan kerja dari data menjadi informasi.

Proses penyaluran informasi

Gambar 1.6 Proses Pengolahan Data

Merupakan penggabungan dari ketiga bentuk proses diatas.

Melibatkan peralatan komunikasi jika informasi hasil proses akan dikirimkan pada jarak

yang jauh.

Terjadi perubahan bentuk data dari digital menjadi analog dan sebaliknya pada saat

proses interfacing

Data

Storage

Control

Data

Transfer

Data

Process



STRUKTUR

adalah merupakan cara dari komponen komponen tersebut dapat saling terkait satu

dengan yang lainnya sehingga membentuk suatu fungsi tertentu.

Suatu sistem kompoter secara struktur terdiri dari 4 komponen utama :

Central Processing Unit

Memori utama

Input – Output

System Interconnrction

Komponen utama dari CPU terdiri dari :

Control Unit

Arithmetic and Logic Unit

Register

CPU Interconnection

Control Unit sistem komputer yang berfungsi sebagai pengatur kerja utama didalam sistem

CPU terdiri dari :

Seguencing Logic

Control Unit Register dan Decoder

Control Memory

Gambar 1.7. Struktruktur Sebuah Komputer secara sederhana

COMPUTER

1 2

4

3

COMPUTER



Bagian pada komputer menurut gambar 1.7 adalah sebagai berikut:

1 : CPU

2 : Main Memory

3 : System Interconnection

4 : Input Output

Gambar 1. 8. Struktur Komponen Utama CPU

3

COMPUTER

5 6

8

7

C P U

Dimana:

1: Memory

2 : Input Output

3 : System Bus

4 : CPU

5 : Control Unit

6 : ALU

7 : Internal CPU

Interconnect

8 : Register



Gambar 1.9. Struktur Komponen Pada Control Unit

Pada pertemuan selanjutnya akan dibahasa mengenai bagian struktur dari sebuah

komputer mulai dari CPU, memori Internal dan eksternal, Bus dan cara pengorganisasian

masing-masing kompunen struktur dari komputer yang sudah ada.

Latihan :

1. sebutkan dan jelaskan fungsi dasar dari sebuah komputer?

2. Menurut Jhon Von Newman terdapat 3 komponen terpenting dalam sebuah

komputer, sebutkan bagian masing-masing dan jelaskan?

1 : ALU

2 : Register

3 : Internal CPU Bus

4 : Control Unit

5 : Sequencing Logic

6 : Control Unit

Register - Decoder

7 : Control Memory

3

CPU

5

7

6

Control Unit



Daftar Pustaka

1. William Stalling Computer Organization and Architecture, Prentice Hall, 8 Th ed, 2000

2. Ron White & Timothy Downs, How computer works, 6th edition

3. Abdurohman, M., Organisasi dan Arsitektur Komputer., penerbit Informatika 2007

4. Hamacher Carl., Computer Organization 5E., McGraw-Hill Companies, Inc., 2002

MODUL PERKULIAHAN

Struktur Interkonesi

(Bus System)

Interkonesi Unit-Unit Komputer



02 15004 Tim Dosen

Abstract Kompetensi

Membahas tentang Fungsi Bus sytem dan Perkembangannya

Mahasiswa dapat mengetahui Memahami fungsi sistem bs pada Komputer dan perkembangan teknologinya



Evolusi Komputer

A. Generasi Pertama

Komponen utama : Vacum Tube

ENIAC

Electronic Numerical Integrator And Computer

Berat 30 ton dan Volume 15 000 ft2

Berisi lebih dari 18.000 tabung vakum

Membutuhkan daya listrik 140 kilo watt

Mampu melakukan 5000 operasi penambahan perdetik

Mesin von Neuman

Menggunakan prinsip Stored Program Concept

Mengacu pada IAS (Institute Advanced Studies )

Stuktur IAS terdiri dari :

Main Memory

Arithmetic and Logic Unit

Control Unit

I/O Peripheral

Mesin von Neuman inilah yang akhirnya menjadi dasar dari komputer saat ini.

Pada mesin ini sudah diperkenalkan konsep pemrograman bagi pengaturan keseluruhan

sistem.

Bahasa yang digunakan adalah bahasa mesin.



Struktur mesin IAS

Gambar 2.1 Diagram Blok Mesin IAS

Main Memory

Arithmetic

And Logic

Program

Control

Peripheral

I / O

ACC Temp.

A L U

DR

IBR PC

IR AR

Control

Circuit

I / O

M A I N

M E M O R Y

CPU

Data

Processing

Program Control Unit

Control

Signal

0 39

OP. CODE OPERAND OP. CODE OPERAND

S



Gambar 2.2 struktur Mesin IAS

Pada gambar 2.2 tersebut diatas menjelaskan bahwa baik Control Unit maupun ALU

berisi register yang didefinikan sebagai berikut :

Memory Buffer Register ( MBR )

Memory Adress Register ( MAR )

Instruction Register ( IR )

Instruction Buffer Register ( IBR )

Program Counter ( PC )

Akumulator dan Temporary Register.

Mesin IAS telah membentuk format dasar dari suatu pelaksanaan instruksi yaitu :

Fetch

Decode

Execute ( Operand Fetch dan Execute )

IAS mempunyai 21 instruksi yang dapat dikelompokkan menjadi :

Data Transfer

Unconditional Branch

Conditional Branch

Erithmetic

Address Modify.

Memory pada IAS terdiri dari 2 instruksi yaitu Left Instruction (LI) dan Right Instruction

(RI) hal ini merupakan dasar dari konsep “look forward” pada generasi saat ini.

Kelemahan dari LI dan RI jika digunakan pada komputer era saat ini adalah adanya

bagian instruksi yang tidak terbaca pada saat suatu subroutine di jalankan.

B. Generasi Ke Dua

Komponen utama : Transistor

Kecepatan proses lebih tinggi

Kapasitas penyimpanan data / instruksi yang lebih besar



Ukuran lebih kecil

Daya operasional dan dimensi fisik yang makin kecil.

Menggunakan bahasa pemrograman tingkat tinggi.

Diperkenalkannya Multiplexor yang berfungsi sebagai I/O Processor.

Terjadinya pemisahan antara internal instruction dan external instruction.

Komunikasi antara CPU dan I/O Controller menggunakan teknik interupsi.

Contoh : IBM seri 7000 (seperti IBM 7090, IBM 7094 I, IBM 7094 II )

Gambar 2.3 Struktur Komputer Generasi Ke-2

C. Generasi Ke Tiga

Komponen utama : Integrated Circuit dari kelas SSIC dan MSIC

Integrated Circuit yang digunakan adalah :

Small Scale Integrated Circuit ( SSIC )

Medium Scale Integrated Circuit ( MSIC )

ACC Temp.

A L U

DR

IBR

PCIR AR

Control

Circuit

CPU

Control

Signal

Index Adders

Index Register

Operator

Console

Main Memory

M u l t i p l e x e r

I/O

Processor

I / O

Processor

Magnetic

Tape

Card

Reader

Printer

Drum / Disc

Contrl

DRUM Dics

S Fixed Point

S Exponent Mantissa

Op Code Address



Memory yang digunakan : semikonduktor

Teknology mikroelektronika sudah mulai dibentuk gate dan memory Cell (flip flop).

Dari gate dan memory Cell maka terbentuklah 4 fungsi dasar dari sistem komputer :

Data Storage memory cell.

Data Processing gate.

Data Transfer memory cell dan gate.

Control gate.

I/O Processor menalami perubahan :

Selector Channel untuk I/O yang mempunyai kecepatan tinggi.

Multiplexer Channel untuk I/O yang mempunyai kecepatan

sedang (lambat)

Diperkenalkannya sistem akses langsung ke memory yaitu DMA ( Direct Memory

Access )

Contoh : IBM System 360, DEC PDP - 8

Gambar 2.3 Struktur Komputer Generasi Ke-3

Tape Storage Disk Storage Disk Storage

Tape

Control UnitDisk Control Unit

Console Card Reader Line Printer

Control Unit Control Unit Control Unit

IOP

(Selector Channel)

IOP

(Multiplexer Channel)

MEMORY

Control Unit

Main

MEMORY

C P U



D. Generasi Ke Empat

Komponen utama : Integrated Circuit

Integrated Circuit yang digunakan adalah LSIC ( Large Scale Integrated Circuit )

Mulai diperkenalkan teknologi mikroprosesor

Dikenalnya Operating System

Memory semikonduktor telah mencapai kerapatan yang tinggi RAM dan ROM

Diperkenalkannya konsep jaringan.

E. Generasi Ke Lima

Komponen utama : Integrated Circuit

Integrated Circuit yang digunakan adalah VLSIC (Very Large Scale Integrated

Circuit)

Perkembangan perangkat lunak kearah grafis dan animasi.

Mulai diperkenalkannya aplikasi desktop

Adanya perkembangan dari teknologi microprocessor, contoh INTEL :

8008

8080 / 8086

80286

80386

80486

Pentium (80586)

Tabel 2.1 Evolusi Komputer

Generasi Tahun Prakiraan Teknologi Operasi per detik

I 1946 - 1957 Vacum Tube 40.000

II 1958 - 1964 Transistor 200.000

III 1965 - 1971 SSIC dan MSIC 1.000.000

IV 1972 - 1977 LSIC 10.000.000



Dari tabel 2.1 tersebut terlihat peningkatan kerapatan komponen pada sistem

processor akan meningkatkan besarnya operasi yang dapat dilakukan persatuan waktu.

Hal ini dapat terjadi karena adanya penambahan fungsi fungsi pendukung kerja pada sistem

processor tersebut.

F. Perancangan kinerja

1. Aplikasi Desktop :

Aplikasi desktop yang memerlukan daya yang besar pada sistem yang berbasis

miocroprocessor saat ini meliputi :

Pengolahan Citra

Voice Recognition

Video Konference

Multimedia

2. Teknik Perancangan microprocessor kontemporer

Untuk peningkatan kecepatan processor maka beberapa tahapan telah dibuat

diantaranya :

Branch Prediction

Data Flow Analysis

Speculative Executive

V 1978 - … VLSIC 100.000



3. Keseimbangan Kinerja

Pengaturan organisasi dan arsitektur untuk mengkompensasi perbedaan

kemampuan yang terdapat diantara bermacam macam komponen.

Beberapa cara ditempuh untuk mencapai keseimbangan kerja :

Melebarkan DRAM dan menggunakan lintasan data bus yang lebih besar

Mengubah interface DRAM dengan melibatkan cache atau teknik pem – buffer – an.

Mengurangi frekwensi akses memori dengan menggunakan struktur cache yang

lebih kompleks dan effisien antara processor dan memory utama.

Meningkatkan bandwidth interkoneksi antara processor dengan memori dengan

menggunakan hierarkhi bus untuk mem – buffer – kan data.

Meningkatkan bandwidth interkoneksi antara processor dengan memory utama

dengan menggunakan bus – bus berkecepatan tinggi.

B. Komponen komponen sistem komputer

1. Rancangan arsitektural von Neuman didasarkan pada tiga konsep utama :

Data dan instruksi disimpan di memori utama

Memori ini dapat dialamati dengan lokasi

Eksekusi terjadi dengan cara sequential.

2. Komponen komponen pada level atas terdiri dari :

CPU

Memory

Input / Output

Interkoneksi antara komponen CPU, Memori dan Input / Output.

Dari konsep tersebut diatas maka muncullah 2 pendekatan dasar pada sistem

arsitektur :

• Pendekatan hardware

Peralatan untuk tujuan khusus

Kecepatan operasi yang tinggi



Untuk pengembangan dibutuhkan tambahan peralatan baru

Harga relatif mahal

• Pendekatan Software

Peralatan yang multiguna (General Purpose)

Kecepatan proses yang relatif tidak terlalu tinggi

Fungsi dari keseluruhan sistem tergantung dari instruksi atau program yang ada.

Untuk pengembangan, difokuskan pada penambahan perangkat lunak.

Harga relatif lebih murah.

Komponen komponen yang berhubungan dengan aliran data dari sebuah sistem komputer,

secara global adalah :

CPU (Central Processing Unit )

MAR ( Memory Addres Register )

MBR ( Memory Buffer Register )

IOAR ( Input Output Address Register )

IOBR ( Input Output Buffer Register

Memory lokasi dari memory yang bersangkutan dan teknik addressing – nya.

Input Output Buffer.

Pengolahan instruksi terbagi menjadi 3 fase utama, yaitu :

Fetch instruksi

Decode instruksi

Execute instruksi

Aksi pada awal siklus instruksi dibagi dalam 4 tahapan penting :

CPU Memory

CPU I/O

Data Processing

Control

Siklus dari sebuah instruksi.



Gambar 2.4 Siklus sebuah Instruksi

Adapun singkatan dari gambar tersebut diatas :

IAC : Instruction Address Calculation

IF : Instruction Fetch

IOD : Instruction Operation Decoding

OAC : Operand Address Calculation

OF : Operang Fetch

DO : Data Operation

OS : Operand Store

Daftar Pustaka





Multiple

Result IAC OAC IOD DO

IF OF OS

OAC

Multip

le

Next String/Vect

or

MultipCPU

Intern

al

MODUL PERKULIAHAN

Struktur Interkonesi

(Bus System)

Interkonesi Unit-Unit Komputer



03 15004 Tim Dosen

Abstract Kompetensi

Membahas tentang Fungsi Bus sytem dan Perkembangannya

Mahasiswa dapat mengetahui Memahami fungsi sistem bs pada Komputer dan perkembangan teknologinya



Bus System

Sebuah komputer terdiri dari sekumpulan komponen komponen dasar seperti : CPU,

memori dan I/O, yang saling berinteraksi satu dengan yang lainnya.

Kumpulan lintasan lintasan yang saling menghubungkan berbagai modul modul tersebut

dikenal dengan nama struktur interkoneksi.

Struktur interkoneksi harus mendukung jenis transfer perpindahan berikut ini :

CPU Memori

CPU I/O

I/O Memori ( DMA Prses )

CPU Instruksi

Data

Signal

Interupsi

Data

Control

Signal



Gambar 3.1. Proses Input dan Ouput pada CPU

Memory

Data

Alamat

Read

Write

Data



Gambar 3.2. Proses Input dan Ouput pada Memori

Gambar 3.3. Proses Input dan Ouput pada I/O

SISTEM BUS

I / O

Internal

Data

Alamat

Read

Write

Internal

Data

Eksternal

Data

Eksternal

Data

Interrupt

Signal

Buffer

Data



BUS adalah sarana pengangkut / saluran yang terdapat didalam suatu

microprocessor (CPU) yang menghubungkan antara Microprocessor tersebut dengan dunia

luar.

