MAKALAH

ARSITEKTUR CPU

DI SUSUN

OLEH:

Nama Anggota : Ismuhar Dwi Putra

Kelas : G2

NIM : 090412053

Jurusan/Prodi : T.Elektro/T. Informatika

POLITEKNIK NEGERI LHOKSUEMAWE

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

PRODI TEKNIK INFORMATIKA

2010

KATA PENGANTAR

Puji syukur mari sama-sama kita panjatkan kehadirat Allah swt yang telah memberi

kita kesempatan dan kesehatan kepada kita semua sehingga penulis dapat menyelesaikan

sebuah makalah “Arsitektur CPU”.

Selanjutnya salawat dan salam kita limpahkan kepada junjungan kita Nabi

Muhammad saw yang telah membawa kita dari alam kebodohan ke alam yang penuh dengan

ilmu pengetahuan dan rahmat seperti yang dapat kita rasakan sekarang ini.

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa makalah ini masih jauh dari kesempurnaan,

baik dari segi tata bahasa maupun dari segi-segi lainnya, oleh sebab itu penulis

mengharapkan saran dan kritikannya yang bersifat positif dan membangun dari semua pihak.

Akhirnya semoga Allah swt memberikan yang layak atas seluruh jasa dan kebijakan

yang penulis terima. Semoga hasil karya ini bermanfaat bagi penulis sendiri maupun bagi

pihak yang lain.

Wassalam

PEMBAHASAN

A. STRUKTUR DASAR CPU

1. Komponen Utama CPU

CPU merupakan komponen terpenting dari sistem komputer. CPU adalah komponen

pengolah data berdasarkan instruksi – instruksi yang diberikan kepadanya.

Dalam mewujudkan fungsi dan tugasnya, CPU tersusun atas beberapa komponen

sebagai bagian dari struktur CPU, seperti terlihat pada gambar 1.1 dan struktur detail

internal CPU terlihat pada gambar 1.2. CPU tersusun atas beberapa komponen, yaitu :

Arithmetic and Logic Unit (ALU), bertugas membentuk fungsi – fungsi pengolahan

data komputer. ALU sering disebut mesin bahasa (machine language) karena bagian

ini mengerjakan instruksi – instruksi bahasa mesin yang diberikan padanya. Seperti

istilahnya, ALU terdiri dari dua bagian, yaitu unit arithmetika dan unit logika boolean,

yang masing – masing memiliki spesifikasi tugas tersendiri.

Control Unit, bertugas mengontrol operasi CPU dan secara keselurahan mengontrol

computer sehingga terjadi sinkronisasi kerja antar komponen dalam menjalankan

fungsi – fungsi operasinya. Termasuk dalam tanggung jawab unit kontrol adalah

mengambil instruksi – instruksi dari memori utama dan menentukan jenis instruksi

tersebut.

Registers, adalah media penyimpan internal CPU yang digunakan saat proses

pengolahan data. Memori ini bersifat sementara, biasanya digunakan untuk

menyimpan data saat diolah ataupun data untuk pengolahan selanjutnya.

CPU Interconnections, adalah sistem koneksi dan bus yang menghubungkan

komponen internal CPU, yaitu ALU, unit kontrol dan register – register dan juga

dengan bus – bus eksternal CPU yang menghubungkan dengan sistem lainnya, seperti

memori utama, piranti masukan/keluaran.

Struktur Detail Internal CPU

2. Fungsi CPU

CPU memiliki fungsi untuk menjalankan Program-program yang disimpan

dalam memori utama dengan cara mengambil instruksi-instruksi, menguji instruksi

tersebut dan mengeksekusinya satu persatu sesuai alur perintah.

Pandangan paling sederhana proses eksekusi program adalah dengan

mengambil pengolahan instruksi atau sering disebut juga dengan siklus instruksi.

