Arsitektur Sistem Komputer

Gaya konstruksi dan organisasi dari bagian-bagian (komponen) sistem komputer

merupakan "arsitektur"-nya. Walaupun elemen-elemen dasar komputer pada hakekatnya sama

atau hampir semuanya komputer digital, namun terdapat variasi dalam konstruksinya yang

merefleksikan cara penggunaan komputer yang berbeda.

Pertama kali kita akan membahas fasilitas arsitektural yang umum bagi semua sistem. Kemudian kita akan melihat variasi dalam arsitektur yang diakibatkan oleh perbedaan dalam penggunaan dan ukuran sistem.

Ada sejumlah tingkatan dalam kita mempelajari konstruksi dan organisasi sistem komputer. Perbedaan paling sederhana diantara tingkatan tersebut adalah perbedaan antara hardware dan software. Kita bisa memandang hardware sebagai tingkat komputer yang paling bawah dan paling dasar, dimana pada hardware ini "layer" software ditambahkan. Software tersebut duduk (bertempat) di atas hardware, menggunakannya dan mengontrolnya. Hardware ini mendukung software dengan memberikan atau menyediakan operasi yang diperlukan software. Hardware dan Software merupakan tingkatan sederhana arsitektur komputer.

Gambar 1. Tingkatan dasar Arsitektur Komputer

Gambar 2. Arsitektur Komputer Multilayered

Tingkatan sederhana dikembangkan sebagai "multilayered machine" yang terdiri dari beberapa layer software di atas beberapa layer hardware.

HARDWARE LEVEL

Layer perangkat fisik (Physical Device Layer)Dalam prakteknya merupakan layer komponen elektrik dan elektronik. Perangkat komputer modern yang paling canggih pun terbangun dari komponen elektronik sederhana seperti transistor, kapasitor, dan resistor dan komponen ini mengandalkan pada power supply dan lingkungan operasi yang cocok. Transistor juga dapat bertindak/berfungsi sebagai switch elektronik, baik ON (biner "1") ataupun OFF (biner "0").

• Di waktu mendatang, komputer bisa jadi didasarkan pada beberapa teknologi yang berbeda seperti optik atau biokimia. Namun demikian, untuk masa mendatang yang segera, peluang perubahan revolusioner seperti itu sangatlah kecil.

Layer logika digital (Digital Logic Layer) Semua operasi mesin yang paling dasar diberikan pada tingkat ini. Elemen-elemen dasar pada tingkat ini dapat menyimpan, memanipulasi, dan mentransmisi data dalam bentuk representasi biner sederhana.

• Elemen logika digital ini disebut gate. Gate biasanya dikonstruksi dari sejumlah kecil transistor dan komponen elektronik lain. Namun demikian, banyak gate bisa dikombinasikan ke satu chip.

• Perangkat logika digital standart dikombinasikan bersama untuk membentuk prosesor komputer, memori komputer, dan komponen utama dari unit yang digunakan untuk input dan output.

Layer microprogrammed (Microprogrammed Layer)Menginterpretasikan instruksi bahasa mesin dari layer mesin dan secara langsung menyebabkan elemen logika digital menjalankan operasi yang dikehendaki. Maka, sebenarnya ia adalah prosesor inner (bagian dalam) yang sangat mendasar dan dikendalikan oleh instruksi program kontrol primitifnya sendiri yang disangga dalam ROM inner-nya sendiri. Instruksi program ini disebut mikrokode dan program kontrolnya disebut mikroprogram. Mereka adalah salah satu contoh firmware (yakni, software dalam ROM).

• Layer microprogrammed tidak ada dalam komputer generasi pertama dan juga tidak terdapat dalam beberapa mikroprosesor kecil sekarang ini. Dalam mesin yang tidak mempunyai layer microprogrammed, prosesornya dikonstruksi secara langsung dari kombinasi komponen logika digital.

• Penggunaan layer microprogrammed memungkinkan pabrikan memproduksi family of processors, yang semuanya memproses set instruksi mesin yang sama pada layer mesin, namun mereka berbeda dalam hal konstruksi dan kecepatannya. Dengan cara ini, pabrikan bisa menawarkan berbagai mesin yang berbeda power dan harganya. Software dapat dipindahkan dari satu mesin ke mesin lainnya dalam jangkauan tersebut (dalam lingkup family ini) tanpa perlu pengubahan. Semakin majunya teknologi, pabrikan bisa mengganti prosesor model lama dengan yang model baru. Maka, pelanggan dapat upgrade hardware tanpa harus menulis kembali software tersebut.

• Rincian tingkat microprogrammed dari arsitektur ini tidak selalu diungkap oleh pabrikan, karena pabrikan juga ingin melindungi rahasia dagangnya. Sebagai contoh, Motorola tidak mengungkap semua rincian tingkat microprogrammed dari mikroposesor 16-bit-nya yang bernama MC68000. Rincian atau detail tingkatan microprogrammed dari komputer-komputer yang lebih besar, seperti minis atau mainframe, kadang-kadang dipublikasikan oleh pabrikan.

Layer mesin (Machine Layer) Adalah tingkat hardware level yang paling bawah, dimana program dapat dituliskan dan memang hanya instruksi bahasa mesin (machine language) yang dapat diinterpretasikan secara langsung oleh hardware.

SOFTWARE LEVEL

Layer sistem operasi (Operating System Layer)Mengontrol cara yang dilakukan oleh semua software dalam menggunakan hardware yang mendasari (underlying) dan juga menyembunyikan kompleksitas hardware dari software lain dengan cara memberikan fasilitasnya sendiri, yang memungkinkan software menggunakan hardware tersebut secara lebih mudah. la juga mencegah software lain melewati fasilitas ini, sehingga hardware tersebut hanya bisa diakses secara langsung oleh sistem operasi. Oleh karenanya, ia memberikan lingkungan yang tertata aman, dimana dalam lingkungan ini instruksi bahasa mesin dapat dieksekusi (dijalankan) secara aman dan efektif.

