PENDAHULUAN
Dalam bidang teknik komputer, arsitektur komputer adalah konsep
perencanaan dan struktur pengoperasian dasar dari suatu sistem komputer.
Arsitektur komputer ini merupakan rencana cetak-biru dan deskripsi fungsional
dari kebutuhan bagian perangkat keras yang didesain (kecepatan proses dan
sistem interkoneksinya). Dalam hal ini, implementasi perencanaan dari
masing–masing bagian akan lebih difokuskan terutama, mengenai bagaimana CPU akan bekerja, dan mengenai cara pengaksesan
data dan alamat dari dan ke memori cache, RAM, ROM, cakram keras, dll).
Beberapa contoh dari arsitektur komputer ini adalah arsitektur
von Neumann, CISC, RISC, blue Gene, dll.
Arsitektur
komputer juga dapat didefinisikan
dan dikategorikan sebagai ilmu dan sekaligus seni mengenai cara interkoneksi
komponen-komponen perangkat keras untuk dapat menciptakan sebuah komputer yang
memenuhi kebutuhan fungsional, kinerja, dan target biayanya.
- Set instruksi (ISA)
- Arsitektur mikro dari ISA, dan
- Sistem desain dari seluruh komponen dalam perangkat keras komputer ini.
 | |||
| Gambar 1 Abstraksi Dari Sebuah Arsitektur Komputer |
Abstraksi dari sebuah arsitektur komputer dan
hubungannya dengan bagian perangkat keras, firmware, assembler, kernel, sistem operasi, dan perangkat lunak aplikasinya.
Perkembangan Arsitektur Komputer
Arsitektur komputer ini dapat
didefinisikan dan dikategorikan sebagai ilmu dan sekaligus seni mengenai cara
interkoneksi komponen-komponen perangkat keras untuk dapat menciptakan sebuah
komputer yang memenuhi kebutuhan fungsional, kinerja, dan target biayanya.
Dalam bidang teknik komputer, arsitektur komputer adalah konsep perencanaan dan
struktur pengoperasian dasar dari suatu sistem komputer. Arsitektur komputer
ini merupakan rencana cetak-biru dan deskripsi fungsional dari kebutuhan bagian
perangkat keras yang didesain (kecepatan proses dan sistem interkoneksinya).
Dalam hal ini, implementasi perencanaan dari masing–masing bagian akan lebih
difokuskan terutama, mengenai bagaimana CPU akan bekerja, dan mengenai cara
pengaksesan data dan alamat dari dan ke memori cache, RAM, ROM, cakram keras,
dll).
Di antara demikian banyak pemahaman
tentang arsitektur, arsitektur dikenal juga sebagai suatu tradisi yang
berkembang. Dari waktu ke waktu wajah arsitektur selalu mengalami perubahan.
Hal-hal yang mempengaruhi perkembangan dan pengembangan arsitektur tidak hanya
berupa keadaan eksternal, tetapi juga keadaan internal. Disini kita membahas
mengenai evolusi arsitektur pada komputer. Arsitektur dari komputer sendiri
merupakan suatu susunan atau rancangan dari komputer tersebut sehingga
membentuk suatu kesatuan yang dinamakan komputer. Komputer sendiri berevolusi
dengan cepat mulai dari generasi pertama hingga sekarang. Evolusi sendiri
didasarkan pada fungsi atau kegunaanya dalam kehidupan. Evolusi pada komputer
sendiri ada karena keinginan atau hal yang dibutuhkan manusia itu sendiri.
Sekarang ini komputer sudah dapat melakaukan perintah yang sulit sekalipun
tidak seperti dulu yang hanya bisa melakukan yang sederhana saja. Itulah yang
dinamakan evolusi arsitektur yaitu perubahan bentuk juga fungsi dan
kemampuannya.
KLASIFIKASI ARSITEKTUR
KOMPUTER
1. Arsitektur
Von Neumann
Arsitektur von Neumann (atau
Mesin Von Neumann) adalah arsitektur yang diciptakan oleh John von Neumann
(1903-1957). Arsitektur ini digunakan oleh hampir semua komputer saat ini.
Arsitektur Von Neumann menggambarkan komputer dengan empat bagian utama: Unit
Aritmatika dan Logis (ALU), unit kontrol, memori, dan alat masukan dan hasil
(secara kolektif dinamakan I/O). Bagian ini dihubungkan oleh berkas kawat,
“bus”.
 |
Gambar
2 Sistem Komputer
|
Pada perkembangan komputer modern, setiap
prosesor terdiri dari atas :
Ø
Arithmetic
and Logic Unit (ALU)
Arithmatic and Logic Unit
atau Unit Aritmetika dan Logika berfungsi untuk melakukan semua perhitungan
aritmatika (matematika) dan logika yang terjadi akan sesuai dengan instruksi-instruksi
pada program tersebut. ALU menjalankan operasi penambahan, pengurangan,
dan operasi-operasi sederhana lainnya pada input-inputnya dan memberikan
hasilnya pada register output.