Siklus Intruksi

Siklus intruksi memiliki sifat-sifat tertentu yaitu sekali instruksi telah diambil,

maka operand specifiernya harus diidentifikasikan yang kemudian seluruh operand

input yang berada di dalam memori akan diambil, dan proses ini mungkin

memerlukan pengalamatan tak langsung. Dalam siklus intruksi operand berbasis

register tidak perlu diambil, dan apabila opcode telah dieksekusi maka proses yang

sama akan diperlukan untuk menyimpan hasilnya di dalam memori. Di dalam siklus

intruksi terdapat beberapa bagian yaitu :

Fetch, merupakan siklus pembacaan instruksi berikutnya dari memori kedalam CPU.

Dalam arti kata, fetch memiliki arti mengambil, jadi fetch merupakan pengambilan

instruksi yang akan dieksekusi.

Execute, yaitu menginterpretasi opcode dan melakukan operasi yang diindikasikan

Interrupt, yaitu apabila bagian ini diaktifkan dan interrupt telah terjadi, simpan status

proses saat itu dan layani interrupsi.

Siklus tidak langsung, merupakan sebuah instruksi yang melibatkan sebuah operand

atau lebih di dalam memori, yang masing-masing operand memerlukan akses memori.

Pengambilan alamat-alamat tak langsung dapat dianggap sebagai sebuah subsiklus

intruksi atau lebih.

Strategi Pipelining

Strategi pipelining merupakan proses pengambilan dan pengeksekusian

instruksi secara parallel. Pada strategi pipelining input baru akan diterima pada sebuah

sisi sebelum input yang diterima sebelumnya keluar sebagai output di sisi lainnya.

Pipelining ini mirip dengan penggunaan rangkaian perakitan pada pabrik. Rangkaain

perakitan ini memanfaatkan kelebihan yang didapat dari fakta bahwa suatu produk

diperoleh dengan melalui berbagai tahapan produksi, dengan menaruh proses

produksi diluar rangkaian perakitan, maka produk yang berada di berbagai tahapan

dapat bekerja secara bersamaan.

B. SET INSTRUKSI

Set Instruksi (bahasa Inggris: Instruction Set, atau Instruction Set Architecture

(ISA)) didefinisikan sebagai suatu aspek dalam arsitektur komputer yang dapat dilihat

oleh para pemrogram. Secara umum, ISA ini mencakup jenis data yang didukung,

jenis instruksi yang dipakai, jenis register, mode pengalamatan, arsitektur memori,

penanganan interupsi, eksepsi, dan operasi I/O eksternalnya (jika ada).

ISA merupakan sebuah spesifikasi dari kumpulan semua kode-kode biner

(opcode) yang diimplementasikan dalam bentuk aslinya (native form) dalam sebuah

desain prosesor tertentu. Kumpulan opcode tersebut, umumnya disebut sebagai

bahasa mesin (machine language) untuk ISA yang bersangkutan. ISA yang populer

digunakan adalah set instruksi untuk chip Intel x86, IA-64, IBM PowerPC, Motorola

68000, Sun SPARC, DEC Alpha, dan lain-lain.

Karakteristik Mesin Instruksi

Elemen-elemen instruksi mesin

o Operation Code (OP Code) yaitu kode operasi berbentuk kode biner

o Source Operand Reference yaitu operand adalah input operasi

o Result Operand Reference yaitu merupakan hasil atau keluaran operasi

o Next Instruktion Reference elemen ini menginformasikan CPU posisi instruksi

berikutnya yang harus diambil dan dieksekusi.

Operand dari suatu system operasi dapat berada pada:

Memori Utama atau memori virtual

Register CPU

Perangkat I/O

Format Instruksi

Op Code Alamat

Kode Operasi (Op Code) direpresentasikan dengan singkatan-singkatan yang

disebut mnemonic.