Layer software urutan atas (Higher Order Software Layer) Mencakup semua program dalam bahasa selain bahasa mesin yang memerlukan penerjemahan ke dalam kode mesin sebelum mereka dapat dijalankan. Ketika diterjemahkan, program seperti itu akan mengandalkan (menyandarkan diri) pada fasilitas sistem operasi yang mendasari maupun instruksi-instruksi mesin mereka sendiri.

Layer aplikasi (Applications Layer)Adalah bahasa komputer seperti yang dilihat oleh end-user.

Komputer yang mendasari, apabila dipandang dari setiap layer, kadang-kadang disebut 'Virtual machine". Sebagai contoh, sistem operasi (operating) merupakan virtual machine bagi software di atasnya, sebab, untuk tujuan praktisnya, ia adalah "mesin" yang digunakan software.

ORGANISASI FISIK KOMPUTER

Merancang dan membangun komputer baru dari awal adalah proses yang mahal. Juga, biaya komponen per unit akan tinggi jika komponen tersebut tidak diproduksi secara massal. Faktor ini menyebabkan sebagian besar pabrikan komputer meng-konstruksi komputer mereka dari kombinasi komponen standart yang bervariasi. Sebagai contoh, banyak mikrokomputer yang berbeda berisi mikroprosesor yang sama.

Prinsip modular construction (konstruksi moduler) ini berlaku bagi berbagai tingkatan desain. Pada satu tingkat, mungkin akan menjadi masalah dengan mela-kukan "plugging in" (memasang langsung) satu perangkat peripheral sebagai pengganti perangkat yang lain. Pada tingkat yang lebih rendah, mungkin akan menjadi masalah dengan menggunakan satu jenis chip memori sebagai pengganti chip yang lain.

Komponen standart jauh lebih mudah diinterkoneksikan jika cara penginterkoneksiannya juga distandardisasi. Salah satu metode yang penting untuk melakukan hal ini adalah dengan menggunakan "buses".

Bus adalah kumpulan konduktor-konduktor elektris paralel yang disebut "line". dimana sejumlah komponen bisa dikoneksikan kepadanya. Koneksi (penyamhungan) dilakukan pada point sepanjang bus tersebut dengan menggunakan konektor yang mempunyai beberapa kontak elektris.

Ada dua jenis dasar bus: a. Internal buses (bus internal), yang digunakan dalam prosesor dan

merupakan bagian terpadu dari konstruksinya. b. External buses (bus eksternal), yang digunakan untuk

mengkoneksikan elemen hardware terpisah bersama-sama, misalnya mengkoneksikan prosesor ke memori utama.

Bus bisa digunakan untuk menyampaikan: a. sinyal data c. sinyal kontrolb. sinyal alamat data d. power

Pengaruh ukuran pada konstruksi perlu dibahas dulu sebelum melihat lebih jauh mengenai arsitektur sistem lengkap. Tiga bentuk konstruksi yang sedikit berbeda adalah, dari yang terkecil sampai yang terbesar:

a. Komputer single-chip: Adalah komputer yang bisa dijumpai pada perangkal seperti jam, kamera dan sebagainya. Prosesor-prosesornya dispesialisasi, mereka diprogram untuk melakukan tugas spesiflk dan terpisah dari operasi yang dilakukan perangkat itu, mereka tidak bisa diketahui dengan segera sebagai komputer.

b. Komputer single-board: Komputer ini biasanya jauh lebih besar dari pada komputer single-chip, namun secara relatif ia tetap kecil. la dikonstruksi pada lembaran insulator (penyekat) elektris plat tipis, dimana komponen bisa dipasangkan dan diinterkoneksikan pada lembaran plat ini. Printed circuit board (PCB) seringkali digunakan untuk produksi volume.

Komputer single-board dibagi menjadi dua kategori luas:1. Mikrokomputer kecil penggunaan umum seperti komputer rumah tangga kecil dan berbagai PC sederhana.2. Komputer kecil penggunaan khusus, yang seringkali digunakan untuk

aplikasi yang melibatkan pengontrolan proses fisik. Contohnya adalah sistem yang mengontrol pabrik penyulingan kimia skala-kecil atau

sistem yang mengontrol operasi mesin penggilingan yang kompleks. Dalam kedua kasus ini, bus-bus tak lain digunakan sebagai bagian terpadu

dari circuitry papan (board).

c. Komputer multiple-board bus-based: Biasanya merupakan komputer kegunaan umum (general-purpose). la biasanya terlalu besar untuk dipasangkan pada satu papan. Maka digunakanlah beberapa papan (board), yang masing-masing mempunyai fungsi tertentu dan semua papan tersebut diinterkoneksikan dengan memasangkan mereka ke slot-slot individual yang ada pada satu atau beberapa bus kegunaan umum. Satu board bisa berisi prosesor, board lain bisa berisi penyimpanan utama, dan seterusnya. Banyak minikomputer dan mainframe didasarkan pada jenis konstruksi ini. Kadang-kadang ada board utama yang disebut motherboard untuk prosesor dan komponen utama lain, dimana board-board lain bisa dislotkan (dipasangkan) ke papan utama utama itu.

KOMPONEN-KOMPONEN UTAMA LAYER LOGIKA DIGITAL

Perangkat logika digital standart dikombinasikan bersama untuk membentuk prosesor komputer, memori komputer, dan komponen utama dari unit yang digunakan untuk input dan output. Perangkat-perangkat seperti ini harus diinterkoneksikan dengan cara yang terorganisir untuk membentuk sistem yang lengkap. Dalam sebagian besar komputer modern, buses memberikan interkoneksi itu. Perlu diingat bahwa bus-bus menginterkoneksikan perangkat melalui se-set lines (Jalur) paralel dan bahwa jalur tersebut diklasifikasikan sebagai jalur data (bus data), jalur alamat (bus alamat) dan jalur kontrol (bus kontrol).

Salah satu arsitektur yang paling sederhana adalah arsitektur yang didasarkan pada satu general purpose bus (bus kegunaan umum). (Gambar 3). Pengaturan ini cenderung digunakan hanya pada sistem yang didasarkan pada mikrokomputer. la sederhana dan efektif, namun transfer data antara prosesor dan memori dapat terhalang oleh transfer lamban yang melibatkan unit input atau output.