Melalui sarana BUS inilah microprocessor tersebut mampu menerima data atau

mengirimkan data hasil pengolahannya keluar sistem microprocessor dan mampu untuk

menghubungi peralatan peralatan pendukungnya

Pada setiap microprocessor ( CPU ) selalu terdapat 3 sistem BUS dasar yaitu :

Data BUS

Address BUS

Control BUS

Data BUS :

Sebagai sarana pengangkut data antara CPU dan komponen pendukungnya.

Jumlah Data Bus menyatakan lebar jejak data pada CPU atau jumlah data bit instruksi

yang mampu diambil persatuan waktu.

Data Bus biasanya digunakan sebagai taksonomi dari microprocessor yang

bersangkutan.

Address BUS :

Sebagai sarana pembawa alamat dari microprocessor ke komponen pendukungnya.

Setiap komponen pendukung didalam sistem komputer harus mempunyai alamat yang

UNIQUE.

Jumlah dari Address Bus menyatakan jumlah komponen pendukung yang mampu

dialamati oleh microprocessor yang bersangkutan.

Control BUS :



Sebagai sarana pembawa signal kontrol antara microprocessor dan peralatan

pendukung didalam kesinambungan komunikasi antara bagian pada sistem komputer

tersebut.

Control BUS biasanya meliputi :

Signal Control

Signal pewaktuan

Control yang umum digunakan pada sistem komputer :

Memory Write ( )

Memory Read ( )

I/O Write ( )

I/O Read ( )

Transfer ACK ( )

Bus Request ( )

Bus Grant ( )

Interrupt Request ( )

Interrupt ACK ( )

Reset ( )

Clock

Pada sistem komunikasi antara processor dengan peralatan I/O terjadi perkuran sinyal

sebelum transfer data dilakukan, fenomena ini disebut sebagai teknik Handshaking.

Contoh proses Handshaking adalah antara sinyal Interrupt Request dan Interrupt ACK.

ARSITEKTUR BUS

Arsitektur pada sistem BUS adalah untuk mengatur bagaimana konektivitas data

antara peralatan I/O dengan sistem processor dan memori agar didapat koordinasi kerja dan



kecepatan kerja yang lebih baik yang pada akhirnya akan dapat meningkatkan effisiensi

sistem. Gambar 3.4 Memperlihatkan Arsitektur dasar dari sebuah sistem Bus

Gambar 3.4. Arsitektur Dasar dari sebuah Sistem Bus

Apabila banyak terdapat perangkat I /O atau sistem memory yang dihubungkan ke BUS

Data maka akan dapat menurunkan kinerja dari sistem keseluruhan, hal ini dikarenakan :

Timbulnya propogasi delay

Timbulnya permasalahan Bottleneck

Untuk mengatasi permasalahan tersebut maka dibuatlah beberapa arsitektur Bus dasar

dengan tujuan untuk meningkatkan effisiensi sistem.

Pada arsitektur Bus Traditional, Bus dibedakan :

System Bus untuk data data yang berhubungan sistem memory

Expansion Bus untuk data data yang berhubungan dengan peralatan I/O

System Local Bus untuk data yang berhubungan dengan sistem pemrosesan data.

CPU MEMORY MEMORY I / O I / O

DATA BUS

ADDRESS BUS

CONTROL BUS



SCSI SerialModemNetworkExpansion BUS

Interface

MainMemory

Processor

Local I/OController

Cache

Local BUS

System BUS

Expansion BUS

Gambar 3.5. Arsitektur Bus Tradisional

Pada arsitektur High Speed Bus, Bus dibedakan :

Expansion Bus untuk data data yang berhubungan dengan peralatan I/O yang

lambat.

High Speed Bus untuk data data yang berhubungan dengan peralatan I/O yang

cepat.

System Bus untuk data data yang berhubungan dengan sistem memory.

System Local Bus untuk data data yang berhubungan dengan pemrosesan data.

Gambar 3.6. Arsitektur High Speed Bus

SerialModemFAXExpansion BUS

Interface

MainMemory

ProcessorCache /Bridge

High Speed BUS

Expansion BUS

SCSI Graphics Video LAN

Local BUS System BUS



Elemen – elemen pada sistem perancangan Bus :

Jenis Bus

Decicated

Multiplexed

Metoda arbitrasi

Tersentralisasi

Terdistribusi

Timing

Synchronous

Asynchronous

Lebar Bus

Address

Data

Type data transfer

Write

Read

Read modify write

Read after write

Block

PCI

• Peripheral Component Interconnection

• Dikeluarkan oleh Intel sebagai public domain

• 32 atau 64 bit

• 50 Jalur



Jalur Bus PCI (Optional)

• Interrupt lines

* Not shared

• Cache support

• 64-bit Bus Extension

* Additional 32 lines

* Time multiplexed

* 2 lines to enable devices to agree to use 64-bit transfer

• JTAG/Boundary Scan

* For testing procedures

Gambar 3.7 Sinkronisasi pada Bus PCI



Daftar Pustaka





MODUL PERKULIAHAN

Internal Memory

Memory Utama Pada Sistem Komputer



034 15004 Tim Dosen

Abstract Kompetensi

Membahas tentang Jenis-jenis Memory Internal dan Konsep Kerja memory

Mahasiswa dapat mengetahui dan memahami Konsep Kerja Memory dan Jenis-Jenisnya



Internal Memory

Memory pada sistem komputer dapat dibedakan menjadi :

Internal memory

Eksternal memory

Memory digunakan untuk menyimpan data atau program yang akan diproses oleh

processor. Berdasarkan sifat dari data tersebut yang berhubungan dengan pemrosesan

maka dapat di katagorikan :

Data yang sedang diproses

Data yang akan diproses

Data yang belum diproses

Karakteristik penting dari sistem memory yang digunakan pada sistem komputer adalah :

Lokasi

Processor

Internal (Main)

External (Secondary)

Kapasitas

Ukuran Word ( Word size )

Jumlah Word

Satuan Transfer

Word

Block

Metoda akses

Sequential

Direct

Random

Assosiative

Kinerja

Access Time

Cycle Time

Transfer Rate



Type fisik

Semikonduktor

Magnetic

Optical

Karakteristik fisik

Volatile / Non Volatile

Erasable / Non Erasable

Tiga konsep Unit of Transfer yang saling berhubungan bagi internal memori :

Word

Ukuran word biasanya sama dengan jumlah bit yang digunakan untuk

merepresentasikan bilangan dan panjang instruksi.

Addressable Units

Pada sejumlah sistem, addressable unit adalah word. Namum terdapat sistem yang

mengijinkan pengalamatan pada tingkat byte.

Unit Of Transfer

Satuan ini merupakan jumlah bit yang dibaca atau yang dituliskan kedalam memory

pada suatu saat. Satuan transfer tidak perlu sama dengan word atau addressable

unit. Bagi external memory seringkali data ditransfer dalam jumlah yang jauh lebih

besar dari word dan hal ini dikenal sebagai block.

1. Hierarkhi Memory

Spektrum dari teknologi didalam sistem memory :

Semakin kecil waktu akses, semakin besar harga perbit

Semakin besar kapasitas, semakin kecil harga perbit

Semakin besar kapasitas, semakin lama waktu akses

Dari gambar 4.1 dan gambar 4.2, jika kita bergerak turun dari atas ke bawah maka akan

didapat :

Penurunan harga perbit

Peningkatan kapasitas



Peningkatan waktu akses ( waktu akses yang semakin lama )

Penurunan frekwensi akses memory oleh CPU

Gambar 4.1 Tradisional hirarki memori

Gambar 4.2 kontenporer hirarki memori

Register

Main Memory

Magnetic Disc

Magnetic Tape

Register

Main Memory

Magnetic Disc

Magnetic Tape

Cache

Disc Cache

Optical Disc



2. Tipe tipe memory Semikonduktor :

RAM (Random Access Memory )

Static RAM

Dinamic RAM

ROM ( Read Only Memory )

Mask ROM programmed by factory

PROM ( Programmable ROM ) programmed by user

➢ Erasable PROM ( EPROM ) UV Light ; Chip Level

➢ Electrically Erasable PROM Electrical ; Byte Level

➢ Flash ROM Electrical ; Block Level

A. Random Access Memory

Merupakan memory Baca Tulis dimana isi dari RAM dapat diupdate setiap saat dan

bersifat volatile serta digunakan data / instruksi selama pemrosesan berlangsung.

• Dinamic RAM :

➢ Terbuat dari bahan kapasitif

➢ Memerlukan daya operasional yang relatif kecil

➢ Kerapatan perkeping IC yang besar

➢ Memerlukan rangkaian Refresh

➢ Harga lebih murah

➢ Effisien untuk sistem sistem besar

➢ Kecepatan proses yang relatif lambat dibanding RAM Statis

Gambar 4.3 Struktru Elektronika Ram Dinamis



• Static RAM :

Terbuat dari sistem transistor bipolar

Memerlukan daya operasional yang relatif besar

Tidak memerlukan rangkaian Refresh, karena sifat dari transistor.

Kerapatan perkeping IC yang sedikit ( kecil )

Harga lebih mahal

Kecepatan proses yang tinggi

Effisien untuk sistem sistem kecil dan sistem yang memerlukan kecepatan

pemrosesan yang tinggi.

Gambar 4.3 Struktru Elektronika Ram Statis

Organisasi sebuah Memori DDRAM

• 16Mbit chip dapat disusun dari 1M x 16 bit word

• 1 bit/chip memiliki 16 lots dengan bit ke 1 dari setiap word berada pada chip 1

• 16Mbit chip dapat disusun dari array: 2048 x 2048 x 4bit

- Mengurangi jumlah addres pins

- Multiplex row address dg column address

- 11 pins untuk address (211=2048)



- Menambah 1 pin kapasitas menjadi 4x

Organisasi Modul sebuah memori berkapasitas 16 Mbit terlihat pada Gambar 4.4

Gambar 4.4. Organisasi Modul sebuah memori berkapasitas 16 Mbit

B. Read Only Memory :

ROM adalah memory yang berisi program yang bersifat tetap / tidak berubah sepanjang

sistem yang digunakan memungkinkan.

Aplikasi penting dari ROM meliputi :

Microprogramming

Library subroutine bagi fungsi – fungsi yang sering diperlukan

Program program sistem

Tabel tabel fungsi



Sebelum operasi dari sistem komputer diaktifkan maka isi dari ROM akan di-load terlebih

dahulu ke dalam RAM POST ( Power On Self Test )

Permasalahan yang ada pada sistem ROM :

• Langkah penyisipan data memerlukan biaya tetap yang tinggi

• Tidak boleh terjadi kesalahan sekecil apapun. Apabila ternyata dijumpai kesalahan pada

satu bitnya maka ROM tersebut tidak dapat digunakan.

Untuk mengatasi hal tersebut diatas maka dibuatlah ROM yang dapat diprogram dan

dihapus seperti halnya RAM.

Tiga macam Read mostly memory :

EPROM ( Erasable Programmable Read Only Memory )

EEPROM ( Electrically Erasable Programmable Read Only Memory )

Flash ROM / Flash Memory

Organisasi Memory :

Elemen dasar dari sebuah memory semikonduktor adalah sel memory.

Seluruh sel memory memiliki sifat sifat tertentu :

Sel memory memiliki dua keadaan stabil atau tidak stabil yang dapat digunakan

untuk merepresentasikan bilangan biner 0 dan 1.

Sel memory mempunyai kemampuan untuk ditulisi untuk menyetel keadaan

Sel memory mempunyai kemampuan untuk dibaca untuk merasakan keadaan.

Error Correction pada RAM :



Error pada memory semikonduktor dapat dikategorikan sebagai kegagalan yang berat dan

kegagalan yang ringan.

Kegagalan yang berat merupakan kerusakan fisik permanen sehingga sel memory yang

mengalaminya tidak dapat lagi digunakan untuk menampung data.

Kegagalan yang ringan adalah kejadian yang random dan tidak merusak yang mengubah iisi

sebuah sel memory atau lebih, tanpa merusak memory. Kegagalan ringan ini salah satunya

dapat disebabkan oleh masalah catu daya yang tidak stabil.

Suatu error correction dapat dibuat untuk menjaga agar validasi dari data yang dibaca

maupun ditulis adalah absah.

Sistem error correction pada RAM biasanya menggunakan Hamming Code dengan tujuan

jika terjadi kesalahan data pada satu bitnya maka dapat dikoreksi oleh sistem.

Jika M bit disimpan pada RAM maka untu koreksi dengan Hamming Code diperlukan

K bit tambahan, sehingga ukuran aktual dari word memori yang disimpan adalah M+K bit.

Dengan sistem tersebut diatas maka akan didapatkan kondisi :

Jika tidak ada kesalahan maka data bit yang diminta akan dikirimkan.

Jika ada kesalahan dan dimungkinkan untuk dikoreksi dilakukan perbaikan.

Jika ada kesalahan dan tidak dimungkinkan untuk diperbaiki error signal

Untuk sistem proteksi memory saat ini digunakan gabungan Parity dan Hamming Code.



Gambar 4.5. Struktur Error correction pada RAM

Daftar Pustaka





Memory

f

f

Compare

Corrector

Data M

K

M

K

Data Out M

Error Signal

MODUL PERKULIAHAN

External Memory

Memori Tambahan Pada Sistem Komputer



05 15004 Tim Dosen

Abstract Kompetensi

Membahas tentang Jenis-jenis Memori Eksternal dan Konsep Kerja Jenis-Jenis Memori ekternal tersebut

Mahasiswa dapat mengetahui dan memahami tentang Jenis-jenis Memori Eksternal dan Konsep Kerja Jenis-Jenis Memori ekternal tersebut



External Memory

Jenis Memori External

• Magnetic Disk

- RAID

- Removable

• Optical

- CD-ROM

- CD-Writable (WORM)

- CD-R/W

- DVD

• Magnetic Tape

Magnetic Disc :

Disc merupakan piringan bundar yang terbuat dari logam atau sejenisnya yang

dilipisi dengan bahan yang dapat dimagnetisasi seperti magnetis oxsite. Data direkam

diatasnya dan kemudian dapat dibaca dari disc dengan menggunakan conducting coil yang

dinamakan head.

Selama operasi pembacaan dan penulisan, head bersifat stationer sedangkan

piringan bergerak gerak dibawahnya.

Mekanisme pembacaan didasarkan adanya arus listrik yang terdapat didalam conducting

coil akibat dari medan listrik yang dihasilkan oleh permukaan magnetic disc. Mekanisme

penulisan didasarkan pada arus listrik yang mengalir pada conducting coil yang kemudian

dikirimkan ke permukaan magnetis dengan pola pola tertentu.