Contoh Mnemonic

o ADD = Penambahan

o SUBB = Pengurangan

o LOAD = Muatkan data ke memori

Contoh Instruksi dengan 2 dan 3 alamat

Operasi Set Instruksi Secara Umum

C. MODE PENGALAMATAN

Suatu variasi mode pengalamatan (addressing mode) dapat digunakan untuk

menentukan suatu alamat tempat untuk dimana operand akan di fetch. Beberapa

teknik ini dapat meningkatkan kecepatan pelaksanaan instruksi dengan menurunkan

jumlah referensi pada memori utama dan meningkatkan jumlah referensi pada register

kecepatan tinggi. Mode pengalamatan ini menjabarkan suatu aturan untuk

menginterpretasikan atau memodifikasi field alamat dari instruksi sebelum operand

direferensikan.

Beberapa mode pangalamatan umum diantaranya adalah :

*OPR mewakili sebuah register untuk menyimpan operand yang akan digunakan

sewaktu instruksi dijalankan.

D. DUKUNGAN SISTEM OPERASI

Pengertian Sistem Operasi

Dalam Ilmu komputer, Sistem operasi atau dalam bahasa Inggris: operating

system atau OS adalah perangkat lunak sistem yang bertugas untuk melakukan kontrol

eksekusi program aplikasi dan manajemen perangkat keras serta operasi-operasi dasar

sistem, termasuk menjalankan software aplikasi seperti program-program pengolah

kata dan browser web.

Sistem Operasi juga bertindak sebagai antar-muka antara pengguna dengan

perangkat keras komputer. Sistem Operasi mengandung sejumlah program, dan

beberapa program tergolong sebagai utilitas. Kumpulan program ini menyediakan

layanan kontrol terhadap sumber daya komputer.Secara khusus, sistem operasi

menangani kontrol dan penggunaan sumber daya perangkat keras, seperi disc-room,

memory, processor, dan perangkat tambahan lain, seperti mouse, printer, dan lain-

lain.

Sejarah Sistem Operasi

Perkembangan sistem operasi dipengaruhi oleh perkembangan hardware.

Sistem operasi mulai dikembangkan sejak ±40 tahun lalu, yaitu:

Generasi ke-nol (1940).

Generasi pertama (1950).

Generasi kedua (1960).

Generasi ketiga (1970)

Generasi keempat (pertengahan 1970-an hingga sekarang).

Tujuan dan Fungsi Sistem Operasi

Sistem operasi diharapkan mempunyai dua tujuan yaitu:

Kenyamanan : suatu sistem operasi membuat komputer lebih mudah untuk

digunakan.

Efesien : suatu sistem operasi memungkinkan sumber daya sistem komputer dapat

digunakan dengan cara yang efesien.

Fungsi Sistem Operasi

System operasi memiliki tiga fungsi utama yaitu manajemen proses,

manajemen sumber daya dan manajemen data.

Manajemen proses mencakup penyiapan, penjadwalan dan pemantauan proses

pada computer. Proses adalah program yang sedang dijalankan.

Manajemen sumber daya berkaitan dengan pengendalian terhadap pemakaian

sumber daya dalam system computer yang dilakukan oleh perangkat lunak system

maupun pereangkat lunak aplikasi yang sedang dijalankan oleh computer. Yang

dimaksudkan sumber daya disini adalah komponen perangkat keras dalam

computer seperti CPU, memori utama dan peranti masukan/keluaran.

Manajemen data berupa pengendalian terhadap data masukan/keluaran, termasuk

dalam hal pengalokasian dalam peranti penyimpan sekunder maupun memori

utama.

Selain tiga fungsi utama tersebut, system operasi umumnya juga mempunyai

sarana untuk mengelola keamanan. Ciri system operasi yang mempunyai fasilitas

manajemen keamanan adalah mengharuskan pemakai memasukan nama pengguna

dan password (kata rahasia) sebelum mengakses computer.