Gambar 3. Sistem yang didasarkan pada bus kegunaan umum

Catatlah bahwa dalam konteks pembahasan ini, perangkat penyimpanan seperti unit disk dan unit tape dianggap sebagai perangkat input dan output. Yang dinyatakan berikutnya adalah penggunaan singkatan "I/O" sebagai kependekan dari "Input or Output".

Kebanyakan arsitektur didasarkan pada dua bus dan menganut salah satu dari dua alternatif yang ditunjukkan pada Gambar 4 dan 5. Dalam kedua kasus ini, bus yang digunakan untuk transfer data antara memori dan prosesor terpisah dari bus yang digunakan oleh unit input dan unit output. Hal ini merefleksikan perbedaan kecepatannya.

Transfer data antara memori dan prosesor menggunakan bus yang lebih cepat dan juga tidak terhalang/tertahan untuk menunggu perangkat lebih lamban yang digunakan untuk input dan output.

Gambar 4 menunjukkan dua pengaturan bus yang umum digunakan pada mikrokomputer yag besar dan dalam minikomputer-minikomputer. Prosesor tersebut mempunyai koneksi langsung ke kedua bus tersebut. Data hanya lewat antara memori dan unit (I/O) melalui prosesor.

Pengaturan yang lain, yang lebih banyak dijumpai pada minikomputer yang lebih besar dan mainframe, adalah pengaturan yang ditunjukkan pada Gambar 5, dimana prosesor hanya mengakses data melalui bus memori. Dalam pengaturan seperti ini, prosesor secara efektif mendelegasikan beberapa power pengontrolan I/O-nya yang rinci kepada peripheral processor tambahan. yang juga disebut I/O channels (channel I/O). Meskipun rinciannya tidak ditunjukkan pada Gambar 5, prosesor tersebut mempunyai kontrol keseluruhan atas I/O. Pengaturan dan terminologi pastinya beragam menurut masing-masing pabrikan, namun semuanya bertujuan sama:

a. untuk memaksimisasi penggunaan prosesor dengan cara membebaskannya dari beban pengontrolan operasi tingkat rendah;

b. untuk memaksimisasi kecepatan dan efisiensi transfer data I/O ke dan dari memori.

Gambar 4.

Sistem yang didasarkan pada dua bus.

Gambar 5.

Sistem lain yang didasarkan pada dua bus.

Faktor lain yang mempengaruhi kecepatan transfer data adalah bus width/lebar bus. dalam pengaturan sederhana seperti terlihat pada Gambar 3, lebar bus data hanya 8-bit atau 16-bit, sementara pada Gambar 5, lebar bus datanya bisa 32-bit atau 64-bit.

PROSESOR Prosesor terdiri atas dua elemen utama, yaitu:a. Control Unit (CU)b. Arithmetic and Logic Unit (ALU).CU dan ALU beroperasi bersama dengan sejumlah komponen prosesor tambahan. Semua komponen prosesor tersebut seluruhnya elektronik.

Fungsi prosesor adalah:a. untuk mengontrol penggunaan penyimpanan utama yang

digunakan untuk menyimpan data dan instruksi, b. untuk mengontrol rangkaian operasi,c. untuk memberi perintah kepada semua bagian sistem komputer, d. untuk menyelenggarakan pemrosesan.

• Prosesor tersebut mengontrol input data dan transfernya ke dalam penyimpanan utama, mengakses data, dan kemudian mengirimkan hasilnya ke unit output. Pada semua tahapan, transmisi data bersifat elektrinis.

• Prosesor tersebut dikoneksikan ke elemen lain yang ada pada komputer dengan menggunakan bus-bus, yang terdiri atas beberapa bus seperti ditunjukkan pada Gambar 6:

Gambar 6. Contoh koneksi-koneksi bus.

Register

Register adalah lokasi penyimpanan sementara penggunaan khusus yang ada di dalam prosesor atau perangkat lain. la begitu terpisah dari lokasi dalam penyimpanan utama, walaupun struktur mereka bisa sama. Penggunaan register yang ditunjukkan pada Gambar 6 adalah sebagai berikut:

a. Semua data dan instruksi masuk ke dan keluar dari prosesor melalui suatu register yang disebut Memory Data Register (MDR).

b. Semua data dan instruksi masuk ke dan keluar dari penyimpanan utama melalui register yang disebut Memory Buffer Register (MBR).

c. Sebelum setiap transfer antara MDR (pada) prosesor dan MBR (pada penyimpanan utama, sumber atau tujuan data yang pasti dalam penyimpanan utama harus ditetapkan. Hal ini dilakukan dengan memuatkan alamat lokasi yang tepat ke dalam Memory Address Register (MAR). Memori utama menerima informasi alamat ini melalui bus alamat. la juga menerima sinyal kontrol dari prosesor melalui bus kontrol, yang mana ia mampu mendekode menjadi perintah untuknya untuk menyimpan atau memanggil data.

d. Unit I/O yang dikoneksikan ke prosesor melalui bus juga mempunyai data buffer register yang berfungsi sama seperti MBR.

Rincian Operasi Prosesor.

Gambar 7 memberikan gambaran menyeluruh tentang prosesor dan pergerakan sinyal data, instruksi, dan perintah di dalamnya dan diantara ia (prosesor) dan penyimpanan utama. Gambar tersebut juga menunjukkan peranan register dalam pergerakan data dan instruksi di dalam prosesor. Diharapkan memperoleh gambaran menyeluruh dulu tentang lintasan data dan instruksi (yang menuju) ke register tersebut. Dalam contoh tersebut, prosesor mempunyai bus internal tunggal ditambah koneksi ke bus eksternal.

Register dalam prosesor dikonstruksi sedemikian rupa sehingga isinya dapat diakses dan diubah secara jauh lebih cepat dari pada isi lokasi dan penyimpanan utama.