Ø
Register
Register merupakan alat
penyimpanan kecil yang mempunyai kecepatan akses cukup tinggi, yang
digunakan untuk menyimpan data dan instruksi yang sedang diproses,
sementara data dan instruksi lainnya yang menunggugiliran untukdiproses
masihdisimpan yang menunggugiliran untukdiproses masihdisimpan di dalam memori
utama. Setiap register dapat menyimpan satu bilangan hingga mencapai jumlah
maksimum tertentu tergantung pada ukurannya.
Ø
Control
Unit
Control Unit atau Unit
Kontrol berfungsi untuk mengatur dan mengendalikan semua peralatan yang ada
pada sistem komputer. Unit kendali akan mengatur kapan alat input
menerima data dan kapan data diolah serta kapan ditampilkan pada alat
output. Unit ini juga mengartikan instruksi-instruksi dari program. Unit ini
juga mengartikan instruksi-instruksi dari program komputer, membawa data dari
alat input ke memori utama dan mengambil data dari memori utama untuk diolah.
Bila ada instruksi untuk perhitungan aritmatika atau perbandingan logika,
maka unit kendali akan mengirim instruksi tersebut ke ALU. Hasil dari
pengolahan data dibawa oleh unit kendali ke memori utama lagi untuk disimpan,
dan pada saatnya akan disajikan ke alat output.
Ø
Bus
Bus adalah sekelompok
lintasan sinyal yang digunakan untuk menggerakkan bit-bit informasi dari satu
tempat ke tempat lain, dikelompokkan menurut fungsinya Standar bus dari suatu
sistem komputer adalah bus alamat (address bus), bus data (data bus) dan bus
kontrol (control bus). Komputer menggunakan suatu bus atau saluran bus
sebagaimana kendaraan bus yang mengangkut penumpang dari satu tempat ke tempat
lain, maka bus komputer mengangkut data. Bus komputer menghubungkan CPU pada
RAM dan periferal. Semua komputer menggunakan saluran busnya untuk maksud yang
sama.
2.
Arsitektur RISC
RICS singkatan dari Reduced Instruction
Set Computer. Merupakan bagian dari arsitektur mikroprosessor, berbentuk kecil
dan berfungsi untuk negeset istruksi dalam komunikasi diantara arsitektur yang
lainnya. Reduced Instruction Set Computing (RISC) atau “Komputasi set instruksi
yang disederhanakan” pertama kali digagas oleh John Cocke, peneliti dari IBM di
Yorktown, New York pada tahun 1974 saat ia membuktikan bahwa sekitar 20%
instruksi pada sebuah prosesor ternyata menangani sekitar 80% dari keseluruhan
kerjanya. Komputer pertama yang menggunakan konsep RISC ini adalah IBM PC/XT
pada era 1980-an. Istilah RISC sendiri pertama kali dipopulerkan oleh David
Patterson,pengajar pada University of California di Berkely.
 |
Gambar
3 RISC |
RISC, yang jika diterjemahkan berarti
“Komputasi Kumpulan Instruksi yang Disederhanakan”, merupakan sebuah arsitektur
komputer atau arsitektur komputasi modern dengan instruksi-instruksi dan jenis
eksekusi yang paling sederhana. Arsitektur ini digunakan pada komputer dengan
kinerja tinggi, seperti komputer vektor.
Selain digunakan dalam komputer vektor,
desain ini juga diimplementasikan pada prosesor komputer lain, seperti pada
beberapa mikroprosesor Intel 960, Itanium (IA64) dari Intel Corporation, Alpha
AXP dari DEC, R4x00 dari MIPS Corporation, PowerPC dan Arsitektur POWER dari
International Business Machine. Selain itu, RISC juga umum dipakai pada
Advanced RISC Machine (ARM) dan StrongARM (termasuk di antaranya adalah Intel
XScale), SPARC dan UltraSPARC dari Sun Microsystems, serta PA-RISC dari
Hewlett-Packard.