Macam-Macam Sistem Operasi

Dalam perkembangan sistem operasi, sudah banyak perusahaan-perusahaan

atau para programer yang membuat dan mengembangkan sistem operasi sendiri, baik

itu personal atau general. Tapi pada saat ini terdapat beberapa sistem operasi yang

sudah sangat dikenal yaitu:

1. Keluarga Microsoft Windows - yang antara lain terdiri dari Windows Desktop

Environment (versi 1.x hingga versi 3.x), Windows 9x (Windows 95, 98, dan

Windows ME), dan Windows NT (Windows NT 3.x, Windows NT 4.0, Windows

2000, Windows XP, Windows Server 2003, Windows Vista, Windows 7 (Seven)

yang dirilis pada tahun 2009, dan Windows Orient yang akan dirilis pada tahun

2014)).

2. Keluarga Unix yang menggunakan antarmuka sistem operasi POSIX, seperti SCO

UNIX, keluarga BSD (Berkeley Software Distribution), GNU/Linux, MacOS/X

(berbasis kernel BSD yang dimodifikasi, dan dikenal dengan nama Darwin) dan

GNU/Hurd.

3. Mac OS, adalah sistem operasi untuk komputer keluaran Apple yang biasa disebut

Mac atau Macintosh. Sistem operasi yang terbaru adalah Mac OS X versi 10.4

(Tiger). Awal tahun 2007 direncanakan peluncuran versi 10.5 (Leopard).

4. Komputer Mainframe, dan Super komputer menggunakan banyak sekali sistem

operasi yang berbeda-beda, umumnya merupakan turunan dari sistem operasi

UNIX yang dikembangkan oleh vendor seperti IBM AIX, HP/UX, dll.

Penjadwalan Proses

Penjadwalan Jangka-Panjang

Penjadwalan jangka-panjang merupkan keputusan untuk menambahkan program

yang akan dieksekusi ke pool. Penjadwalan jangka-panjang menentukan program

yang mana diakui sebagai sistem untuk diproses.

Penjadwalan Jangka-Menengah

Penjadwalan jangka-menengah merupakan suatu keputusan untuk menambah

banyaknya proses-proses itu secara parsial atau secar penuh didalam memori

utama.

Penjadwalan Jangka-Pendek

Penjadwalan Jangka-Pendek merupakan keputusan sebagai proses tersedia yang

mana yang akan dieksekusi oleh prosesor.

Penjadwalan Antrian

Ketika proses memasuki sistem, mereka diletakkan dalam antrian job. Antrian ini

terdiri dari seluruh proses dalam sistem.

Manajement Memori

Melakukan pengaturan prosesor sehubungan penjadwalan proses yang harus

dilakukan.

Ada beberapa istilah dalam manajemen memori yang akan dijelaskan yaitu:

o Swaping

Sebuah proses harus berada di memori untuk dieksekusi. Proses juga dapat

ditukar (swap) sementara keluar memori ke backing store dan kemudian

dibawa kembali ke memori untuk melanjutkan eksekusi.

o Partitioning

Sebuah proses system operasi akan menempati bagian memori yang tetap. Sisa

memori akan dibagi-bagi untuk keperluan sejumlah proses.

o Paging

Paging merupakan kemungkinan solusi untuk permasalahan fragmentasi

eksternal dimana ruang alamat logika tidak berurutan; mengijinkan sebuah

proses dialokasikan pada memori fisik yang terakhir tersedia.

E. CICS Dan RISC

RISC(Reduced Instuction Set Computer) adalah rancangan prosessor yang sederhana,

tetapi dalam kesederhanaan tersebut didapatkan kecepatan operasi tiap-tiap siklus

instruksinya.

Alasan menggunakan RISC

Rancangan arsitektur CPU yang mengambil dasar filosofi bahwa prosessor dibuat

dengan arsitektur yang tidak rumit dengan membatasi jumlah instruksi hanya pada

instruksi dasar yang diperlukan saja. Racangan ini berawal dari pertimbangan-

pertimbangan dan analisa model perancangan lain yang kompleks, sehingga harus ada

pengurangan set instruksinya.