Jenis Kemasan yang digunakan:

1. Floppy

• 8”, 5.25”, 3.5”



• Kapasitas kecil

- sampai 1.44Mbyte (ada yg 2.88M)

• Lambat

• Umum dipakai

• Murah

Gambar 5.1 Floppy disk dan disk drive

2. Winchester Disc, sifat disknya tidak dapat dipindahkan (tetap), magnestic disc model

seperti ini yang masih dipertahankan sampai sekarang untuk teknologi Harddisk.

• Dikembangkan oleh IBM di Winchester (USA)

• Dikemas dalam satu unit

• Berisi satu cakram atau lebih

• Head sangat kecil

• Handal

• Umum digunakan

• Murah

• Sbg external storage yg sangat cepat

• Kapasitas semakin besar

- Dalam orde GB

5.25 & 3.5 inch

floppy diskettes



3. Removeble Disc, sifat disknya dapat digantikan dalam chasing cangkangnya, sekarang

ini teknologi remevoble disk hanya dipergunakan pada teknologi Compact disc saja.

Untuk hardisk tidak lagi digunakan teknologi ini.

• ZIP

- Murah

- Banyak digunakan

- 100MB

• JAZ

- Mahal

- 1G

• L-120 (a: drive)

- Juga dapat untuk membaca 3.5” floppy

Pencarian Sector

• Harus dapat mengenali awal suatu track dan sector

• Format disk

- Menambahkan informasi tambahan

- Memberi tanda awal track dan sector

ST506 format (old!)

Gambar 5.1. Struktur Format disk

Gap1 Id Gap2 Data Gap3

Gap1 Id Gap2 Data Gap3

Track Sync

Byte

Head Sector CRC Data CRC Sync

Byte



Organisasi Data dan Pemformatan :

Organisasi data pada piringan berbentuk sejumlah cincin cincin yang konsentris, yang

disebut track.

Track yang berdekatan dipisahkan oleh Inter Track Gap.

Track track tersebut dibagi menjadi unit unit tertentu yang disebut Sector.

Antara sector satu dengan sector yang lainnya dipisahkan ole Inter Record Gap.

Gambar 5.2 Data Disc Layout

Karakteristik Sistem Disc

Pada sistem sistem disc masing dapat dibedakan berdasarkan beberapa karakteristik.

Karakteristik penting dari sebuah sistem disc adalah :

Gerakan Head

• Fixed head

- Ada satu head (r/w) per track

- Head diletakkan pada tangkai yg tetap



• Movable head

- Hanya ada satu head per side

- Diletakkan pada tangkai yg dpt bergerak

Portabilitas dari sebuah Disc

• Removable disk

- Dapat dilepas dari drive dan diganti dg disk lain

- Memberikan kapasitas simpanan yg tak terbatas

- Mudah melakukan transfer data antar sistem

• Nonremovable disk

4. Terpasang permanen dalam drive

5. Kapasitas penyimpanan terbatas berdasarkan yang ada pada packet

Sides

Single Sides, mempunyai satu sisi piringan saja yang dapat di isi

Double Sides, mempunyai dua sis piringan saja yang dapat di isi.

Platters

Single Platter, hanya memiliki satu buah piringan saja untuk tempat

penyimpan yang tersedia

Multiple Platter

• Satu head per side

• Semua head digabung dan di-align

• Track-track yg setiap platter membentuk cylinder

• Data dipecah berdasarkan cylinder

- Mengurangi gerakan head

- Meningkatkan kecepatan (transfer rate)



Gambar. 5.3 Multiple Platter

Mekanisme Head

Fixed Gap

Contact

Aerodynamic Gap ( Winchester )

Access Time

• Seek time (gerakan head ke track yg dituju)

• (Rotational) latency

- Putar platter sampai posisi data dibawah head

• Access time = Seek + Latency

• Transfer rate



R A I D

RAID : Redudancy Array of Independent Disc.

Pola yang telah distandarisasi bagi rancangan data base dengan disc berjumlah banyak.

Merupakan penyempurnaan dari kecepatan penyimpanan pada disc.

Tiga karakteristik umum pada tingkatan RAID yaitu :

RAID adalah merupakan sekumpulan disc drive yang dianggap oleh sistem

operasi sebagai sebuah drive logic tunggal.

Data didistribusikan ke drive fisik array.

Kapasitas redudant disk digunakan untuk menyimpan informasi paritas yang

menjamin recoverability data terjadi kegagalan disc.

RAID menjembatani antara kecepatan disc yang lambat dengan kecepatan sistem

komputer yang cepat

Gambar 5.4 Data Mapping For RAID 0

Optical Storage CD-ROM

• Originally for audio

• 650Mbytes giving over 70 minutes audio

• Polycarbonate coated with highly reflective coat, usually aluminium



• Data stored as pits

• Read by reflecting laser

• Constant packing density

• Constant linear velocity

Cara kerja CD

Gambar. 5.5. Cara Kerja CD

CD-ROM Drive Speeds

• Audio is single speed

- Constant linier velocity

- 1.2 ms-1

- Track (spiral) is 5.27km long

- Gives 4391 seconds = 73.2 minutes

• Other speeds are quoted as multiples

• e.g. 24x

• Quoted figure is maximum drive can achieve

Random Access on CD-ROM

• Difficult

• Move head to rough position

• Set correct speed

• Read address

• Adjust to required location



Daftar Pustaka





MODUL PERKULIAHAN

ARITMATIKA KOMPUTER

Konsep Perhitungan Pada Sistem Komputer



06 15004 Tim Dosen

Abstract Kompetensi

Membahas tentang Arithmatika Komputer

Mahasiswa dapat mengetahui dan memahami Cara perhitungan pada sistem Komputer



Arithmatika Komputer

Pendahuluan

• Aritmetika komputer dibentuk dua jenis bilangan yang sangat berbeda integer dan

floating point.

• Pada kedua jenis bilangan tersebut, pemilihan representasi merupakan masalah

rancangan yang sangat kritis.

Artihmatika dan unit logika (ALU)

• ALU bagian komputer yang berfungsi membentuk operasi-operasi aritmetika dan

logik terhadap data.

• Semua elemen lain sistem komputer-control unit, register, memori, I/O- berfungsi

membawa data ke ALU untuk selanjutnya diproses dan kemudian mengambil kembali

hasilnya.

• ALU dan seluruh komponen elektronik pada penggunaan perangkat logik digital

sederhana yang dapat menyimpan digit-digit biner dan membentuk operasi logik

Boolean sederhana.

Gambar 6.1 Input dan output dari ALU

Representasi Interger

Data pada komputer menggunakan sistem bilangan biner yang mempresentasikan data

apapun kedalam 0 dan 1yang dikenal dengan nama BIT (binary digit)

ALU

Control

Unit

Register

Flags

Register



REPRESENTASI NILAI TANDA

• Penggunaan unsigned integer tidak cukup bilangan integer negatif

dan juga bilangan positif integer.

• Karena itu beberapa konvesi lainnya yang dapat kita gunakan.

• Konvesi-konvesi perlakuan terhadap bit yang paling berarti (paling

kiri) di dalam word bit tanda.

• Apabila bit paling kiri sama dengan 0 suatu bilangan adalah positif

sedangkan bila bit yang paling kiri sama dengan 1 bilangan bernilai

negatif.

• Bentuk yang paling sederhana representasi yang memakai bit tanda

representasi nilai tanda. Pada sebuah word n bit, n – 1 bit yang paling

kanan menampung nilai integer. Misalnya:

+ 18 = 00010010

- 18 = 10010010 (sign-magnitude/nilai-tanda)

• Terdapat beberapa kekurangan pada representasi nilai-tanda penambahan dan

pengurangan memerlukan pertimbangan baik tanda bilangan ataupun nilai relatifnya

agar dapat berjalan pada operasi yang diperlukan.

• Kekurangannya lainnya terdapat dua representasi bilangan 0:

+ 010 = 00000000

- 010 = 10000000 (sign-magnitude)

REPRESENTASI KOMPLEMEN DUA

• Representasi komplemen dua ( two’s complement representation) mengatasi dua

buah kekurangan yang terdapat pada representasi nilai- tanda.

• Penambahan dan pengurangan nilai-tanda (sign-magnitude) tidak mencukupi

dan terdapat dua buah representasi bilangan nol.

• Representasi komplemen dua menggunakan bit yang paling berarti sebagai bit tanda

memudahkannya untuk mengetahui apakah sebuah integer bernilai positif atau

negatif.



• Representasi ini berbeda dengan representasi nilai-tanda dengan cara

menginterpretasikan bit-bit lainnya.

• Representasi komplemen dua akan lebih mudah dimengerti dengan

mendefinisikannya dalam bentuk jumlah bobot bit seperti telah kita lakukan diatas

pada representasi unsigned-magnitude dan sign-magnitude.

• Bilangan nol akan diidentifikasikan sebagai positif, memiliki tanda bit 0 dan nilai

keseluruhan 0.

• Kita dapat melihat bahwa range integer positif yang dapat direpresentasikan mulai 0

(seluruh magnitude bit-nya sama dengan 0) hingga 2n-1-1 (seluruh magnitude bit-

nya 1). bilangan yang lebih besar akan memerlukan bit yang lebih banyak.

• Sekarang bilangan negatif A, bit tanda an-1, sama dengan 1. n-1 bit sisanya

dapat mengambil salah satu dari 2n-1 nilai.

• Karena itu, range integer negatif yang dapat direpresentasikan mulai –1 hingga -

2n-1.

• Hasilnya assignment yang mudah bagi nilai untuk membiarkan bit-bit an-1 an-

2…a:a0 akan sama dengan bilangan positif 2n-1 –A.

KONVERSI ANTARA PANJANG BIT YANG BERLAINAN

• Kadang-kadang kita perlu mengambil sebuah integer n bit dan

menyimpannya di dalam m bit, dengan m > n.

• Pada notasi sign-magnitude mudah dilaksanakan: cukup memindahkan

bit tanda ke posisi terkiri yang baru dan mengisinya dengan nol. Misalnya:

+18 = 00010010 (sign-magnitude, 8 bit)

+18 = 0000000000010010 (sign-magtitude, 16 bit)

-18 = 10010010 (sign-magnitude, 8 bit)

-18 = 1000000000010010 (sign-magtitude, 16 bit)

• Prosedur di atas tidak berlaku bagi integer negatif komplemen dua. Dengan

memakai contoh yang sama:

+18 = 00010010 (komplemen dua, 8 bit)

+18 = 0000000000010010 (komplemen dua, 16 bit)

-18 = 10010010 (komplemen dua, 8 bit)



-65.518 = 1000000000010010 (komplemen dua, 16 bit)

• Aturan integer komplemen dua adalah untuk memindahkan bit tanda ke

posisi terkiri yang baru dan mengisinya dengan salinan-salinan bit

tanda.

• Bilangan positif diisi dengan 0 dan bilangan negatif isi dengan 1

• -18 = 10010010 (komplemen dua, 8 bit)

• -18 = 1111111100010010 (komplemen dua, 16 bit)

REPRESENTASI FIXED-POINT

• Representasi yang telah dibahas disini kadang-kadang disebut fixed point.

• Hal ini disebabkan radix pointnya (binary point) tetap dan diasumsikan akan

berada di sebelah kanan dari digit yang paling kanan.

• Pemrogram menggunakan representasi yang sama untuk bilangan pecahan biner

dengan melakukan penskalaan bilangan-bilangan yang bersangkutan titik biner

secara implisit berada pada lokasi lainnya.

ARITMETIKA INTEGER

Pada proses arithmatika ALU hanya dapat melakukan proses penjumlahan dan

pengurangan. Untuk melaukuakn proses perkalian dan pembagian integer dilakukan dengan

dua buah proses

1. Negasi

Negasi adalah tehnik untuk mencari nilai negatif dengan cara membalikan nilai yang

sudah ada ditambahkan nilai 1, contoh:

Nilai – 10 dapat dicari dengan cara :

a. Dilakukan dengan pengurangan pergeseran jumlah satu bit kedepan: yaitu jika nilai

desimal bernilai 10 maka didapatkan nilai binernya adalah 1010 yang banyak

bilangan bitnya sebanyak 4 bit sehingga nilai kedepan yang dikurangi adalah 10000

sebanyak 5 bit

0110

1010

10000



b. Dengan cara inverting yaitu membalikan nilai bilangan yang tidak negatif. Caranya

antara lain:10 desimal memiliki nilai biner yaitu 1010, yang berjumlah 4 bit maka kita

dapat mencari nilai -10 adalah:

1010, dibalik menjadi nilai 0101 ditambah denga nilai 1 maka didapatkan nilai

0110

2. Penjumlahan

Arithmatika penjumlahan biner yang dilakukan pada unit Arithmatika dan Logika (ALU)

sebenarnya adalah menggunakan gerbang logika kombinasional yang disebut adder,

gambar rangkaian half adder terlihat pada gambar 6.2

Gambar 6.2 Rangkaian half adder

Tetapi secara matematis yang dilakukan oleh manusiA adalah sebgai berikut

3. Pengurangan

Arithmatika pengurangan biner yang dilakukan pada unit Arithmatika dan Logika (ALU)

sebenarnya adalah menggunakan gerbang logika kombinaksional yang disebut

Subtractor, gambar rangkaian half subtractor terlihat pada gambar 6.3

Gambar 6.3 Rangkaian Half subtractor

Tetapi secara matematis yang dilakukan oleh manusi adalah sebgai berikut

Sum

Carry

A

B

Selisih

Pinjam

A

B



4. Perkalian

Arthmatika perkalian pada komputer sebenarnya tidak ada yang ada adalah melakukan

penjumlahan sebanyak yang dikalikan dengan bantuan logika “AND’ pada setiap yang

dikalikan serta melakukan shift register pada masing bit pengali

Pada proses perkalian pembilang dan penyebut dilakukaan proses logika “AND” setelah itu

di bentuk bergeser dengan counter register dari awal tulisan seperti perkalian pada bilangan

desimal yang dimengerti oleh pemahaman manusia.

5. Pembagian

Nb: Turun 2 bit jika tidak dapat dikurangi oleh pembaginya, maka jumlah bit hasilnya

diberikan nol pada sisa pertamanya.

1011 Multiplicand (11)

1101 Multiplier (13)

1011

0000

1011 Partial Product

x

+

1111

1011

1101

10010011

1011

1110 1011

1011

100

Dividend

Remainder

Partial

Remainders

Divisor



ARITMETIKA FLOATING-POINT

Masalah-masalah dapat timbul sebagai hasil operasi-operasi tersebut

diantaranya :

• Exponent Overflow: Sebuah eksponen positif melampaui nilai eksponen maksimum.