Ø
Karakteristik RISC
·
Siklus mesin ditentukan oleh waktu
yang digunakan untuk mengambil dua buah operand dari register, melakukan
operasi ALU, dan menyimpan hasil operasinya kedalam register, dengan demikian
instruksi mesin RISC tidak boleh lebih kompleks dan harus dapat mengeksekusi
secepat mikroinstruksi pada mesin-mesin CISC
·
Operasi berbentuk dari register-ke
register yang hanya terdiri dari operasi load dan store yang mengakses memori .
Fitur rancangan ini menyederhanakan set instruksi sehingga menyederhanakan pula
unit control
·
Penggunaan mode pengalamatan
sederhana, hampir sama dengan instruksi menggunakan pengalamatan register.
·
Penggunaan format-format instruksi
sederhana, panjang instruksinya tetap dan disesuaikan dengan panjang word.
Ø
Karakteristik-Karakteristik Eksekusi
Instruksi
Salah satu evolusi komputer
yang besar adalah evolusi bahasa pemprograman. Bahasa pemprograman memungkinkan
programmer dapat mengekspresikan algoritma lebih singkat, lebih memperhatikan
rincian, dan mendukung penggunaan pemprograman terstruktur, tetapi ternyata
muncul masalah lain yaitu semantic gap, yaitu perbedaan antara operasi-operasi
yang disediakan oleh HLL dengan yang disediakan oleh arsitektur komputer, ini
ditandai dengan ketidakefisienan eksekusi, program mesin yang berukuran
besar,dan kompleksitas kompiler.
Untuk mengurangi kesenjangan ini para
perancang menjawabnya dengan arsitektur. Fitur-fiturnya meliputi set-set
instruksi yang banyak, lusinan mode pengalamatan, dan statemen –statemen HLL
yang diimplementasikan pada perangkat keras.
Ø
Operasi
Beberapa penelitian telah
menganalisis tingkah laku program HLL (High Level Language). Assignment
Statement sangat menonjol yang menyatakan bahwa perpindahan sederhana merupakan
satu hal yang penting. Hasil penelitian ini merupakan hal yang penting bagi
perancang set instruksi mesin yang mengindikasikan jenis instruksi mana yang
sering terjadi karena harus didukung optimal.
Ø
Operand
Penelitian Paterson telah
memperhatikan [PATT82a] frekuensi dinamik terjadinya kelaskelas variabel. Hasil
yang konsisten diantara program pascal dan C menunjukkan mayoritas referensi
menunjuk ke variable scalar. Penelitian ini telah menguji tingkah laku dinamik
program HLL yang tidak tergantung pada arsitektur tertentu. Penelitian [LUND77]
menguji instruksi DEC-10 dan secara dinamik menemukan setiap instruksi
rata-rata mereferensi 0,5 operand dalam memori dan rata-rata mereferensi 1,4
register. Tentu saja angka ini tergantung pada arsitektur dan kompiler namun
sudah cukup menjelaskan bahwa frekuensi pengaksesan operand sehingga menyatakan
pentingnya sebuah arsitektur.
Ø
Procedure Calls
Dalam HLL procedure call dan
return merupakan aspek penting karena merupakan operasi yang membutuhkan banyak
waktu dalam program yang dikompalasi sehingga banyak berguna untuk
memperhatikan cara implementasi opperasi ini secara efisien. Adapun aspeknya
yang penting adalah jumlah parameter dan variabel yang berkaitan dengan
prosedur dan kedalaman pensarangan (nesting).
3.
Arsitektur CISC
Complex
instruction-set computing atau Complex Instruction-Set Computer (CISC)
“Kumpulan instruksi komputasi kompleks”) adalah sebuah arsitektur dari set
instruksi dimana setiap instruksi akan menjalankan beberapa operasi tingkat
rendah, seperti pengambilan dari memory, operasi aritmetika, dan penyimpanan ke
dalam memory, semuanya sekaligus hanya di dalam sebuah instruksi. Karakteristik
CISC dapat dikatakan bertolak-belakang dengan RISC.
Sebelum proses RISC didesain untuk
pertama kalinya, banyak arsitek komputer mencoba menjembatani celah semantik”,
yaitu bagaimana cara untuk membuat set-set instruksi untuk mempermudah
pemrograman level tinggi dengan menyediakan instruksi “level tinggi” seperti
pemanggilan procedure, proses pengulangan dan mode-mode pengalamatan kompleks
sehingga struktur data dan akses array dapat dikombinasikan dengan sebuah
instruksi. Karakteristik CISC yg “sarat informasi” ini memberikan keuntungan di
mana ukuran program-program yang dihasilkan akan menjadi relatif lebih kecil,
dan penggunaan memory akan semakin berkurang. Karena CISC inilah biaya
pembuatan komputer pada saat itu (tahun 1960) menjadi jauh lebih hemat.