Mereka mempunyai banyak kegunaan, misalnya:

a. Instruksi yang akan dipatuhi pertama kali akan diambil dari penyimpanan utama melalui MDR dan ditempatkan dalam register yang disebut Instruction Register (IR). Apabila

telah berada dalam IR, instruksi ini dapat didekode dan dijalankan secara cepat. IR kadang-kadang juga disebut Current Instruction Register (CIR).

b. Data yang akan diproses (misalnya, jumlah yang akan ditambahkan atau dikurangkan) diambil dari memori utama melalui MDR dan ditempatkan dalam register yang disebut Data Register (DR) yang ada dalam ALL). Operasi aritmetik atau logika (misalnya, penambahan) kemudian dijalankan secara cepat. ALU tersebut akan memberikan hasilnya dalam satu register data, dimana dari register data ini hasil tersebut bisa diambil dan disimpan dalam penyimpanan utama. Prosesor yang ditunjukkan pada Gambar 7 mempunyai delapan register data yang berlabel DRO ... DR7.

Perlu dicatat bahwa DR kadang-kadang juga disebut Accumulator.

c. Prosesor yang ditunjukkan pada Gambar 7 mempunyai delapan register alamat yang berlabel ARO ... AR7. Nilai dalam register ini adalah alamat, yang dapat dimuatkan ke dalam MAR.

d. Register STATUS yang terlihat pada Gambar 7 digunakan oleh unit kontrol sebagai alat untuk mendeteksi kondisi yang telah terjadi, misalnya ALU yang mendeteksi kesalahan pembagian aritmetik oleh nol.

Gambar 7. Rincian Prosesor.

UNIT KONTROL

Fungsi. Unit kontrol adalah pusat syaraf komputer. la mengkoordinasikan dan mengontrol semua operasi hardware, yakni operasi unit peripheral, memori utama, dan prosesor itu sendiri.

Caranya beroperasi. la berurusan dengan setiap instruksi secara urut dalam operasi dua-tahap yang disebut fetch-execute cycle (siklus jemput-jalankan), seperti yang dijelaskan berikut ini:

Mulai pada point dimana MAR telah dimuati alamat dari instruksi berikutnya yang akan dijalankan.

a. Unit kontrol menyebabkan instruksi yang dikehendaki dijemput dari penyimpanan utama melalui MDR dan ditempatkan di dalam IR. Ketika penyimpanan utama menerima sinyal yang sesuai dari unit kontrol, ia akan mentransfer instruksi tersebut, yang alamatnya ditetapkan dalam MAR, ke dalam MDR prosesor melalui bus data.

b. Unit kontrol menginterpretasikan instruksi yang ada dalam IR dan menyebabkan instruksi tersebut dijalankan dengan mengirimkan sinyal perintah ke perangkat hardware yang tepat. Sebagai contoh, ia bisa menyebabkan penyimpanan utama mentransfer data ke MDR atau ia mungkin menyebabkan ALU menjalankan beberapa operasi pada data dalam register data. Siklus tersebut kemudian diulang-ulang dengan instruksi berikutnya yang sedang dijemput; yang rinciannya adalah sebagai berikut:

Pengontrolan rangkaian instruksi. Unit kontrol secara otomatis menangani instruksi secara urut seperti urutannya dalam penyimpanan utama. Ia melakukan ini dengan menggunakan register yang disebut Program Counter (PC) atau Sequence Control Register (SCR), yang menyangga alamat lokasi instruksi berikutnya yang akan dijalankan. Sebelum setiap penjemputan instruksi, isi PC dikopikan ke dalam MAR. Setiap kali unit kontrol menjemput satu instruksi, ia segera akan menaikkan (menambah) isi PC tersebut sebesar satu, sehingga ia siap menjadi acuan ketika penjemputan berikutnya terjadi. Oleh karena itu, sepanjang waktu PC tersebut berisi alamat lokasi dari instruksi berikutnya yang akan dijemput.

Kesulitan akan terjadi jika instruksinya terlalu panjang untuk dijemput dari penyimpanan utama dalam satu operasi. Sebagai contoh, setiap lokasi dalam penyimpanan utama mungkin mempunyai panjang 16 bit dan bus data mempunyai luas 16-bit, namun instruksinya mungkin mempunyai panjang 32-bit. Setiap penjemputan (fetch) akan menjadi double fetch (penjemputan ganda), dimana penjemputan pertama mengisi separuh IR dan penjemputan kedua mengisi separuhnya lagi. Dalam setiap penjemputan, MAR perlu dimuati alamat dari separuh instruksi yang akan dijemput dan PC akan dinaikkan sebesar setengah — satu kali setelah setiap penjemputan. Faktor inilah yang membedakan kinerja antara komputer 8-bit, komputer 16-bit, dan komputer 32-bit. Sebagai contoh, komputer 32-bit penuh dapat menjemput instruksi 32-bit dari memori dalam satu operasi, sedangkan komputer 8-bit harus menyelenggarakan empat operasi penjemputan untuk instruksi 32-bit.

Pipelining adalah metode untuk mempercepat siklus eksekusi penjemputan dengan cara tidak hanya menjemput satu instruksi berikutnya, namun menjemput beberapa instruksi berikutnya secara urut dalam penyimpanan utama. Instruksi-instruksi tersebut menempati antrian register yang masuk ke dalam IR.

Pre-fetch (penjemputan awal) ini akan dilaksanakan jika, selama bagian eksekusi dari siklus fetch-execute tersebut, interval singkat yang terjadi antara penjemputan bagian tersebut tidak perlu diakses, misalnya ketika operasi aritmetik sedang berlangsung. Ketika waktu penjemputan biasa akan terjadi, ia sebenarnya telah terjadi/berlangsung! Fase eksekusi dapat dimulai dengan segera.

UNIT ARITMETIK DAN LOGIKA (ALU)

Fungsi. ALU mempunyai dua fungsi utama:

a. la menyelenggarakan operasi aritmetika, misalnya penambahan, pengurangan, perkalian, dan pembagian.

b. la menjalankan perasi "logis" tertentu. misalnya pengujian apakah dua item data cocok.