Dalam sebagian sistem, hal ini dapat ditandai dengan + atau -.

• Exponent Underflow: Sebuah eksponen negatif melampaui nilai eksponen

maksimum. Hal ini berarti bahwa bilangan terlalu kecil untuk dapat

direpresentasikan, dan bilangan ini dapat dilaporkan sebagai 0.

• Significand Underflow: Dalam proses penggunaan significand, digit dapat mengalir

ke ujung kanan significand. Seperti yang akan kita bahas, diperlukan pembuatan.

• Significand Overflow: Dalam proses penambahan dua significand yang bertanda

sama dapat menghasilkan carry out bit yang paling berarti. Hal ini dapat diperbaiki

dengan melakukan realignment seperti akan kita bahas.

Range pada Floting Point

• For a 32 bit number

* 8 bit exponent

* +/- 2256 1.5 x 1077

• Accuracy

* The effect of changing lsb of mantissa

* 23 bit mantissa 2-23 1.2 x 10-7

* About 6 decimal places



Expressible Numbers

Latihan:

1. berapakah Nilai arithmatika di bawah ini

a. 1001101 x 10011

b. 101111011101 : 11001

c. – 56(10) = . ...... (2)



Daftar Pustaka





MODUL PERKULIAHAN

SET INSTRUKSI

Proses Alur Kerja Program pada Sistem Komputer



07 15004 Tim Dosen

Abstract Kompetensi

Membahas tentang Proses Alur Kerja Program pada Sistem Komputer

Mahasiswa dapat mengetahui dan memahami Cara perhitungan pada sistem Komputer



Set Instruksi

What is an instruction set?

• The complete collection of instructions that are understood by a CPU

• Machine Code

• Binary

• Usually represented by assembly codes

B. Komponents of an Instruction

• Operation code (Op code)

– Do this

• Source Operand reference

– To this

• Result Operand reference

– Put the answer here

• Next Instruction Reference

– When you have done that, do this...

C. Where have all the Operands gone?

• Main memory (or virtual memory/cache)

• CPU register

• I/Odevice

Gambar 7.1 Instruction Cycle State Diagram



D. Komponen-Komponen Central Processing Unit (CPU)

ALU1 ALU2

ALU3

ADDER

B

U

S

R1

R2

R3

Issues :

Control

Unit

PC

MBR

MAR

IR

ALU1 ALU2

ALU3

ADDER

B

U

S

R1

R2

R3

Issues :

Gating signal

Control

Unit

PC

MBR

MAR

IR

Clock speed,

Gambar 7.2 Komponen-komponen dari Struktur CPU

Fungsi dari masing-masing komponen adalah sebagai berikut:

1. Control Unit (CU) berfungsi sebagai penegendali dari semua komponen yang terdapt

oleh CPU, seperti penjadwalan kerja dan sinkronisai antar Komponen.

2. Instruction Register (IR) berfungsi sebagai penerjemah set instruksi apakah didalamnya

merupakan sebuah instruksi atau hanya sebuah data. IR berfungsi juga untuk

memberitahu prosedur proses kepada control unit untuk menyiapkan komponen-

komponen yang dibutuh dalam pelaksanaan proses yang akan dilakukan.

3. Program Counter (PC) berrfungsi sebagai urutan pengambilan Instruski set yang

terdapat dalam Main Memory

4. Memory Address Register (MAR) berfungsi sebagai komponen yang diperintahkan oleh

IR dan control Unit untuk mencari alamat dalam sebuah Main Memory

5. Memory Buffer Register (MBR) berfungsi sebagai kompponen yang diperintahkan oleh

IR dan CU untuk membaca dan menulis data pada Main Memory.



6. ALU (Arithmatic Logic Unit) adalah komponen atau bagian yang berfungsi melakukan

proses logika maupun Aritmatika dalam hal ini penjumlahan dan pengurangan dari data

yang sudah di ambil oleh MBR dari Main Memory.

7. Register adalah komponen sebagai tempat penyimpanan memory sementara di dalam

CPU, dimana masing-masing register memiliki pekerjaan penyimpanan data masing-

masing. Salah satunya adalah Akumultaor yang merupakan Register yang paling di

gunakan.

E. Instruction Representation

• In machine code each instruction has a unique bit pattern

• For human consumption (programmers) a symbolic representation is used

– e.g. ADD, SUB, LOAD

• Operands can also be represented in this way

– ADD A,B

– LOAD ACC,B

Gambar 7.3 Simple Instruction Format

F. Format Instruksi

Format instruksi dan format data perbedaannya hanya dapat dibedakan oleh register

IR (instruction Register). Apabila data yang diambil dari memori tersebut adalah instruksi

maka IR dapat melakukan operand fetch.

Contoh coding instruksi set pada CPU

0001 = Load AC from Memory

0010 = Store AC to Memory

0101 = Add to AC from Memory



Contoh dari eksekusi program

Panjang baris = 16 bit , dibagi 4 bit untuk op-code (24 jenis op-code) dan 12-bit address

(212 lokasi memori).

1. Asumsikan PC (program counter) 300. isi dari lokasi 300 di ambil oleh IR

2. Empat bit pertama didalam IR mengindikasikan isi alamat yang ditunjuk IR, isi pada

alamt tersebut di taruh di AC

3. PC menambah 1 bit instruksi

4. Isi awal AC di tambahkan dengan alamat yang di tunjuk

5. PC menambahkan 1 bit instruksi

6. Isi pada AC di taruh pada alamat yang di tunjuk

Proses alur eksekusi dapat dilihat pada alur eksekusi Hypotical Mechine yang terlihat pada

Gambar 7.4

Gambar 7.4 Eksekusi dalam Hypothetical machine

Contoh instruksi format menggunakan proses Mikroskopic Program

Pada kasus eksekusi format instruksi dari memori ke memori.

ADD A,B



Langkah instruksi, Microscopic view

Menganalisa eksekusi ADD A,B

. Instruksi Fecth : MAR [PC]

Read (fetch instruksi, wait)

IR [MBR]

. Operand Fetch : MAR [Addr-op-1-IR]

Read (operand-1, wait)

ALU1 [MBR]

MAR [Addr-op-2-IR]

Read (operand-2, wait)

ALU2 [MBR]

.Arithmetic ADD

MAR [Addr-op-1-IR]

MBR [ALU3]

Write

Op-Code address of op-1 (12 bit) address of op-2 (12 bit)

“ADD” “A” “B”

0 7 8 19 20



G. Tipe-Tipe Instruksi

• Data processing

• Data storage (main memory)

• Data movement (I/O)

• Program flow control

H. Number of Addresses

• 3 addresses

– Operand 1, Operand 2, Result

– a = b + c;

– May be a forth - next instruction (usually implicit)

– Not common

– Needs very long words to hold everything

• 2 addresses

– One address doubles as operand and result

– a = a + b

– Reduces length of instruction

– Requires some extra work

• Temporary storage to hold some results

• 1 address

– Implicit second address

– Usually a register (accumulator)

– Common on early machines

• 0 (zero) addresses

– All addresses implicit

– Uses a stack

– e.g. push a

– push b

– add

– pop c

– c = a + b



I. Tehnik pengalamatan

Tehnik-tehnik pengalamatan yang ada adalah: Immediate, direct, indirect, register,

register indirect, displacement, stack

Operand A

Instruction Instruction

(a) Immediate

(b) Direct

Operand

Memory

LDA #100

LDA A

A

Instruction Instruction

(d) Register

MOV R1

Operand

Ri

Registers Memory

(address)

Memory

R1

Rn

Ri



Beberapa Contoh Mode pengalamatan

1. Immediate : ADD #100; add 100 to Accum.

2. Direct: ADD A; add content of addr. A to accumulator

3. Indirect :ADD @A; content of location A is address of operand add content of loc.

with that address to accum.

4. Register Direct: ADD R1; add content of R1 to accumulator

5. Reg. Indirect :ADD (R1); add content of mem.Location whose addr.is in R1 to acc.

6. Alamat dengan displacement adalah “rare”, contoh yang diperlihatkan adalah sebagai

berikut :

RiInstruction Instruction

(f) Displacement

LDA 100(R1)

Ri

Registers Memory

(e) Register Indirect

LDA (R1)

A

Operan

d

Memory Registers

Operan

d

Op-code

R1

Rn

R1

Rn

Ri (address)

Ri (base addr.)

Top of Stack

Implicit

Stack

addressing

(g) Stack



ADD 1050(R1) dimana isi alamat yang ditunjuk oleh R1 ditambahkan dengan alamat

1050

7. Didadalam dua alamat instruksi contohnya adalah sebagai berikut :

ADD 1050(R1), R2 dimana alat dasar berada pad R1 dan di jumlahkan dengan alamat

1050

Latihan:

1. Buat Microspic View Program untuk script instruksi assembler berikut ini:

a. DIV A,B

b. Store A

c. MOV R1, R2



Daftar Pustaka





MODUL PERKULIAHAN

Modul I/O (Input Output)

Unit masukan dan Keluaran pada Sistem Komputer



08 15004 Tim Dosen

Abstract Kompetensi

Membahas peralatan antar Muka yang disebut sebagai Modul I/O

Mahasiswa dapat mengetahui dan memahami Cara Kerja Modul I/O pada Sistem Komputer



Unit (Modul) I/O

Sistem komputer memiliki tiga komponen utama, yaitu : CPU, memori (primer dan

sekunder), dan peralatan masukan/keluaran (I/O devices) seperti printer, monitor, keyboard,

mouse, dan modem. Beberapa bab sebelumnya telah membahas CPU dan memori,

sekarang akan kita jelaskan tentang peralatan atau modul I/O pada bab ini.

Modul I/O merupakan peralatan antarmuka (interface) bagi sistem bus atau switch

sentral dan mengontrol satu atau lebih perangkat peripheral. Modul I/O tidak hanya sekedar

modul penghubung, tetapi sebuah piranti yang berisi logika dalam melakukan fungsi

komunikasi antara peripheral dan bus komputer.

Ada beberapa alasan kenapa piranti – piranti tidak langsung dihubungkan dengan

bus sistem komputer, yaitu :

• Bervariasinya metode operasi piranti peripheral, sehingga tidak praktis apabila

sistem komputer herus menangani berbagai macam sisem operasi piranti peripheral

tersebut.

• Kecepatan transfer data piranti peripheral umumnya lebih lambat dari pada laju

transfer data pada CPU maupun memori.

• Format data dan panjang data pada piranti peripheral seringkali berbeda dengan

CPU, sehingga perlu modul untuk menselaraskannya.

Dari beberapa alasan diatas, modul I/O memiliki dua buah fungsi utama, yaitu :

1. Sebagai piranti antarmuka ke CPU dan memori melalui bus sistem.

2. Sebagai piranti antarmuka dengan peralatan peripheral lainnya dengan

menggunakan link data tertentu.

8.1 Sistem Masukan & Keluaran Komputer

Bagaimana modul I/O dapat menjalankan tugasnya, yaitu menjembatani CPU dan

memori dengan dunia luar merupakan hal yang terpenting untuk kita ketahui. Inti

mempelajari sistem I/O suatu komputer adalah mengetahui fungsi dan struktur modul I/O.

Perhatikan gambar 8.1 yang menyajikan model generik modul I/O.



Gambar 8.1 Model generik dari suatu modul I/O

8.1.1. Fungsi Modul I/O

Modul I/O adalah suatu komponen dalam sistem komputer yang bertanggung jawab

atas pengontrolan sebuah perangkat luar atau lebih dan bertanggung jawab pula dalam

pertukaran data antara perangkat luar tersebut dengan memori utama ataupun dengan

register – register CPU.

Dalam mewujudkan hal ini, diperlukan antarmuka internal dengan komputer (CPU dan

memori utama) dan antarmuka dengan perangkat eksternalnya untuk menjalankan fungsi –

fungsi pengontrolan.

Fungsi dalam menjalankan tugas bagi modul I/O dapat dibagi menjadi beberapa katagori,

yaitu:

• Kontrol dan pewaktuan.

• Komunikasi CPU.

• Komunikasi perangkat eksternal.

• Pem-buffer-an data.

• Deteksi kesalahan.

Fungsi kontrol dan pewaktuan (control & timing) merupakan hal yang penting untuk

mensinkronkan kerja masing – masing komponen penyusun komputer. Dalam sekali waktu

CPU berkomunikasi dengan satu atau lebih perangkat dengan pola tidak menentu dan

kecepatan transfer komunikasi data yang beragam, baik dengan perangkat internal seperti



register – register, memori utama, memori sekunder, perangkat peripheral. Proses tersebut

bisa berjalan apabila ada fungsi kontrol dan pewaktuan yang mengatur sistem secara

keseluruhan. Contoh kontrol pemindahan data dari peripheral ke CPU melalui sebuah modul

I/O dapat meliputi langkah –langkah berikut ini :

1. Permintaan dan pemeriksaan status perangkat dari CPU ke modul I/O.

2. Modul I/O memberi jawaban atas permintaan CPU.

3. Apabila perangkat eksternal telah siap untuk transfer data, maka CPU akan

mengirimkan perintah ke modul I/O.

4. Modul I/O akan menerima paket data dengan panjang tertentu dari peripheral.

5. Selanjutnya data dikirim ke CPU setelah diadakan sinkronisasi panjang data dan

kecepatan transfer oleh modul I/O sehingga paket – paket data dapat diterima CPU

dengan baik.

Transfer data tidak akan lepas dari penggunaan sistem bus, maka interaksi CPU dan

modul I/O akan melibatkan kontrol dan pewaktuan sebuah arbitrasi bus atau lebih. Adapun

fungsi komunikasi antara CPU dan modul I/O meliputi proses – proses berikut :

• Command Decoding, yaitu modul I/O menerima perintah – perintah dari CPU yang

dikirimkan sebagai sinyal bagi bus kontrol. Misalnya, sebuah modul I/O untuk disk

dapat menerima perintah: Read sector, Scan record ID, Format disk.

• Data, pertukaran data antara CPU dan modul I/O melalui bus data.

• Status Reporting, yaitu pelaporan kondisi status modul I/O maupun perangkat

peripheral, umumnya berupa status kondisi Busy atau Ready. Juga status bermacam

– macam kondisi kesalahan (error).

• Address Recognition, bahwa peralatan atau komponen penyusun komputer dapat

dihubungi atau dipanggil maka harus memiliki alamat yang unik, begitu pula pada

perangkat peripheral, sehingga setiap modul I/O harus mengetahui alamat peripheral

yang dikontrolnya.