Memang setelah itu banyak desain yang
memberikan hasil yang lebih baik dengan biaya yang lebih rendah, dan juga
mengakibatkan pemrograman level tinggi menjadi lebih sederhana, tetapi pada
kenyataannya tidaklah selalu demikian. Contohnya, arsitektur kompleks yang
didesain dengan kurang baik (yang menggunakan kode-kode mikro untuk mengakses
fungsi-fungsi hardware), akan berada pada situasi di mana akan lebih mudah
untuk meningkatkan performansi dengan tidak menggunakan instruksi yang kompleks
(seperti instruksi pemanggilan procedure), tetapi dengan menggunakan urutan
instruksi yang sederhana.
Istilah RISC dan CISC saat ini kurang
dikenal, setelah melihat perkembangan lebih lanjut dari desain dan implementasi
baik CISC dan CISC. Implementasi CISC paralel untuk pertama kalinya, seperti
486 dari Intel, AMD, Cyrix, dan IBM telah mendukung setiap instruksi yang
digunakan oleh prosesor-prosesor sebelumnya, meskipun efisiensi tertingginya
hanya saat digunakan pada subset x86 yang sederhana (mirip dengan set instruksi
RISC, tetapi tanpa batasan penyimpanan/pengambilan data dari RISC).
Prosesor-prosesor modern x86 juga telah menyandikan dan membagi lebih banyak
lagi instruksi-instruksi kompleks menjadi beberapa “operasi-mikro” internal
yang lebih kecil sehingga dapat instruksi-instruksi tersebut dapat dilakukan
secara paralel, sehingga mencapai performansi tinggi pada subset instruksi yang
lebih besar.
Ø
Karakteristik CISC
·
Sarat informasi memberikan
keuntungan di mana ukuran program-program yang dihasilkan akan menjadi relatif
lebih kecil, dan penggunaan memory akan semakin berkurang. Karena CISC inilah
biaya pembuatan komputer pada saat itu (tahun 1960) menjadi jauh lebih hemat
·
Dimaksudkan untuk meminimumkan
jumlah perintah yang diperlukan untuk mengerjakan pekerjaan yang diberikan.
(Jumlah perintah sedikit tetapi rumit) Konsep CISC menjadikan mesin mudah untuk
diprogram dalam bahasa rakitan.
4.
Arsitektur Harvard
Arsitektur Havard menggunakan memori
terpisah untuk program dan data dengan alamat dan bus data yang berdiri
sendiri. Karena dua perbedaan aliran data dan alamat, maka tidak
diperlukan multiplexing alamat dan bus data. Arsitektur ini tidak hanya
didukung dengan bus paralel untuk alamat dan data, tetapi juga
menyediakanorganisasiinternal yang berbeda sedemikian rupa instruksi
dapat diambil dan dikodekan ketika dan data, tetapi juga menyediakan organisasi
internal yang berbeda sedemikian rupa instruksi dapaLebih lanjut lagi,
bus data bisa saja memiliki ukuran yang berbeda dari bus alamat. Hal ini
memungkinkan pengoptimalan bus data dan bus alamat dalam pengeksekusian
instruksi yang cepat.t diambil dan dikodekan ketika berbagai data sedang
diambil dan dioperasikan. Sebagai contoh, mikrokontroler Intel keluarga MCS-51
menggunakan arsitektur Havard karena ada perbedaan kapasitas memori untuk
program dan data, dan bus terpisah (internal) untuk alamat dan data.
Begitu juga dengan keluarga PIC dari Microchip yang menggunakan
arsitektur Havard.
5.
Arsitektur Blue Gene
Blue Gene adalah sebuah arsitektur
komputer yang dirancang untuk menciptakan beberapa superkomputer generasi
berikut, yang dirancang untuk mencapai kecepatan operasi petaflop (1 peta = 10
pangkat 15), dan pada 2005 telah mencapai kecepatan lebih dari 100 teraflop (1
tera = 10 pangkat 12). Blue Gene merupakan proyek antara Departemen Energi
Amerika Serikat (yang membiayai projek ini), industri (terutama IBM), dan
kalangan akademi. Ada lima projek Blue Gene dalam pengembangan saat ini, di
antaranya adalah Blue Gene/L, Blue Gene/C, dan Blue Gene/P.
Komputer pertama dalam seri Blue Gene.
Blue Gene/L dikembangkan melalui sebuah “partnership” dengan Lawrence Livermore
National Laboratory menghabiskan biaya AS$100 juta dan direncanakan dapat
mencapai kecepatan ratusan TFLOPS, dengan kecepatan puncak teoritis 360 TFLOPS.