Caranya beroperasi.

a. Item data yang akan diproses diambil dari penyimpanan utama, seperti diarahkan oleh unit kontrol, dan melewati MDR masuk ke dalam register data (akumulator) dalam ALU, dimana item data tersebut disimpan. Langkah ini disebut sebagai "pemuatan" data ke dalam register data dari penyimpanan utama. Harus dicatat bahvva alamat lokasi dari item data ini akan ditetapkan dalam instruksi di dalam IR, dimana dari IR ini item data tersebut akan ditransfer ke MAR sebelum pemuatan data.

b. ALU tersebut kemudian menjalankan ooperasi yang dikehendaki pada data (misalnya, penambahan) sebagaimana diarahkan oleh unit kontrol. ALU tersebut meninggalkan hasil dalam suatu register data. Sementara ALU menyelenggarakan operasi, ia bisa memanfaatkan register lain miliknya sendiri seperti register "OPERAND" dan "RESULT" seperti terlihat pada Gambar 7. Sebagai contoh, ia bisa membangun (menumpuk) hasil dalam register RESULT sebelum mengirimkan hasil lengkap ke register data yang dirancang untuk menampung hasil tersebut.

c. Hasil-hasil diambil dari register data dan ditempatkan dalam penyimpanan utama; sekali lagi di bawah arahan unit kontrol. Tahap atau langkah ini disebut "menyimpan" data.

Hal-hal yang dikemukakan sebelumnya mengenai pengaruh panjang word terhadap siklus fetch-execute juga berlaku untuk pemrosesan data. Sebagai contoh, jika bilangan yang panjangnya 32-bit harus ditambahkan (dimasukkan) ke dalam mesin 16-bit, maka setiap bilangan akan memerlukan dua operasi pemuatan dari memori dan setiap operasi aritmetik akan dijalankan dalam dua tahap. Ada beberapa desain mesin alternatif yang umum dimana, misalnya, bus internal dan registernya adalah 32-bit, namun bus eksternalnya adalah 16-bit. Dalam situasi seperti ini, operasi 32-bit internal akan dijalankan secara mudah, namun pemuatan dan penyimpanan eksternal nilai 32-bit akan memerlukan operasi ganda.

Pembuatan keputusan. Beberapa operasi logis ALU memberi komputer kemampuan pembuatan keputusan. Mereka melakukan hal ini dengan memberikan kemampuan (memungkinkan) hasil dari suatu operasi menentukan instruksi mana yang berikutnya akan dijemput oleh unit kontrol. Sebagai contoh, jika dua item data dicocokkan, maka IR (SCR) bisa diubah ke nilai baru yang diisikan di dalam instruksi dalam IR tersebut. Jika item data tersebut tidak cocok, ia bisa dibiarkan untuk tidak diubah. Jika pipelining digunakan, maka antrian instruksi pre-fetch sebelumnya perlu dikeluarkan (dibuang) setiap kali terjadi break (jeda) dalam rangkaian instruksi tersebut.

RISC DAN CISC

Selama dua puluh tahun yang lain atau sekitar itu, telah terjadi trend yang kuat yang mengarah pada komputer yang mempunyai set instruksi mesin yang lebih ekstensif dan kompleks, sehingga beberapa mikroprosesor 16-bit yang digunakan sekarang ini mempunyai set instruksi yang lebih kompleks dari pada set instruksi mainframe yang digunakan pada tahun 1960-an.

Dalam beberapa tahun terakhir, ada cara alternatif populer dalam perancangan prosesor, dimana prosesornya hanya mempunyai set instruksi sederhana yang didasarkan pada set instruksi kecil. Nama mesin semacam ini adalah Reduced Instruction Set Computers (RISC). Untuk membedakaannya dengan yang tradisional, maka alternatif tradisional tersebut disebut Complex Instruction Set Computers (CISC).

Dalam beberapa kondisi, komputer RISC bisa mempunyai kinerja yang sangat tinggi bila dibandingkan dengan komputer CISC, namun perbandingannya sulit dibuat, sebab mungkin akan diperlukan banyak instruksi RISC untuk mengerjakan sesuatu yang bisa djkerjakan dengan satu instruksi CISC dalam beberapa situasi, sehingga jumlah instruksi yang dijalankan per detik bukanlah basis yang kuat untuk perbandingan. Juga, program bahasa mesin pada mesin RISC berisi lebih banyak instruksi dari pada program bahasa mesin pada CISC, dan oleh karenanya program pada RISC tersebut lebih banyak memerlukan ruang penyimpanan. Mesin RISC biasa adalah mesin yang ada dalam famili RS6000 IBM dan mesin yang didasarkan pada chip MIPS atau yang menggunakan arsitektur SUN SPARC.

ARSITEKTUR SISTEM KOMPUTER KECIL

Arsitektur dari suatu konfigurasi biasa untuk sistem yang didasarkan pada mikro-komputer ditunjukkan pada Gambar 8. Asalkan terdapat slot yang mencukupi dalam bus tersebut, unit-unit lain bisa dipasangkan.

Gambar 8. Arsitektur biasa yang disederhanakan dari suatu sistem berdasarkan mikrokomputer kecil.

Organisasi memori. Dalam sistem kecil seperti yang terlihat pada Gambar 8, penyimpanan utama bisa diorganisasi seperti yang terlihat pada Gambar 9.

Gambar 9. Organisasi penyimpanan utama dalam mikrokomputer biasa.

Firmware. Program yang disangga dalam ROM disebut firmware. Mereka disimpan secara permanen dalam ROM dan siap digunakan ketika komputer dihidupkan.

Ketika mikrokomputer dihidupkan, ia biasanya akan mulai menjalankan instruksi-instruksi yang disangga dalam ROM. Hal ini biasanya terjadi secara otomatis sebagai bagian dari switching on tersebut. Kadang-kadang, sebagai gantinya kita tekan tombol "boot". Ini dikenal dengan nama "booting up" (memboot) sistem". Instruksi-instruksi dalam ROM kadang-kadang menjalankan sejumlah pengecekan hardware biasa, misalnya mencari (menemukan) RAM apa yang dipasang dan yang sedang bekerja.