Pada sisi modul I/O ke perangkat peripheral juga terdapat komunikasi yang meliputi

komunikasi data, kontrol maupun status. Ini terlihat pada Gambar 8.2



Gambar 8.2. Skema suatu perangkat peripheral

Fungsi selanjutnya adalah buffering. Tujuan utama buffering adalah mendapatkan

penyesuaian data sehubungan perbedaan laju transfer data dari perangkat peripheral

dengan kecepatan pengolahan pada CPU. Umumnya laju transfer data dari perangkat

peripheral lebih lambat dari kecepatan CPU maupun media penyimpan.

Fungsi terakhir adalah deteksi kesalahan. Apabila pada perangkat peripheral

terdapat masalah sehingga proses tidak dapat dijalankan, maka modul I/O akan melaporkan

kesalahan tersebut. Misal informasi kesalahan pada peripheral printer seperti: kertas

tergulung, pinta habis, kertas habis, dan lain – lain. Teknik yang umum untuk deteksi

kesalahan adalah penggunaan bit paritas.

6.1.2. Struktur Modul I/O

Terdapat berbagai macam modul I/O seiring perkembangan komputer itu sendiri,

contoh yang sederhana dan fleksibel adalah Intel 8255A yang sering disebut PPI

(Programmable Peripheral Interface). Bagaimanapun kompleksitas suatu modul I/O,

terdapat kemiripan struktur, seperti terlihat pada gambar 8.3



Gambar 8.3. Blok diagram struktur modul I/O

Antarmuka modul I/O ke CPU melalui bus sistem komputer terdapat tiga saluran,

yaitu saluran data, saluran alamat dan saluran kontrol. Bagian terpenting adalah blok logika

I/O yangberhubungan dengan semua peralatan antarmuka peripheral, terdapat fungsi

pengaturan dan switching pada blok ini.

8.2. Teknik Masukan/Keluaran

Terdapat tiga buah teknik dalam operasi I/O, yaitu: I/O terprogram, interrupt – driven

I/O, dan DMA (Direct Memory Access). Ketiganya memiliki keunggulan maupun kelemahan,

yang penggunaannya disesuaikan sesuai unjuk kerja masing – masing teknik.

8.2.1. I/O Terprogram

Pada I/O terprogram, data saling dipertukarkan antara CPU dan modul I/O. CPU

mengeksekusi program yang memberikan operasi I/O kepada CPU secara langsung, seperti

pemindahan data, pengiriman perintah baca maupun tulis, dan monitoring perangkat.

Kelemahan teknik ini adalah CPU akan menunggu sampai operasi I/O selesai

dilakukan modul I/O sehingga akan membuang waktu, apalagi CPU lebih cepat proses

operasinya. Dalam teknik ini, modul I/O tidak dapat melakukan interupsi kepada CPU



terhadap proses – proses yang diinteruksikan padanya. Seluruh proses merupakan

tanggung jawab CPU sampai operasi lengkap dilaksanakan.

Untuk melaksanakan perintah – perintah I/O, CPU akan mengeluarkan sebuah

alamat bagi modul I/O dan perangkat peripheralnya sehingga terspesifikasi secara khusus

dan sebuah perintah I/O yang akan dilakukan. Terdapat empat klasifikasi perintah I/O, yaitu:

1. Perintah control.

Perintah ini digunkan untuk mengaktivasi perangkat peripheral dan memberitahukan

tugas yang diperintahkan padanya.

2. Perintah test.

Perintah ini digunakan CPU untuk menguji berbagai kondisi status modul I/O dan

peripheralnya. CPU perlu mengetahui perangkat peripheralnya dalam keadaan aktif dan

siap digunakan, juga untuk mengetahui operasi – operasi I/O yang dijalankan serta

mendeteksi kesalahannya.

3. Perintah read.

Perintah pada modul I/O untuk mengambil suatu paket data kemudian menaruh dalam

buffer internal. Proses selanjutnya paket data dikirim melalui bus data setelah terjadi

sinkronisasi data maupun kecepatan transfernya.

4. Perintah write.

Perintah ini kebalikan dari read. CPU memerintahkan modul I/O untuk mengambil data dari

bus data untuk diberikan pada perangkat peripheral tujuan data tersebut. Dalam teknik I/O

terprogram, terdapat dua macam inplementasi perintah I/O yang tertuang dalam instruksi

I/O, yaitu: memory-mapped I/O dan isolated I/O.

Dalam memory-mapped I/O, terdapat ruang tunggal untuk lokasi memori dan perangkat

I/O. CPU memperlakukan register status dan register data modul I/O sebagai lokasi memori

dan menggunakan instruksi mesin yang sama untuk mengakses baik memori maupun

perangkat I/O. Konskuensinya adalah diperlukan saluran tunggal untuk pembacaan dan

saluran tunggal untuk penulisan. Keuntungan memory-mapped I/O adalah efisien dalam

pemrograman, namun memakan banyak ruang memori alamat.

Dalam teknik isolated I/O, dilakukan pemisahan ruang pengalamatan bagi memori dan

ruang pengalamatan bagi I/O. Dengan teknik ini diperlukan bus yang dilengkapi dengan

saluran pembacaan dan penulisan memori ditambah saluran perintah output. Keuntungan

isolated I/O adalah sedikitnya instruksi I/O.



8. 2.2 Interrupt – Driven I/O

Teknik interrupt – driven I/O memungkinkan proses tidak membuang – buang waktu.

Prosesnya adalah CPU mengeluarkan perintah I/O pada modul I/O, bersamaan perintah I/O

dijalankan modul I/O maka CPU akan melakukan eksekusi perintah – perintah lainnya.

Apabila modul I/O telah selesai menjalankan instruksi yang diberikan padanya akan

melakukan interupsi pada CPU bahwa tugasnya telah selesai.

Dalam teknik ini kendali perintah masih menjadi tanggung jawab CPU, baik

pengambilan perintah dari memori maupun pelaksanaan isi perintah tersebut. Terdapat

selangkah kemajuan dari teknik sebelumnya, yaitu CPU melakukan multitasking beberapa

perintah sekaligus sehingga tidak ada waktu tunggu bagi CPU.

Cara kerja teknik interupsi di sisi modul I/O adalah modul I/O menerima perintah,

misal read. Kemudian modul I/O melaksanakan perintah pembacaan dari peripheral dan

meletakkan paket data ke register data modul I/O, selanjutnya modul mengeluarkan sinyal

interupsi ke CPU melalui saluran kontrol. Kemudian modul menunggu datanya diminta CPU.

Saat permintaan terjadi, modul meletakkan data pada bus data dan modul siap menerima

perintah selanjutnya.

Pengolahan interupsi saat perangkat I/O telah menyelesaikan sebuah operasi I/O adalah

sebagai

berikut :

1. Perangkat I/O akan mengirimkan sinyal interupsi ke CPU.

2. CPU menyelesaikan operasi yang sedang dijalankannya kemudian merespon

interupsi.

3. CPU memeriksa interupsi tersebut, kalau valid maka CPU akan mengirimkan sinyal

acknowledgment ke perangkat I/O untuk menghentikan interupsinya.

4. CPU mempersiapkan pengontrolan transfer ke routine interupsi. Hal yang dilakukan

adalah menyimpan informasi yang diperlukan untuk melanjutkan operasi yang tadi

dijalankan sebelum adanya interupsi. Informasi yang diperlukan berupa:

a. Status prosesor, berisi register yang dipanggil PSW (program status word).

b. Lokasi intruksi berikutnya yang akan dieksekusi.

Informasi tersebut kemudian disimpan dalam stack pengontrol sistem.

5. Kemudian CPU akan menyimpan PC (program counter) eksekusi sebelum interupsi

ke stack pengontrol bersama informasi PSW. Selanjutnya mempersiapkan PC untuk

penanganan interupsi.



6. Selanjutnya CPU memproses interupsi sempai selesai.

7. Apabila pengolahan interupsi selasai, CPU akan memanggil kembali informasi yang

telah disimpan pada stack pengontrol untuk meneruskan operasi sebelum interupsi.

Terdapat bermacam teknik yang digunakan CPU dalam menangani program interupsi

ini, diantaranya :

• Multiple Interrupt Lines.

• Software poll.

• Daisy Chain.

• Arbitrasi bus.

Teknik yang paling sederhana adalah menggunakan saluran interupsi berjumlah

banyak (Multiple Interrupt Lines) antara CPU dan modul – modul I/O. Namun tidak praktis

untuk menggunakan sejumlah saluran bus atau pin CPU ke seluruh saluran interupsi modul

– modul I/O.

Alternatif lainnya adalah menggunakan software poll. Prosesnya, apabila CPU

mengetahui adanya sebuah interupsi, maka CPU akan menuju ke routine layanan interupsi

yang tugasnya melakukan poll seluruh modul I/O untuk menentukan modul yang melakukan

interupsi. Kerugian software poll adalah memerlukan waktu yang lama karena harus

mengidentifikasi seluruh modul untuk mengetahui modul I/O yang melakukan interupsi.

Teknik yang lebih efisien adalah daisy chain, yang menggunakan hardware poll.

Seluruh modul I/O tersambung dalam saluran interupsi CPU secara melingkar (chain).

Apabila ada permintaan interupsi, maka CPU akan menjalankan sinyal acknowledge yang

berjalan pada saluran interupsi sampai menjumpai modul I/O yang mengirimkan interupsi.

Teknik berikutnya adalah arbitrasi bus. Dalam metode ini, pertama – tama modul I/O

memperoleh kontrol bus sebelum modul ini menggunakan saluran permintaan interupsi.

Dengan demikian hanya akan terdapat sebuah modul I/O yang dapat melakukan interupsi.

8.3. Pengontrol Interrupt Intel 8259A

Intel mengeluarkan chips 8259A yang dikonfigurasikan sebagai interrupt arbiter pada

mikroprosesor Intel 8086. Intel 8259A melakukan manajemen interupsi modul - modul I/O



yang tersambung padanya. Chips ini dapat diprogram untuk menentukan prioritas modul I/O

yang lebih dulu ditangani CPU apabila ada permintaan interupsi yang bersamaan. Gambar

8.4

menggambarkan pemakaian pengontrol interupsi 8259A. Berikut mode – mode interupsi

yang mungkin terjadi :

• Fully Nested: permintaan interupsi dengan prioritas mulai 0 (IR0) hingga 7(IR7).

• Rotating: bila sebuah modul telah dilayani interupsinya akan menempati prioritas

terendah.

• Special Mask: prioritas diprogram untuk modul I/O tertentu secara spesial.

Gambar 8.4. Pemakaian pengontrol interupsi 8559A pada 8086

8.3.1. Programmable Peripheral Interface Intel 8255A



Contoh modul I/O yang menggunakan I/O terprogram dan interrupt driven I/O adalah

Intel 8255A Programmable Peripheral Interface (PPI). Intel 8255A dirancang untuk

keperluan mikroprosesor 8086. Gambar 8.5 menunjukkan blok diagram Intel 8255A dan pin

layout-nya.

Gambar 8.5. Modul I/O 8255A

Bagian kanan dari blok diagram Intel 8255A adalah 24 saluran antarmuka luar, terdiri

atas 8 bit port A, 8 bit port B, 4 bit port CA dan 4 bit port CB. Saluran tersebut dapat

diprogram dari mikroprosesor 8086 dengan menggunakan register kontrol untuk

menentukan bermacam – macam mode operasi dan konfigurasinya. Bagian kiri blok

diagram merupakan interface internal dengan mikroprosesor 8086. Saluran ini terdiri atas 8

bus data dua arah (D0 – D7), bus alamat, dan bus kontrol yang terdiri atas saluran CHIP

SELECT, READ, WRITE, dan RESET.

Pengaturan mode operasi pada register kontrol dilakukan oleh mikroprosesor. Pada

Mode 0, ketiga port berfungsi sebagai tiga port I/O 8 bit. Pada mode lain dapat port A dan

port B sebagai port I/O 8 bit, sedangkan port C sebagai pengontrol saluran port A dan B. PPI

Intel 8255A dapat diprogram untuk mengontrol berbagai peripheral sederhana.

Gambar 8.6 memperlihatkan contoh penggunaan 8255A untuk modul I/O Keyboard dan

display.



Gambar 8.6 Interface kayboard dan display dengan Intel 8255A

8.3.2. Direct Memory Access (DMA)

Teknik yang dijelaskan sebelumnya yaitu I/O terprogram dan Interrupt-Driven I/O

memiliki kelemahan, yaitu proses yang terjadi pada modul I/O masih melibatkan CPU secara

langsung. Hal ini berimplikasi pada :

• Kelajuan transfer I/O yang tergantung pada kecepatan operasi CPU.

• Kerja CPU terganggu karena adanya interupsi secara langsung.

Bertolak dari kelemahan di atas, apalagi untuk menangani transfer data bervolume besar

dikembangkan teknik yang lebih baik, dikenal dengan Direct Memory Access (DMA).



Prinsip kerja DMA adalah CPU akan mendelegasikan kerja I/O kepada DMA, CPU

hanya akan terlibat pada awal proses untuk memberikan instruksi lengkap pada DMA dan

akhir proses saja. Dengan demikian CPU dapat menjalankan proses lainnya tanpa banyak

terganggu dengan interupsi. Blok diagram modul DMA terlihat pada gambar 8.7 berikut :

Gambar 8.7. Blok diagram DMA



Gambar 8.8. Konfigurasi modul DMA

Dalam melaksanakan transfer data secara mandiri, DMA memerlukan pengambil

alihan kontrol bus dari CPU. Untuk itu DMA akan menggunakan bus bila CPU tidak

menggunakannya atau DMA memaksa CPU untuk menghentikan sementara penggunaan

bus. Teknik terakhir lebih umum digunakan, sering disebut cycle-stealing, karena modul

DMA mengambil alih siklus bus. Penghentian sementara penggunaan bus bukanlah bentuk

interupsi, melainkan hanyalah penghentian proses sesaat yang berimplikasi hanya pada

kelambatan eksekusi CPU saja. Terdapat tiga buah konfigurasi modul DMA seperti yang

terlihat pada gambar 8.8.



8.4. Perangkat Eksternal

Mesin komputer akan memiliki nilai apabila bisa berinteraksi dengan dunia luar.

Lebih dari itu, komputer tidak akan berfungsi apabila tidak dapat berinteraksi dengan dunia

luar. Ambil contoh saja, bagaimana kita bisa menginstruksikan CPU untuk melakukan suatu

operasi apabila tidak ada keyboard. Bagaimana kita melihat hasil kerja sistem komputer bila

tidak ada monitor. Keyboard dan monitor tergolang dalam perangkat eksternal komputer.

Perangkat eksternal atau lebih umum disebut peripheral tersambung dalam sistem

CPU melalui perangat pengendalinya, yaitu modul I/O seperti telah dijelaskan sebelumnya.