Ini hampir sepuluh kali lebih cepat dari Earth Simulator, superkomputer
tercepat di dunia sebelum Blue Gene. Pada Juni 2004, dua prototipe Blue Gene/L
masuk dalam peringkat 500 besar superkomputer berada dalam posisi ke-4 dan
ke-8.
Pada 29 September 2004 IBM mengumumkan
bahwa sebuah prototipe Blue Gene/L di IBM Rochester (Minnesota) telah menyusul
Earth Simulator NEC sebagai komputer tercepat di dunia, dengan kecepatan 36,01
TFLOPS, mengalahkan Earth Simulator yang memiliki kecepatan 35,86 TFLOPS. Mesin
ini kemudian mencapai kecepatan 70,72.
Pada 24 Maret 2005, Departemen Energi AS
mengumumkan bahwa Blue Gene/L memecahkan rekor komputer tercepat mencapai 135,5
TFLOPS. Hal ini dimungkinkan karena menambah jumlah rak menjadi 32 dengan
setiap rak berisi 1.024 node komputasi. Ini masih merupakan setengah dari
konfigurasi final yang direncanakan mencapai 65.536 node.
Pada 27 Oktober, 2005, Lawrence Livermore
National Laboratory dan IBM mengumumkan bahwa Blue Gene/L sekali lagi telah
menciptakan rekor dengan mengalahkan rekornya sendiri setelah mencapai
kecepatan 280.6 TFLOPS.
MODEL-MODEL KOMPUTASI ARSITEKTUR KOMPUTER
1. SISD
Yang
merupakan singkatan dari Single Instruction, Single Data adalah satu-satunya
yang menggunakan arsitektur Von Neumann. Ini dikarenakan pada model ini hanya
digunakan 1 processor saja. Oleh karena itu model ini bisa dikatakan sebagai
model untuk komputasi tunggal. Sedangkan ketiga model lainnya merupakan
komputasi paralel yang menggunakan beberapa processor. Beberapa contoh komputer
yang menggunakan model SISD adalah UNIVAC1, IBM 360, CDC 7600, Cray 1 dan PDP1.
2. IMD
Yang
merupakan singkatan dari Single Instruction, Multiple Data. SIMD juga menggunakan
banyak processor dengan instruksi yang sama, namun setiap processor mengolah
data yang berbeda. Sebagai contoh kita ingin mencari angka 27 pada deretan
angka yang terdiri dari 100 angka, dan kita menggunakan 5 processor. Pada
setiap processor kita menggunakan algoritma atau perintah yang sama, namun data
yang diproses berbeda. Misalnya processor 1 mengolah data dari deretan / urutan
pertama hingga urutan ke 20, processor 2 mengolah data dari urutan 21 sampai
urutan 40, begitu pun untuk processor-processor yang lain. Beberapa contoh
komputer yang menggunakan model SIMD adalah ILLIAC IV, MasPar, Cray X-MP, Cray
Y-MP, Thingking Machine CM-2 dan Cell Processor (GPU
3. MISD
Yang
merupakan singkatan dari Multiple Instruction, Single Data. MISD juga menggunakan
banyak processor dengan setiap processor menggunakan instruksi yang berbeda
namun mengolah data yang sama. Hal ini merupakan kebalikan dari model SIMD.
Untuk contoh, kita bisa menggunakan kasus yang sama pada contoh model SIMD
namun cara penyelesaian yang berbeda. Pada MISD jika pada komputer pertama,
kedua, ketiga, keempat dan kelima sama-sama mengolah data dari urutan 1-100,
namun algoritma yang digunakan untuk teknik pencariannya berbeda disetiap
processor. Sampai saat ini belum ada lagi komputer-komputer yang menggunakan
model MISD.
4. MIMD
Yang
merupakan singkatan dari Multiple Instruction, Multiple Data. MIMD juga menggunakan
banyak processor dengan setiap processor memiliki instruksi yang berbeda dan
mengolah data yang berbeda. Namun banyak komputer yang menggunakan model MIMD
juga memasukkan komponen untuk model SIMD. Beberapa komputer yang menggunakan
model MIMD adalah IBM POWER5, HP/Compaq AlphaServer, Intel IA32, AMD Opteron,
Cray XT3 dan IBM BG/L.
Referensi :
https://id.wikipedia.org/wiki/Arsitektur_komputer
https://sumberbelajarangga.wordpress.com/2012/12/10/arsitektur-komputer/
http://next-timexxxx.blogspot.com/2011/10/organisasi-dan-arsitektur-komputer.html