Pada kebanyakan komputer, tidak hanya mikrokomputer, operasi boot-up juga menyebabkan "loader program" khusus daiam ROM firmware memuatkan suatu program ke dalam memori dari track pada hard disk yang telah ditetapkan sebelumnya. Pada beberapa mikrokomputer, program tersebut bisa dimuatkan dari floppy disk, sebagai pengganti hard disk. Program pertama yang dimuatkan ke dalam memori ini adalah bagian program dari sistem pengoperasian, yang melakukan kontrol utama atas hardware dan yang berisi fasilitas untuk software tingkat lebih tinggi yang akan menggunakan program tersebut. Software ini mempunyai beberapa nama alternatif yang meliputi kernel, executive dan supervisor. Pada beberapa mikrokomputer, ia kadang-kadang secara agak samar disebut sistem.

Pada beberapa point, program firmware menyelesaikan operasi pemuatannya dan mulai menjalankan kernel (software) sistem operasi (pengoperasian). File lain pada disk kadang-kadang memberikan "informasi konfigurasi" yang menentukan atau menetapkan bagaimana sistem operasi menggunakan sumber-sumber hardware yang tersedia baginya. Sebagai contoh, ia (informasi konfigurasi) bisa menetapkan banyaknya memori yang bisa dicadangkan sistem operasi untuk keperluannya sendiri. Informasi konfigurasi ini seringkali menetapkan program tingkat lebih tinggi yang mana yang pertama kali akan dieksekusi (dijalankan) apabila sistem operasi telah menyelesaikan prosedur start-up-nya.

Biasanya program pertama yang akan dijalankan adalah program shell. Shell adalah program tingkat tinggi yang bertempat di atas kernel sistem operasi dan memberi pemakai cara untuk mengoperasikan komputer. Bentuk umum shell tersebut adalah interpreter bahasa perintah seperti yang digunakan pada MS-DOS atau PC-DOS yang digunakan pemakai untuk mengetikkan perintah. Beberapa shell memberikan GUI sebagai pengganti bahasa perintah, sebagaimana yang terjadi pada Apple macintosh "Finder". Istilah "shell" dan "kernel" mempunyai analogi dengan kacang yang kulitnya (shell) membungkus biji (kernel) bagian dalam. Shell tersebut biasanya dianggap sebagai bagian dari sistem operasi.

Pada mikrokomputer 8-bit yang lebih lama, kernel dan shell keduanya kadang-kadang disimpan dalam ROM dan seringkali dikenal sebagai monitor.

Beberapa mikrokomputer bisa mempunyai lebih banyak firmware dalam ROM, bahkan sampai tingkatan tertentu ia mampu menerima, "menginterpretasikan", dan menjalankan program yang ditulis dalam bahasa pemrograman seperti BASIC. Maka, mikrokomputer ini dikatakan mempunyai "BASIC dalam ROM". Toolkit GUI kadang-kadang disangga dalam ROM juga.

Pada mikrokomputer yang dirancang untuk digunakan hanya oleh satu orang setiap kali dengan keyboard tunggal dan monitor, sistem operasi mengoperasikan sistem single-user, dimana dalam sistem ini tidak tersedia multitasking. Ini adalah kasus yang terjadi dalam MS-DOS, PC-DOS, Apple MACOS sebelum versi 7, dan CP/M (mereka adalah macam-macam jenis Sistem Operasi). Pada sistem ini, pemakai secara efektif bergantian menggunakan shell atau menjalankan program aplikasi tertentu seperti paket aplikasi.

Fasilitas hardware dari sistem berdasarkan mikrokomputer biasa. Apa yang dikemukakan berikut adalah fasilitas mikrokomputer 16-bit biasa; namun agar lebih lengkap, disini diberikan gambaran yang bersesuaian untuk mikrokomputer 8-bit lama yang telah banyak diganti -- diberikan dalam tanda kurung --.

• Mikroprosesor 16-bit tunggal ditambah 1 - 5 megabyte RAM 16-bit. (64 Kbyte RAM 8-bit). Ada pergeseran ke arah mesin 32-bit yang diakibatkan oleh banyaknya prosesor 16-bit lebih baru yang mempunyai bus internal 32-bit.

• Disk drive Winchester non-exchangeable tunggal yang berkapasitas 20 - 80 Mbyte ditambah floppy disk drive 3 1/2," atau 5 1/4". (Floppy disk 5 1/4" rangkap pada sebagian besar mesin, dan disk Winchester kecil pada model-model yang lebih besar. Kaset pita magnetis pada mesin yang sangat kecil).

• Printer berkecepatan rendah, misalnya printer dot matrix atau printer karakter daisywheel, namun dengan penggunaan printer laser desktop dan printer ink-jet. (Printer dot matrix dan beberapa printer karakter daisywheel).

• Selalu menggunakan satu monitor monokrom atau berwarna dengan beberapa kemampuan grafik, yang mungkin berkualitas baik, ditambah keyboard dengan tombol-tombol fungsi, numeric keypad, dan mungkin juga mouse. (Satu monitor monokrom dengan kemampuan grafik yang sangat terbatas ditambah keyboard sederhana).

• Fasilitas opsional untuk mengkoneksikan komputer ke jaringan. (Kemampuan networking-nya sedikit, jika ada).

Catatan. Dalam banyak mesin, beberapa item yang berbeda terbangun (terpasang) dalam kabinet yang sama, misalnya disk drive mungkin berada dalam kabinet yang sama dengan komputer itu sendiri.

ARSITEKTUR SISTEM KOMPUTER MINIKOMPUTER DAN MAINFRAME

Sistem minikomputer yang lebih kecil dapat dibedakan dari sistem berdasarkan mikrokomputer yang lebih besar. namun demikian, minikomputer biasa mempunyai fasilitas yang sangat berbeda dari mikrokomputer dan pada hakekatnya ia merupakan versi terskala kecil dari "saudara kandungnya", komputer mainframe.

Fasilitas hardware dari suatu sistem minikomputer biasa.a. Prosesor 32-bit berukuran menengah dan penyimpanan utama

yang cukup untuk menangani kebutuhan pemrosesan data dari sejumlah terminal atau workstation (misalnya, 10 -100 Megabyte penyimpanan utama).

b. Beberapa (banyak) unit Hard disk, baik yang fixed maupun yang exchangeable, dan penyimpanan pita magnetis (cartridge atau reel-to-reel) dalam beberapa kasus. Perangkat ini biasanya mempunyai kapasitas yang lebih besar dan kecepatan akses yang lebih tinggi dari pada perangkat yang digunakan pada mikrokomputer.

c. Line printer, misalnya versi 300 Ipm atau printer laser desktop. d. Beberapa terminal, misalnya 20 VDU atau workstation.e. Cara standart yang bisa digunakan untuk mengkoneksikan

beberapa mesin melalui suatu jaringan.