Lihat kembali gambar 6.2. Secara umum perangkat eksternal diklasifikasikan menjadi 3

katagori:

• Human Readable, yaitu perangkat yang berhubungan dengan manusia sebagai

pengguna komputer. Contohnya: monitor, keyboard, mouse, printer, joystick, disk

drive.

• Machine readable, yaitu perangkat yang berhubungan dengan peralatan. Biasanya

berupa modul sensor dan tranduser untuk monitoring dan kontrol suatu peralatan

atau sistem.

• Communication, yatu perangkat yang berhubungan dengan komunikasi jarak jauh.

Misalnya: NIC dan modem.

Pengklasifikasian juga bisa berdasarkan arah datanya, yaitu perangkat output, perangkat

input dan kombinasi output-input. Contoh perangkat output: monitor, proyektor dan printer.

Perangkat input misalnya: keyboard, mouse, joystick, scanner, mark reader, bar code

reader.



Daftar Pustaka





MODUL PERKULIAHAN

Pipelining

Konsep Memeaksimalkan kinerja Prosesor



09 15004 Tim Dosen

Abstract Kompetensi

Membahas Konsep Kerja dari pipelining Mahasiswa dapat mengetahui dan memahami metode pipelining untuk memaksimalkan kinerja prosesor



Pipelining

A. Kenapa komputer menggunakan teknik Pipelining:

• Drive for computing speed never ends.

• Improvements from architecture or organization point of view are limited

• Clock speed enhancement is done, but more improvement should be sought from

instruction execution perspective, instead of hardware design

• Flyn’s Taxonomy : SISD (Single Instruction Single stream of Data), SIMD (Single

Instruction Multiple stream of data) or MIMD - Parallel

• Parallel Processor : may be a solution

• Use two processors (or more, instead of one) in a computer system

• How do it runs the code ? (program)

• Suppose, we have a problem :

C = (A2 + B2)

B. Solusi Paralel

Dengan menggunakan single processor dari sebuah kasus arithmatika yaitu C = (A2

+ B2) didapatkan statment code dengan bahasa rakitan adalah sebagai berikut:

Dari hasil perbandingan analiasa

tersebut di dapatkan bahwa dengan penambahan prosesor menjadi dua tidak menjamin

effektifitas dari kasus yang akan diproses. Malah untuk penambahan prosesor

mengakibatkan cost yang yang keluar menjadi lebih besar. Untuk mengatasi hal tersebut di

gunakan metode pipelining, yang memfaatkan hanya satu (single) prosesor menjadi lebih

effektif.

Pipeling sendiri meniu proses assembly-chain (ban berjalan) di industri :

Misalnya Industri Mobil

Original / single Code (single processor)

MUL A,A

MUL B,B

ADD C,A

ADD C,B

Paralel Code

P1

P2

Mul A,A

Add C,AMul B,B

----------

Add C,B

Mempunyai nilai effisiensi 25 %



Gambar 9.1 Bagan Ban berjalan industri karoseri mobil

• Setiap unit, menjalankan fungsi tertentu yang unik

• Setiap “clock” (satuan waktu tertentu), setiap unit secara serentak menyelesaikan

pekerjaannya

• Pekerjaan “bergeser” dari unit i ke unit (i + 1), sampai akhirnya pekerjaan selesai

• Pada waktu seluruh unit terisi penuh, pada setiap “clock” akan keluar (selesai) satu

unit mobil

• Bandingkan dengan proses non-assembly, dimana pekerjaan diselesaikan semua

dahulu (seluruh pekerjaannya mobil ke j selesai), baru mobil ke (j+1) mulai

dikerjakan

• Secara instinktif, dapat dideduksi bahwa :

• Tanpa assembly, maka setiap mobil akan selesai dalam waktu ( n x waktu setiap

unit)

• Dengan assembly : pada saat semua unit penuh, maka setiap “clock” (waktu

pengolahan disetiap unit), akan keluar satu mobil

• Tnon-assembly = ( n x Tunit-assembly), dimana n adalah jumlah unit dalam

assembly

• Jadi, dalam kondisi assembly penuh, percepatan proses produksi mobil dengan

assembly (ban berjalan) adalah n kali lebih cepat dibanding tanpa assembly

Contoh yang lain adalah Laundry

Anti, Bima, Cepy dan Dedi mempunyai beberapa pakaian kotor yang jumlahnya sama,

mereke ingin loundry ke salah satu pusat loundry mandiri. Dimana loundry tersebut

hanya mempunyai mesin cuci, pengering dan setrika hanya satu buah dimasing-masing

Press Plat Body Pasang pintu,

jendela, kap mesin

Cat dasar, anti karat,

cat final

Pasang Mesin, Jok,

kaca,karet , lampu

Pasang kabel,

roda, ac, dll

Test engine

static,

Unit 1 Unit 2 Unit 3

Unit 4 Unit 5 Unit 6



pekerjaan membutuhkan waktu sebagai berikut funtuk mencuci membutuhkan waktu

sekitar 30 menit, untuk mengeringkan 40 menit sedangkan untuk menyetrika

membutuhkan waktu 20 menit. Proses kesuluruhan terlihat pada gambar 9.2 dan 9.3.

Gambar 9.2. Perbandingan pekerjaan dengan uang yang di keluarkan

Gambar 9.3. waktu yang diperlukan untuk proses keseluruhan loundry

Secara sekuensial didapatkan waktu selesai untuk semua pekerjaan dalam hal ini 4

pekerjaan laundry membutuhkan waktu sekitar 6 jam. Dengan metode pipelining apakah

akan mendapatkan nilai yang lebih baik?

A B C D

A

B

C

D

3

0

4

0

2

0

3

0

4

0

2

0

3

0

4

0

2

0

3

0

4

0

2

0

6

PM

7 8 9 1

0

1

1

Midnigh

t

T

a

s

k

O

r

Time



Kita dapat melihat proses loundry dengan metode pipeling terlihat pada gambar 9.4 .

dari gambar tesebut terlihat bahwa proses loudry dengan pipeling membutuhkan waktu

hanya 3,5 jam untuk 4 orang yaitu anti, bima, chepy dan dedy.

Gambar 9.4 Proses loundry dengan metode pipeling

Analogi lain : pipa berisi bola berjalan

• Sebuah pipeline system dianalogikan sebagai sebuah pipa yang berisi bola yang

mengelinding

• Setelah pipa dipenuhi bola, setiap kali masuk satu bola disisi input, pasti akan keluar

bola lain disisi output

• Kondisi “pipa-penuh” tersebut tercapai setelah ada n bola yang masuk (n adalah

seksi/unit dari pipeline)

Gambar 9.5

C. Pipelining di Prosesor

• Untuk menerapkan prinsip multi-stage atau mulai saat ini kita namakan pipelining di

prosesor, diperlukan organisasi prosesor khusus

A

B

C

D

6

PM

7 8 9 1

0

1

1

Midnigh

t

T

a

s

k

O

Tim

e 3

0

4

0

40 4

0

4

0

2

0



• Pada dasarnya, prosesor dipartisi menjadi sejumlah unit-unit kecil dengan fungsi

spesifik

• Setiap unit berperan menyelesaikan sebagian dari eksekusi instruksi :

• Instruction fetch, decode, operand address calculation, operand fetch, execute and

store result

Gambar 9.6



Contoh : Pipelining program assembler

Contoh : Data Conflict

• Terjadinya pause (Pi), karena adanya data conflict dalam program tersebut

• Pipeline tidak “mulus”, cenderung lebih melebar

• Waktu pelaksanaan program menjadi lebih lama

• Jenis-jenis conflict :

Data, address dan branch

• Dengan terjadinya conflict tadi, speed-up yang diperoleh menjadi lebih kecil (lambat)

dibandingkan dengan tanpa conclict (pipa selalu penuh)

• Menjaga pipa selalu penuh tidak mudah



Contoh Address conflict

Contoh Branch Conflict



Latihan

A. Buat tabel pipelining berdasarkan program assembly (dengan asumsi proses kiri ke

kanan)

1. ADD R1.R2

2. MUL R2,R3

3. MOV R1,R4

4. DIV R4,R7

B. Buat tabel pipelining berdasarkan program assembly (dengan asumsi proses kiri ke

kanan)

1. MOV #A, R1

2. MOV #B, R2

3. MOV R1, R3

4. MOV R2, R4

5. MUL R1, R3

6. MUL R2, R4

7. ADD R3, R4

Daftar Pustaka





MODUL PERKULIAHAN

Cache Memory

Memaksimalkan Kinerja Komputer



10 15004 Tim Dosen

Abstract Kompetensi

Membahas Tentang fungsi dari Cahce memory Pada sistem Komputer

Mahasiswa dapat mengetahui cara Kerja dari cahca memory serta fungsinya dalam memaksimalkan kinerja komputer



Cache Memory

• Kapasitas relatif lebih kecil dari main memory, tetapi memiliki kecepatan yang relativ

lebih tinggi dibanding main memory

• Cache memory merupakan suatu memori buffer (salinan data) bagi memori utama.

• Meskipun cache menggunakan informasi yang tersimpan dalam memori utama, tetapi ia

tidak berhadapan secara langsung dengan memori utama.

• Word yang disimpan didalam cache memory adalah word yang diambil dari main

memory, yang dikerjakan sesuai perintah CPU.

Kelebihan:

Waktu akses cache memori relatif lebih cepat 5-10 kali dari memori utama.

Kekurangan:

Ukuran cache relatif lebih kecil

Gambar 10.1Arsitektur eksternal cahce memory (L2 Cache)

Gambar 10.2 Arsitektur Internal cahce memory (L1 Cache)

MEMORI

UTAMA

CPU

CACHE

CPU

MAIN

MEMORY



Gambar 10.3 Organisasi cache memori

A. Elemen Rancangan

Walaupun terdapat banyak implementasi cache, namun dari sisi organisasi maupun

arsitekturnya tidak banyak macamnya.

Tabel 10.1 Unsur-Unsur Rancangan Pada Cache Memori



B. Kapasitas Cache

Menentukan ukuran memori cache sangatlah penting untuk mendongkrak kinerja

komputer.Dari segi harga cache sangatlah mahal tidak seperti memori utama. Semakin

besar kapasitas cache tidak berarti semakin cepat prosesnya, dengan ukuran besar akan

terlalu banyak gate pengalamatannya sehingga akan memperlambat proses.

Kita bisa melihat beberapa merek prosesor di pasaran beberapa waktu lalu. AMD

mengeluarkan prosesor K5 dan K6 dengan cache yang besar (1MB) tetapi kinerjanya tidak

bagus. Kemudian Intel pernah mengeluarkan prosesor tanpa cache untuk alasan harga

yang murah, yaitu seri Intel Celeron pada tahun 1998-an hasil kinerjanya sangat buruk

terutama untuk operasi data besar, floating point, 3D. Intel Celeron versi berikutnya sudah

ditambah cache sekitar 128KB.

Lalu berapa idealnya kapasitas cache? Sejumlah penelitian telah menganjurkan

bahwa ukuran cache antara 1KB dan 512KB akan lebih optimum

C. Ukuran Blok

Elemen rancangan yang harus diperhatikan lagi adalah ukuran blok. Telah dijelaskan

adanya sifat lokalitas referensi maka nilai ukuran blok sangatlah penting. Apabila blok

berukuran besar ditransfer ke cache akan menyebabkan hit ratio mengalami penurunan

karena banyaknya data yang dikirim disekitar referensi. Tetapi apabila terlalu kecil,

dimungkinkan memori yang akan dibutuhkan CPU tidak tercakup. Apabila blok berukuran

besar ditransfer ke cache, maka akan terjadi :

1. Blok – blok yang berukuran lebih besar mengurangi jumlah blok yang menempati cache.

Karena isi cache sebelumnya akan ditindih.

2. Dengan meningkatnya ukuran blok maka jarak setiap word tambahan menjadi lebih jauh

dari word yang diminta, sehingga menjadi lebih kecil kemungkinannya digunakan cepat.

Hubungan antara ukuran blok dan hit ratio sangat rumit untuk dirumuskan,tergantung

pada karakteristik lokalitas programnya dan tidak terdapat nilai optimum yang pasti telah

ditemukan. Ukuran antara 4 hingga 8 satuan yang dapat dialamati (word atau byte) cukup

beralasan untuk mendekati nilai optimum

D. Fungsi Pemetaan (Mapping)



Telah kita ketahui bahwa cache mempunyai kapasitas yang kecil dibandingkan memori

utama. Sehingga diperlukan aturan blok – blok mana yang diletakkan dala cache. Terdapat

tiga metode, yaitu pemetaan langsung (direct mapping), pemetaan asosiatif, dan pemetaan

asosiatif set.

- Pemetaan Langsung (direct mapping)

Pemetaan langsung adalah teknik yang paling sederhana, yaitu teknik ini memetakan

blok memori utama hanya ke sebuah saluran cache saja. Gambar 10.4 menjelaskan

mekanisme pemetaan langsung.

Gambar 10.4 Organisasi cache pemetaan langsung

i = j modulus m dan m = 2r

dimana :

i = nomer saluran cache

j = nomer blok memori utama

m = jumlah saluran yang terdapat dalam cache



Fungsi pemetaan diimplementasikan dengan menggunakan alamat, yang terdiri dari tigafield

(tag, line, word), lihat gambar 10.4.

w = word, adalah bit paling kurang berarti yang mengidentifikasikan word atau byte unik

dalam blok memori utama.

s = byte sisa word yang menspesifikasi salah satu dari 2S blok memori utama. Cache logik

menginterpretasikan bit – bit S sebagai suatu tag s – r bit (bagian paling berarti dalam

alamat) dan field saluran r bit.

Efek pemetaan tersebut adalah blok – blok memori utama diberikan ke saluran cache seperti berikut

ini:

Jadi dalam metode ini pemetaan adalah bagian alamat blok memori utama sebagai

nomer saluran cache. Ketika suatu blok data sedang diakses atau dibaca terhadap saluran

yang diberikan, maka perlu memberikan tag bagi data untuk membedakannya dengan blok

– blok lain yang dapat sesuai dengan saluran tersebut.

Pada gambar 10.5 disajikan contoh pemetaan langsung dengan m = 16K, maka

pemetaannya : Perlu diketahui bahwa tidak ada dua buah blok yang dipetakan ke nomer

saluran uang sama memiliki tag sama. Sehingga 000000, 010000, …., FF0000 masing –

masing memiliki tag 00, 01,…., FF.

Teknik pemetaan ini sederhana dan mudah diimplementasikan, namun

kelemahannyaadalah terdapat lokasi cache yang tetap bagi sembarang blok – blok yang

diketahui. Dengan demikian, apabila suatu program berulang – ulang melakukan word

referensi dari dua blok yang berbeda memetakan saluran yang sama maka blok – blok itu

secara terus – menerus akan di-swap ke dalam cache sehingga hit rasionya akan rendah.