Kita juga sulit menggambarkan garis demarkasi (pemisah/ pembeda) antara mini komputer yang lebih besar dan komputer mainframe kecil. Hardware dalam mainframe bisa sama dengan hardware dalam minikomputer, namun biasanya ia lebih dari sekedar itu, misalnya:

a. Prosesor yang sangat besar dengan jumlah penyimpanan utama yang sangat besar, misalnya ratusan Megabyte.

b. Jumlah unit disk dan pita magnetis yang besar dengan kapasitas yang sangat besar. Sebagai contoh, disk-disk tersebut mempunyai kapasitas yang ukurannya ratusan megabyte atau bahkan gigabyte.

c. Line printer berkecepatan tinggi, misalnya 1.200 Ipm.d. Kemampuan untuk mendukung sejumlah besar terminal, misalnya

100 VDU atau lebih.

Front End Processor (FEP).

Banyak komputer mainframe menggabungkan (dipasangi) minikomputer, yang digunakan untuk menangani input dan output dari berbagai terminal; sehingga dengan demikian akan mengurangi beban komputer utama dalam menjalankan tugas-tugas yang berkaitan dengan input dan output.

Minikomputer yang sedang digunakan untuk tujuan ini disebut Front End Proces sor (FEP).

Front end processor mungkin tidak hanya berurusan dengan terminal yang dekat dengan komputer utama, namun ia juga berurusan dengan terminal remote (jarak jauh) yang ditempatkan pada ujung jalur transmisi data.

FASILITAS ARSITEKTURAL LAIN

Cache memories (memori cache). la adalah RAM berkecepatan tinggi, yang bekerja pada

kecepatan yang cocok dengan prosesor. Ia digunakan untuk menyangga data yang baru saja diakses dari disk. Penggunaan ini sebagai antisipasi penggunaannya di masa mendatang. Akses-akses yang berurutan, jika mereka terjadi, akan cepat sebab disk tersebut tidak perlu mengakses lagi. Data yang terakses paling sedikit dalam memori cache akan diganti (diduduki) oleh data yang baru saja diakses. Alternatif lain, memori cache berkecepatan sangat tinggi bisa digunakan secara sementara untuk menyimpan data yang terbaca dari memori utama.

Content Addressable Storage (CAS). Penyimpanan (storage) ini bekerja dengan cara yang

berbeda dari penyimpanan biasa. Prinsipnya akan dijelaskan dengan menggunakan contoh sederhana berikut ini. Kita misalkan bahwa setiap word dalam memori dapat menyangga 4 karakter dan bahwa lokasi 200 berisi "FRED". Dalam penyimpanan biasa, alamat 200 akan digunakan untuk memuatkan "FRED".

Dalam memori yang bisa dialamati isi, "FRED" akan dilewatkan sepanjang bus data dan memori tersebut akan balik melewati 200, yang menunjukkan lokasi "FRED". Dengan demikian paragraf dari teks yang tersimpan bisa dipanggil dengan memasok sebuah word yang diisikan dalam paragraf tersebut.

CAS sangat berguna untuk pemilihan atau pemanggilan data yang cepat, namun untuk saat ini ia masih mahal. Varian dari (versi lain dari) CAS adalah Content Addressable File storage (CAF), dimana dalam CAP ini logika CAS menjadi bagian dari circuitry unit disk dan set-up penyimpanan. Sebagai contoh, prosesor tersebut bisa meminta kepada memori utama semua baris file teks pada disk yang berisi kata "FRED". Unit disk ini akan menemukan baris-baris yang tepat dan mentransfer mereka ke dalam memori. Prosesor tersebut dihemat dalam pekerjaannya mencari data itu. CAF semakin banyak digunakan. Namun yang paling banyak digunakan ini adalah ICL.

SISTEM MULTIPROSESOR

Disini akan membahas komputer tunggal dengan (yang mempunyai) banyak prosesor, yang ini berlawanan dengan situasi dimana beberapa komputer dikombinasikan menjadi sistem tunggal dengan menggunakan jaringan dan sistem transmisi data modern.

Secara tradisional, sistem multiprosesor merupakan komputer yang sangat besar dengan dua atau beberapa prosesor utama dan penyimpanan utama yang besar yang seluruhnya atau sebagian digunakan bersama-sama. Pengaturan ini tidak hanya berfungsi (berguna) untuk menangani muatan pemrosesan yang besar, namun juga memberikan back-up apabila terjadi kerusakan (yakni, jika satu prosesor gagal, sistem tersebut bisa terus beroperasi). Sistem seperti ini disebut sistem multiprosesing (lihat Gambar 10).

Gambar 10. Sistem multiprocessing dengan memori dan penyimpanan disk duplikat.

Dalam pengertian luas, segala komputer yang berisi lebih dari satu prosesor bisa disebut komputer multiprosesor. Namun demikian, pengertian atau istilah ini biasanya dimaksudkan untuk menyebut prosesor yang menggunakan bersama memori utama yang sama. Jika prosesor itu masing-masing mempunyai penyimpanan utama sendiri namun menggunakan bersama (share) disk dan peripheral lain, maka sistem itu kadang-kadang disebut clustered system.

Prosesor ekstra bisa digunakan sebagai:a. prosesor utama tambahan yang membagi (menangani bersama) muatan pem rosesan biasa, ataub. prosesor penggunaan khusus yang melayani beberapa fungsi tertentu. Sebagai contoh, maths co-processor bisa digunakan bersama dengan satu prosesor utama untuk menjalankan beberapa komputasi kompleks standart.

Apabila terdapat sejumlah prosesor utama, seperti terlihat pada Gambar 10, maka ada dua metode dasar penggunaan prosesor-prosesor tersebut.

a. Asymmetric multiprocessing (AMP). Dalam mesin multiprosesing asimetris, satu mesin menjadi

prosesor induk (master) dan yang lainnya menjadi bawahannya (subordinate). Prosesor induk mempunyai kepentingan (hak istimewa) khusus atas sistem pengoperasian.

Ini memungkinkannya bekerja dalam mode kernel, yang pada dasarnya berarti bahwa ia mampu menyelenggarakan operasi sistem pengoperasian yang terkontrol secara khusus pada hardware, dimana program aplikasi biasa tidak diijinkan melakukannya. Prosesor subordinat terbatas hanya melakukan pemrosesan program-program aplikasi dan ia mungkin harus menunggu prosesor master jika program-program ini memerlukan sistem pengoperasian untuk melakukan beberapa operasi guna kepentingan prosesor subordinat ini. Hal ini secara potensial dapat menyebabkan kemacetan pemrosesan pada prosesor master.

b. Symmetric multiprocessing (SMP). Dalam mesin multiprosesing simetris, semua prosesor mempunyai statu sama, dimana masing-masing mampu menyelenggarakan operasi model kernel. Ini akan menghapus terjadinya kemacetan pemrosesan, yang terjadi dengan multiprosesing asimetris. Kelebihan utama ini berarti bahwa multiprosesing simetris menjadi pilihan yang jauh lebih populer, meskipun secara teknis ia lebih sulit dicapai. Contoh-contoh mesin yang menjalankan multiprosesing simetris adalah komputer-komputer seri VAX 6000 Digital yang berjalan di bawah sistem pengoperasian VMS versi 5 dan semua komputer yang dibuat oleh SEQUENT.

Perlu dicatat bahwa kedua jenis multiprosesing tersebut sangat rumit dan saat ini hanya bisa diperoleh dari beberapa pabrikan.

Cache lokal. Beberapa peningkatan kinerja bisa dicapai dalam mesin

multiprosesor dengan menggunakan cache terpisah dengan perkiraan yang dekat dengan setiap prosesor. Jadi, setiap prosesor mempunyai "cache lokal" sendiri. Data dapat dibaca dari penyimpanan utama ke dalam cache tersebut dan kemudian diproses secara lebih cepat selagi ia berada dalam cache, karena ia mempunyai kecepatan akses yang lebih tinggi. Segala perubahan dalam data harus dituliskan kembali ke memori utama sebelum prosesor lain membacanya. Akses ke memori utama dari berbagai prosesor dapat menyebabkan kemacetan lain. Metode canggih pengelolaan cache, seperti yang digunakan dalam komputer SEQUENT, dapat membantu mengurangi masalah ini.

Ukuran lebih lanjut yang diterapkan pada sistem seperti itu adalah dengan menggunakan disk shadowing, dimana disk ini digunakan secara berpasangan dengan disk kedua yang menyimpan data persis seperti disk pertama. Jika salah satu disk tersebut gagal karena alasan tertentu, disk yang satunya bisa terus beroperasi, sehingga tidak ada data yang hilang dan jalannya sistem tidak terinterupsi.

Kemampuan untuk meneruskan operasi meskipun terjadi kegagalan ini disebut resilience.

Gambar 11 menunjukkan sistem multiprosesor dengan cache lokal dan disk shadowed.

Gambar 11. Cache lokal dan disk shadowed sistem multiprosesing.

Meskipun fasilitas yang baru saja dideskripsikan tersebut begitu rumit pada umumnya, namun komponen yang digunakan begitu biasa atau sederhana. Sebagai contoh, satu mesin multiprosesing simetris menggunakan mikroprosesor 486 Intel standart.

ARSITEKTUR ALTERNATIF

Semua contoh yang telah dikemukakan sejauh ini dianggap mempunyai satu atau beberapa prosesor, yang semuanya bersesuaian dengan desain dasar yang sama. Namun demikian, pada tahun-tahun terakhir ini terjadi pergeseran ke arah pembuatan komputer dengan desain yang sangat baru.

Banyak dari komputer ini telah dirancang dengan tujuan untuk mencapai kecepatan komputasional yang lebih besar. Dua pendekatan atau cara yang telah mencapai keberhasilan adalah: a. Pipeline machine, b. Array processor.

Dalam arsitektur pipeline machine (mesin pipeline), setiap tahap dalam siklus fetch-execute ditangani oleh unit hardware mesin terpisah (lain). Konsep ini sama dengan metode pipelining yang dideskripsikan sebelumnya; perbedaannya adalah bahwa dalam konsep ini hardware diorganisasi secara sangat berbeda agar ia bisa memanfaafkan secara maksimum metode tersebut. Unit pertama menjemput instruksi dari memori. Pada setiap kali, mungkin ada empat atau lima instruksi dalam prosesor, yang masing-masing berbeda tahap eksekusinya dalam unit yang berbeda.

Dalam array processor (prosesor larik) terdapat satu unit kontrol namun banyak ALU, yang mampu bekerja satu sama lain secara paralel. Mereka terutama cocok untuk aplikasi yang set nilainya memerlukan agar pada setiap nilai dijalankan operasi yang sama, misalnya mengkonversi setiap nilai dalam tabel ke (menjadi) persentase total.

Mesin paralel. Alternatif yang lebih umum dari prosesor array adalah

mesin paralel, yaitu mesin multiprosesor yang mampu menyelenggarakan berbagai operasi secara paralel dalam satu program. Ini berlawanan dengan beberapa mesin multiprosesor biasa, dimana dalam mesin biasa ini beberapa program bisa berjalan sekaligus, namun setiap kali program tunggal tidak mampu menggunakan lebih dari satu prosesor.

Dalam kasus pemrosesan paralel sederhana, suatu komputer bisa mengambil se-set bilangan secara unit dan setiap bilangan yang menjalankan operasi yang berbeda pada komputer itu pada waktu yang bersamaan menggunakan prosesor yang terpisah (yang lain). Pengaturan yang sama dapat digunakan dalam situasi dimana disitu terdapat banyak perangkat input yang masing-masing memberikan pembacaan instrumen yang perlu diproses secara paralel.