Gambar 10.5 salah satu contoh pemetaan langsung

(direct addresing)

- Pemetaan Assosiatif

Pemetaan asosiatif mengatasi kekurangan pemetaan langsung dengan cara setiap blok

memori utama dapat dimuat ke sembarang saluran cache. Alamat memori utama

diinterpretasikan dalam field tag dan field word oleh kontrol logika cache. Tag secara unik

mengidentifikasi sebuah blok memori utama.

Mekanisme untuk mengetahui suatu blok dalam cache dengan memeriksa setiap tag

saluran cache oleh kontrol logika cache. Dengan pemetaan ini didapat fleksibilitas dalam

penggantian blok baru yang ditempatkan dalam cache. Algoritma penggantian dirancang



untuk memaksimalkan hit ratio, yang pada pemetaan langsung terdapat kelemahan dalam

bagian ini. Kekurangan pemetaan asosiatif adalah kompleksitas rangkaian sehingga mahal

secara ekonomi.

Gambar. 10.6. Organisasi cahce dengan pemetaan asosiatif

- Pemetaan Assosiatif Set

Pemetaan asosiatif set menggabungkan kelebihan yang ada pada pemetaan langsung

dan pemetaan asosiatif. Memori cache dibagi dalam bentuk set – set.

Pemetaan asosiatif set prinsipnya adalah penggabungan kedua pemetaan sebelumnya.

Alamat memori utama diinterpretasikan dalam tiga field, yaitu: field tag, field set, dan field

word. Hal ini mirip dalam pemetaan langsung. Setiap blok memori utama dapat dimuat

dalam sembarang saluran cache. Gambar 10.7 menjelaskan organisasi pemetaan asosiatif

set.

Dalam pemetaan asosiatif set, cache dibagi dalam v buah set, yang masing –masing

terdiri dari k saluran. Hubungan yang terjadi adalah :

m = v x k

i = j modulus v dan v = 2d dimana :

i = nomer set cache

j = nomer blok memori utama



m = jumlah saluran pada cache

Gambar. 10.7. Organisasi cahce dengan pemetaan asosiatif



Gambar 10.8. salah satu contoh pemetaan asosiatif set

Gambar 10.8 menjelaskan contoh yang menggunakan pemetaan asosiatif set

dengan dua saluran pada masing-masing set, yang dikenal sebagai asosiatif set dua arah.

Nomor set mengidentifikasi set unik dua saluran di dalam cache. Nomor set ini juga

memberikan jumlah blok di dalam memori utama, modulus 2. Jumlah blok menentukan

pemetaan blok terhadap saluran. Sehingga blok-blok 000000, 00A000,…,FF1000 pada

memori utama dipetakan terhadap set 0 cache. Sembarang blok tersebut dapat dimuatkan

ke salah satu dari kedua saluran di dalam

set. Perlu dicatat bahwa tidak terdapat dua blok yang memetakannya terhadap set cache

yang sama memiliki nomor tag yang sama. Untuk operasi read, nomor set dipakai untuk

menentukan set dua saluran yang akan diuji. Kedua saluran di dalam set diuji untuk

mendapatkan yang cocok dengan nomor tag alamat yang akan diakses.

Penggunaan dua saluran per set ( v = m/2, k = 2), merupakan organisasi asosiatif set

yang paling umum. Teknik ini sangat meningkatkan hit ratio dibandingkan dengan

pemetaan langsung. Asosiatif set empat arah (v = m/4, k = 4) memberikan peningkatan



tambahan yang layak dengan penambahan harga yang relatif rendah. Peningkatan lebih

lanjut jumlah saluran per set hanya memiliki efek yang sedikit.

E. Algoritma Penggantian

Yang dimaksud Algoritma Penggantian adalah suatu mekanisme pergantian blok – blok

dalam memori cache yang lama dengan data baru. Dalam pemetaan langsung tidak

diperlukan algoritma ini, namun dalam pemetaan asosiatif dan asosiatif set, algoritma ini

mempunyai peranan penting untuk meningkatkan kinerja cache memori.

Banyak algoritma penggantian yang telah dikembangkan, namun dalam buku ini akan

dijelaskan algoritma yang umum digunakan saja. Algoritma yang paling efektif adalah Least

Recently Used (LRU), yaitu mengganti blok data yang terlama berada dalam cache dan

tidak memiliki referensi. Algoritma lainnya adalah First In First Out (FIFO), yaitu mengganti

blok data yang awal masuk. Kemudian Least Frequently Used (LFU) adalah mengganti blok

data yang mempunyai referensi paling sedikit. Teknik lain adalah algoritma Random, yaitu

penggantian tidak berdasakan pemakaian datanya, melainkan berdasarkan slot dari

beberapa slot kandidat secara acak.

F. Write Policy

Apabila suatu data telah diletakkan pada cache maka sebelum ada penggantian harus

dicek apakah data tersebut telah mengalami perubahan. Apabila telah berubah maka data

pada memori utama harus di-update. Masalah penulisan ini sangat kompleks, apalagi

memori utama dapat diakses langsung oleh modul I/O, yang memungkinkan data pada

memori utama berubah, lalu bagaimana dengan data yang telah dikirim pada cache?

Tentunya perbedaan ini menjadikan data tidak valid.

Teknik yang dikenalkan diantaranya, write through, yaitu operasi penulisan melibatkan

data pada memori utama dan sekaligus pada cache memori sehingga data selalu valid.

Kekurangan teknik ini adalah menjadikan lalu lintas data ke memori utama dan cache

sangat tinggi sehingga mengurangi kinerja sistem, bahkan bisa terjadi hang.

Teknik lainnya adalah write back, yaitu teknik meminimasi penulisan dengan cara



penulisan pada cache saja. Pada saat akan terjadi penggantian blok data cache maka baru

diadakan penulisan pada memori utama. Masalah yang timbul adalah manakala data di

memori utama belum di-update telah diakses modul I/O sehingga data di memori utama

tidak valid.

Penggunaan multi cache terutama untuk multi prosesor adan menjumpai masalah

yang lebih kompleks. Masalah validasi data tidak hanya antara cache dan memori utama

saja, namun antar cache juga harus diperhatikan. Pendekatan penyelesaian masalah yang

dapat dilakukan adalah dengan :

• Bus Watching with Write Through, yaitu setiap cache controller akan memonitoring

bus alamat untuk mendeteksi adanya operasi tulis. Apabila ada operasi tulis di

alamat yang datanya digunakan bersama maka cache controller akan menginvalidasi

data cache-nya.

• Hardware Transparency, yaitu adanya perangkat keras tambahan yang menjamin

semua updating data memori utama melalui cache direfleksikan pada seluruh cache

yang ada.

• Non Cacheable Memory, yaitu hanya bagian memori utama tertentu yang digunakan

secara bersama. Apabila ada mengaksesan data yang tidak di share merupakan

kegagalan cache.

G. Jumlah Cache

Terdapat dua macam letak cache. Berada dalam keping prosesor yang disebut on chip

cache atau cache internal. Kemudian berada di luar chip prosesor yang disebut off chip

cache atau cache eksternal.

Cache internal diletakkan dalam prosesor sehingga tidak memerlukan bus eksternal,

akibatnya waktu aksesnya akan cepat sekali, apalagi panjang lintasan internal bus prosesor

sangat pendek untuk mengakses cache internal. Cache internal selanjutnya disebut cache

tingkat 1 (L1).

Cache eksternal berada diluar keping chip prosesor yang diakses melalui bus eksternal.

Pertanyaannya, apakah masih diperlukan cache eksternal apabila telah ada cache internal?

Dari pengalaman, masih diperlukan untuk mengantisipasi permintaan akses alamat yang

belum tercakup dalam cache internal. Cache eksternal selanjutnya disebut cache tingkat 2

(L2).



Selanjutnya terdapat perkembangan untuk memisah cache data dan cache instruksi

yang disebut unified cache. Keuntungan unified cache adalah :

• Unified cache memiliki hit rate yang tinggi karena telah dibedakan antara informasi

data dan informasi instruksi.

• Hanya sebuah cache saja yang perlu dirancang dan diimplementasikan.

Namun terdapat kecenderungan untuk menggunakan split cache, terutama pada mesin

– mesin superscalar seperti Pentium dan PowerPC yang menekankan pada paralel proses

dan perkiraan – perkiraan eksekusi yang akan terjadi. Kelebihan utama split cache adalah

mengurangi persaingan antara prosesor instruksi dan unit eksekusi untuk mendapatkan

cache, yang mana hal ini sangat utama bagi perancangan prosesor – prosesor pipelining.

Daftar Pustaka





MODUL PERKULIAHAN

MULTIPROSESOR

Teknologi Multi Prosesor untuk meningkatkan Kinerja Prosesor



11 15004 Tim Dosen

Abstract Kompetensi

Membahas Tentang Teknologi Multiprosesor

Mahasiswa dapat mengetahui cara Kerja Multiprosesor dan jenis-jenisnya



Multiprosesor

A. Sistem Multiprosesor

• Merupakan sebuah sistem dimana sekumpulan prosessor dalam suatu komputer tunggal

berhubungan dan bekerja sama satu sama lain

• Prosessor tersebut dapat berkomunikasi melalui baris data langsung melalui memori

yang terbagi-bagi atau dengan perantaraan kombinasi memori itu.

B. Sistem Multiprosesor memiliki beberapa keuntungan antara lain:

- Kehandalan yang tinggi dikarenakan memiliki banyak unit proses yang digunakan

- Meningkatnya ketersediaan unit memori dan piranti I/O dan

- Meningkatnya kemampuan hitung berdasarkan jumlah ALU yang semakin banyak yang

merupakan imbas menggunkan banyak prosesor

C. General BUS

▪ Merupakan skema hubungan yang paling sederhana untuk suatu sistem multi prosessor.

▪ Merupakan jalur komunikasi tunggal antara komponen-komponen fungsional.

D. Crossbar Switch

• Suatu jalur yang terpisah menghubungkan setiap processor ke setiap unit memori.

• Karena setiap memori diakses oleh jalur-jalur yang berbeda, maka tidak akan terjadu

blocking yang disebabkan oleh adanya transmisi-transmisi yang bersamaan

waktunya.

MEMORI MULTIPORT :

Organisasi multiport didapat dengan mengeluarkan logika kendali, logika saklar arbitrasi

teoritas dari saklar crossbar dan meletakkan mereka didalam interfase masing-masing

unit memori.



Kemudian semua komponen fungsional lainnya mengakses unit memori melalui suatu

unit port tertentu dimana fungsi port tersebut merupakan sebagai jembatan yang

menentukan ke memori yang dituju.

Multi Cache Dalam Sistem Multi Prosessor :

Sistem multi prosessor mempunyai cache yang merupakan bagian dari suatu sistem.

Sayangnya kehadiran cache banyak cache menimbulkan masalah bagi konsistensi data

( perpautan cache ).

Masalah ini hanya ada jika cache dihubungkan dengan prosessor indivudual.

Dalam hal ini bisa terdapat beberapa salinan data yang sama di cache yang berlainan

pada saat yang sama.

Salah satu cara menghindari masalah pertautan cache adalah dengan menghubungkan

cache dengan memori terbagi dari pada dengan prosessor.

Klasifikasi multiprocessing:

• Loosely Coupled Multiprocessing

• Functionality Specialized Processor

• Tighly Coupled Multiprocessing

• Parallel Processing

Klasifikasi Struktur Parallel :

Single Instruction Single Data stream (SISD)

Single Instruction Multiple Data stream (SIMD)

Multiple Instruction Single Data stream (MISD)

Multiple Instruction Multiple Data stream (MIMD)

Tighly Coupled Multiprocessing = Multiprocessor :

Memiliki dua atau lebih processor general purpose, dimana masing-masing prcessor

memiliki kemampuan yang sama



Semua processor memiliki akses bersama ke memori bersama. Beberapa memori lokal

(private) dapat juga digunakan.

Semua processor memiliki akses bersama ke perangkat I/O, baik melalui saluran yang

sama atau melalui saluran yang berbeda yang menyediakan lintasan ke perangkat yang

sama.

Sistem dikontrol oleh suatu sistem operasi terintegrasi yang menyediakan interaksi

antara processor dengan program-program pada level job, task, file dan data.

Gambar 11.1 Multiprocessor tightly couple

Organisasi multiprocessor:

- Time Shared Bus atau Bus Common

- Multiport Memory

- Central Control Unit

A. Time-Shared Bus :



Struktur dan antarmuka Time-sahred bus mirip dengan sistem processor tunggal,

memakai interkoneksi bus. Sistem bus terdiri dari bus alamat, bus data dan bus kontrol.

Untuk memungkinkan transfer DMA dari processor-processor I/O, disediakan fitur-fitur :

• Addressing:

Pengalamatan harus dapat membedakan modul-modul pada bus untuk

menentukan sumber dan tujuan data.

• Arbitration:

Setiap modul I/O dapat berfungsi sebagai “master” sementara. Disediakan

mekanisme untuk menanggulangi sistem request kontrol bus yang bersamaan,

dengan teknik prioritas.

• Time Sharing:

Bila suatu modul sedang melakukan pengontrolan terhadap bus, maka modul-

modul lainnya dikunci.

Kelebihan Time-shared Bus:

• Sederhana :

Merupakan organisasi multiprocessor yang paling sederhana. Interface fisik, logika

pengalamatan, arbitrasi dan time sharing seluruh processor sama seperti pada

processor tunggal

• Fleksibilitas :

Mudah dikembangkan, dalam pengertian jumlah CPU.

• Realibilitas :

Bus merupakan medium pasif dan kegagalan suatu perangkat yang terhubung tidak

akan menyebabkan kegagalan sistem secara keseluruhan.



Gambar 11.2. Organisasi dasar time shared bus

Gambar 11.3. Organisasi dasar time shared bus dengan Cache

Multiport Memory :

Memungkinkan akses modul-modul memori utama secara langsung dan independent

oleh CPU dan modul I/O. Metode yang digunakanUntuk mengatasi konflik adalah dengan

menunjuk prioritas yang permanen bagi semua port memori. Modul port identik dengan

modul memori port tunggal.

Dengan demikian untuk mengakomodasi memori multi port hanya diperlukan sedikit

modifikasi CPU atau modul I/O atau tidak sama sekali.



Gambar 11.4. Organisasi memory Multiport

Sistem Memori multiprocessor:

Sistem Memori Pribadi, merujuk pada sebuah konfigurasi dimana processor-processor

memiliki memori lokal dan antar processor dapat saling berkomunikasi satu sama lain

melalui suatu sistem transfer message. Dalam system transfer message prosesor

memiliki unit masukan dan keluaran (I/O) dan juga menggunakan memori masing-

masing sehingga sebagai unit pengotrol pekerjaan adalah bagian message transfer.

Fungsi message transfer mengirimkan sinyal pekerjaan (thread) ke prosesor yang

sedang idle, sehingga seolah-olah message transfer seperti sebuah load balancer.

Untuk teknologi multiprosesor ini membutuhkan biaya yang sangat besar

Sistem Memori Terbagi, semua processor memakai suatu memori utama atau sering

disebut juga sebagai memori bersama. Pada teknologi multiprosesor ini masing-masing

prosesor mengakses ke satu memori saja. Sehingga diperlukan scheduling

(penjadwalan) dalam penggunaan memori satu buah.



Gambar 11.5. Organisasi hardware message transfer

Gambar 11.6 Sistem Memori bersama



Latihan

1. Apa perbedaan antara system memori pribadi dengan system memori bersama pada

teknologi multiprosesor

2. menurut anda prosesor Core 2 Duo yang sekarang ini menggunakan system memori

pribadi dengan system memori bersama? Jelaskan jawabanmu

Daftar Pustaka





MODUL PERKULIAHAN

RISC dan CISC

Teknologi Scalar untuk meningkatkan Kinerja Prosesor



12 15004 Tim Dosen

Abstract Kompetensi

Membahas Tentang Teknologi Scalar Mahasiswa dapat mengetahui cara Kerja teknologi scalar dan jenis-jenisnya



RISC dan CISC

RISC

Reduced Instruction Set Computer

Komputer dengan Set instruksi terbatas

CISC

Complex Instruction Set Computer

Komputer dengan Set instruksi Kompleks

RISC (Reduced Instruction Set Computer)

Ciri-ciri utama:

• Peningkatan kapasitas pada general purpose register

• Penggunaan Teknologi kompiler untuk meningkatkan kenerja register yang digunakan

• Set instruksi yang sederhana dan terbatas

• Peningkatan pada saluran instruksi

• Dikembangkan oleh dunia penelitian akademisi

Ciri-ciri lainnya

• Satu instruksi per cycle

• Operasi register ke register (lebih sederhana)

• Simpel mode pengalamtan

• Simpel dalam format instruksi

• Didesign sebagai perangkat keras (bukan microcode)

• Format instruksnya sudah ditetapkan (sekitar 32 bit)

• Lebih ke waktu pengkompilean

SIC (SIMPLIFIED INSTRUCTIONAL COMPUTER)



Komputer yang didasarkan pada SIC ini merupakan komputer yang termasuk dalam

perancangan arsitektur yang sangat sederhana dan komputer ini dipersembahkan oleh

BECK (1985).

Struktur Mesin SIC terdiri dari :

1. CPU

2. Unit memori

3. Minimal satu unit prinati I/O

Untuk CPU yang digunakan terdiri dari 13 register khusus, seperti yang ada pada tabel di

bawah ini.

NO REGISTER UKURAN (bit) NAMA

1 A 24 Accumulator

2 X 15 Register Index

3 L 15 Register Linkage

4 PC 15 Program Counter

5 IR 24 Instruction Register

6 MBR 24 Memori Buffer Register

7 MAR 15 Memori Address Register

8 SW 11 Status Word

9 C 2 Counter

10 INT 1 Interrupt Flag

11 F 1 Fetch Cycle Flag

12 E 1 Execute Cycle Flag

13 S 1 Start / Stop Flag



Setiap register mempunyai pekerjaan yang hampir sama yaitu sebagai tempat penyimpanan

sementara, tetapi memiliki pekerjaan khusus yang berbeda

Format instruksi pada mesin SIC :

23 161514 0

OP IX AD

Keterangan :

OP = OPCODE 8 bit yang menerangkan operasi-mikro yang akan dijalankan

IX = flag indeks yang menunujukkan mode pengalamatan yang harus digunakan

AD = alamat untuk memori operand 15 bit

• Pengalamatan langsung (direct addressing) yaitu operand disimpan di dalam M[AD]

• Pengalamatan berindeks (index addressing) yaitu operand disimpan di dalam M[AD

= (X)] dengan bit IX bernilai 1

Penggunaan register-register pada SIC

1. Register A = register yang digunakan untuk proses perhitungan

2. Register X = register yang digunakan untuk mode pengalamatan berindex

3. Register PC = register yang menyimpan alamat instruksi berikutnya

4. Register L = register yang menyimpan alamat asal sebelum melakukan subroutines

5. Register IR = register yang menyimpan instruksi yang sedang dikerjakan

6. Register MBR = register yang digunakan untuk proses masukan atau keluaran data

dari memori

7. Register MAR = register yang menyimpan alamat memori untuk proses pembacaan

atau penulisan

8. SW = register yang berisi informasi status relatif terhadap instruksi sebelumnya

9. C = register yang membangkitkan signal waktu t0, t1, t2, t3



10. INT = register yang menentukan apakah signal interrupt telah diterima

11. F = register yang digunakan dalam proses”siklus fetch’

12. E = register khusus yang digunakan dalam proses “siklus eksekusi’

13. S = register yang akan mengaktifkan register C

Kumpulan Instruksi SIC

Ada 21 instruksi SIC yang digunakan, dimana pada instruksi ini m menunjukkan address

memori dari operand dan (m) menunjukkan nilai yang disimpan pada address memori

tersebut. Opcode instruksinya ditulis dalam notasi heksadesimal.

• JSUB dan RSUB merupakan dua instruksi yang berhubungan dengan subrutin.

JSUB menyimpan PC saat ini ke L dan kemudian melompat ke subrutin dengan

menyimpan operand ke PC. RSUB kembali dari subrutin dengan melompat ke lokasi

yang dinyatakan oleh L.

• Instruksi TD digunakan untuk menguji piranti I/O sebelum berusaha untuk membaca

dari atau menulis ke piranti tersebut.Hasil pengujian tersebut disimpan di dalam kode

kondisi (condition code), field CC, pada SW. Panjang field ini 2 bit dan digunakan

untuk mewakili salah satu dari tiga nilai <, =, >

Jika instruksi TD dijalankan, nilai field CC aka di-set menurut kode berikut :

< menunjukkan bahwa piranti telah siap

= menunjukan bahwa piranti sedang sibuk dan tidak dapat digunakan pada saat itu

> menunjukkan bahwa piranti tidak beroperasi

• Instruksi COMP digunakan juga untuk men-set field CC. Nilai yang disimpan field CC

setelah sebuah instruksi COMP setelah sebuah instruksi COMP menggambarkan

hubungan antara A dan operand instruksi

• Instruksi IRT digunakan oleh interrupt handler agar menyebabkan lompatan kembali

ke tempat dimana CPU berada sebelum intrupsi terjadi.



Jika interupsi terjadi, CPU akan menyimpan PC saat ini ke dalam memori pada

address 0.

Untuk kembali dari sebuah interupsi , isi dari alamat memori ini harus di-load kembali

ke dalam PC.

• Instruksi-instruksi lainnya adalah operasi aritmatika dan logika, transfer dari

pengendalian(jump), loading register, storing register atau membaca dan menulis ke

piranti I/O.

Kenapa komputer mengarah pada CISC?

• Harga software lebih mahal dibandingkan harga hardware

• Peningkatan kompleksitas pada bahasa pemrograman tingkat tinggi

• Mengacu kepada:

- kapasitas set instruksi yang semakin besar

- Penambahan pada jenis pengalamatam

- Implementasi Hardware dari statmen bahasa pemrograman tingkat tinggi

Tujuan dar Untuk meringkaskan proses compiling (yakni proses pertukaran dari high level

ke low level) dan ini menghasilkan peningkatan kinerja komputer secara keseluruhan.

Kreteria CISC

• Jumlah saluran yang banyak (kapasitasnya 100 s/d 250 saluran).

• Terdapat beberapa saluran khas yg kurang kerap digunakan.

• Berbagai mode pengalamatan (berjumlah 5 s/d 20 mode).

• Berbagai jenis format saluran (memerlukan penkodean yang berlainan).

• Pada umumya saluran memanipulasikan jenia operan dalam memori.

Kreteria operasi

• Kinerja operasi

• Penggunan banyak operand

• Urutan pengeksekusian

• Pembelajaran telah dapat ditulis dengan bahsa tingkat tinggi



Operasi

• Tugasnya

- perpindahan data

• Pernyataan bersyarat (IF, LOOP)

• Urutan pengendalian

• Prosedur call-return banyak membutuhkan waktu eksekusi

• Beberapa bahasa pemrograman tingkat tinggi (HLL) banyak mengacu kearah

operasi kode mesin

Operand

Mengutamakan local scalar variables

Berkosentrasi pada peningkatan local variables

Pascal C Rata-rata

Integer constant 16 23 20

Scalar variable 58 53 55

Array/structure 26 24 25

Perbandingan kinerja antar beberapa mikroprocessor



RISC and CISC: point yang paling utama

• CISC Built for Language (Assembly)

• CISC Built for Memory Conservation

• CISC Focuses on Standards and Compatibility

• RISC Designed for Speed

• RISC Simultaneous Access to Code and Operands

• RISC Reliance on Compilers

Multiple Register Sets

• Performance feature independent of RISC aspect of processor

• Reduce frequency of register saves/restores on procedure calls

• Overlap register sets for parameter passing

• MRS impact performance for both RISC and CISC

Effect of MRS on CISC



Effect of MRS on RISC

Daftar Pustaka





MODUL PERKULIAHAN

Sistem Operasi

Konsep Sistem Operasi Pada sistem Arsitektur



13 15004 Tim Dosen

Abstract Kompetensi

Membahas Tentang Konsep sistem Operasi Secara Umum

Mahasiswa dapat mengetahui Konsep Sistem Operasi



Sistem Operasi

SISTEM OPERASI

DEFENISI DAN FUNGSI SISTEM OPERASI

A. DEFINISI

• Suatu sistem operasi adalah suatu program yang mengendalikan

pelaksanaan program aplikasi dan bertindak sebagai suatu alat penghubung

antara pemakai dan suatu komputer dan perangkat keras komputer.

• Suatu komputer adalah satu set sumber daya untuk tempat penyimpanan dat,

transfer data, pengolahan data dan untuk kendali dari fungsi tersebut.

B. FUNGSI

• Kemudahan:

Suatu sistem operasi membuat komputer lebih mudah untuk digunakan (user

friendly)

• Effisiensi

Suatu sistem operasi membuat sistem komputer akan lebih effisien dalam

penggunaanya

• Stabil dalm pengevaluasian

suatu sistem operasi mencari solusi jalan (interactive) yang terbaik dari

sebuah sistem yang baru akan dibuat, serta interface yang baru yang

digunakan



Lapisan tingkatan pada Sistem Komputer

C. KEGIATAN

• Pengelolaan : storage, processor, I/O

• Penyediaan.

• Hubungan : interface antara user dengan storage, processor dan I/O device.

D.Tipe dari sistem Operasi

• Interactive

• Batch

• Single program (Uni-programming)

• Multi-programming (Multi-tasking)

Early Systems

• Akhir tahun 1940 sampai awal tahun 1950

• Tidak terdapat sistem operasi

• Program yang digunakan berinteraksi langsung dengan hardware

• Dua masalah utama:

- Harus melaksanakan penjadwalan

- Menset waktu



Simple Batch Systems

• Program tidak dapat dilihat

• Pengguna meminta data pekerjaan kepada operator

• Operator adalah pusat percabangan tiap-tiap job

• Ketika satu buah proses telah selesai dilaksanakan, kontrol kembali

memonitor dan melaksanakan proses selanjutnya

• Memonitor melaksanakan penjadwalan

Single Program

Multi-Programming with Two Programs



Multi-Programming with Three Programs

Partitioning

• Splitting memory into sections to allocate to processes (including Operating

System)

• Fixed-sized partitions

- May not be equal size

- Process is fitted into smallest hole that will take it (best fit)

- Some wasted memory

- Leads to variable sized partitions

Fixed partitioning



Effect of Dynamic Partitioning

Salah satu aspek terpenting dari OS adalah kemampuannya dalam multiprogram.

Sebuah program tunggal, tidak bias membuat CPUatau I/O devices menjadi sibuk

sepanjang waktu. User tunggal biasanya memiliki banyak program yang berjalan.

Multiprogramming dapat meningkatkan utilisasi CPU dengan mengelola job-job

(kode dan data) sehingga CPU selalu memiliki job kode atau data untuk dieksekusi,

OS menyimpan beberapa job dalam memori secara bersamaan karena, main

memory terlalu kecil untuk mengakomodasi semua job, maka job-job disimpan dulu

pada disk dalam sebuah job pool. Pool ini berisi semua proses yang menunggu

pada disk untuk dialokasikan ke main memory.



Gambar Layout memori pada multiprogramming

Ilustrasi keuntungan Multiprogramming

Misalkan sebuah computer yang memiliki 250 Mbytes memory yang tersisa (tidak

digunakan oleh OS), sebuah disk, sebuah terminal, dan sebuah printer. Ada 3

program JOB1, JOB2, dan JOB3 datang, untuk dieksekusi pada waktu yang sama.

Tabel 2.1 adalah atribut untuk setiap job tersebut.

Utilisasi Histogram penggunaan resource antara uniprogramming dengan

multiprogramming,



Sebuah komputer agar dapat running, maka diperlukan pada saat powered up / rebooted—

diperlukan sebuah initial program untuk run. initial program, disebut dengan bootstrap

program. Bootstrap program biasanya disimpan dalam sebuah perangkat keras computer

yaitu :

• read-only memory (ROM)

• electrically erasable programmable read-only memory (EEPROM)

yang dikenal dengan istilah firmware.

Bootstrap program akan mengenali semua aspek-aspek sistem, dari CPU register sampai

device controller dan isi memori. Bootstrap program juga harus mengetahui bagaimana cara

untuk load OS dan memulai eksekusi sistem.

Untuk mencapai tujuan ini, maka bootstrap program harus menempatkan OS kernel dan me-

loadnya ke dalam memori. Ketika kernel di-load dan di-eksekusi, maka kernel sudah dapat

untuk mulai menyediakan layanan ke sistem dan user.

Beberapa layanan disediakan diluar kernel, oleh program sistem yang di-load kedalam

memor pada saat boot time dan menjadi system processes atau system daemons, yang

berjalan selama kernel berjalan.



Daftar Pustaka





fasilkom.mercubuana.ac.idfasilkom.mercubuana.ac.id/wp-content/...dan-organisasi-komputer-ti.pdf ·...

Documents