Ide dasar prosesor RISC sebenarnya bisa dilacak dari apa yang disarankan oleh Von

Neumann pada tahun 1946. Von Neumann menyarankan agar rangkaian elektronik

untuk konsep logika diimplementasikan hanya bila memang diperlukan untuk

melengkapi sistem agar berfungsi atau karena frekuensi penggunaannya cukup tinggi

(Heudin, 1992 : 18). Jadi ide tentang RISC, yang pada dasarnya adalah untuk

menyederhanakan realisasi perangkat keras prosesor dengan melimpahkan sebagian

besar tugas kepada perangkat lunaknya, telah ada pada komputer elektronik pertama.

Seperti halnya prosesor RISC, komputer elektronik pertama merupakan komputer

eksekusi-langsung yang memiliki instruksi sederhana dan mudah didekode.

Karakteristik RISC

RISC mempunyai beberapa karakteristik, yaitu: siklus instruksi, operasi

pertukaran data, mode pengalamatan dan format instruksi. Berikut akan dibahas dari

masing-masing karakteristik dari RISC.

Siklus instruksi

Satu instruksi mesin persiklus mesin. Suatu siklus mesin dinyatakan oleh

waktu yang dibutuhkan untuk mengambil dua operand dari register, untuk melakukan

suatu operasi ALU dan menyimpan hasilnya pada register. dengan demikian instruksi

mesin RISC tidak boleh lebih kompleks dan harus dapat mengeksekusi secepat

mikroinstruksi pada mesin-mesin CISC. Dengan menggunakan instruksi sederhana

atau instruksi satu siklus hanya dibutuhkan satu mikrokode atau tidak sama sekali,

instruksi mesin dapat dihardwired. Instruksi seperti itu akan dieksekusi lebih cepat

dibanding yang sejenis pada yang lain karena tidak perlu mengakses penyimapanan

kontrol mikroprogram saat eksekusi instruksi berlangsung.

Operasi pertukaran data

Kebanyakan operasi harus dalam bentuk register ke register, dengan hanya

operasi akses memori LOAD dan STORE yang sederhana. Rancangan ini

menyederhanakan set intsruksi dan sekaligus menyederhanakan unik kontrol. Sebagai

contoh, sebuah set instruksi RISC bisa mengandung hanya satu atau dua instruksi

ADD (misalnya, penambahan bilangan bulat, penambahan dengan carry). VAX

mempunyai 25 instruksi ADD yang berbeda. Keuntugan lain adalah bahwa arsitektur

seperti itu meningkatkan optimasi penggunaan register, sehingga operand-operand

yang sering diakses akan tetap berada dalam penyimpanan berkecepatan tinggi.

Mode pengalamatan

Penggunaan mode pengalamatan sederhana, hampir sama dengan instruksi

menggunakan pengalamatan register,. Beberapa mode tambahan seperti pergeseran

dan pe-relatif dapat dimasukkan selain itu banyak mode kompleks dapat disintesis

pada perangkat lunak dibanding yang sederhana, selain dapat menyederhanakan sel

instruksi dan unit kontrol.

Format instuksi

Penggunaan format-format instruksi sederhana, panjang instruksinya tetap dan

disesuaikan dengan panjang word. Fitur ini memiliki beberapa kelebihan karena

dengan menggunakan field yang tetap pendekodean opcode dan pengaksesan operand

register dapat dilakukan secara bersama-sama

Setelah dipertimbangkan semua karakteristik secara bersamaan, dapat dilihat

keuntungan-keuntungan potensial dari pendekatan RISC. Keuntungan-keuntungan ini

dikategorikan dalam dua kategori utama: yang pertama berhubungan dengan kinerja

dan yang kedua berhubungan dengan implementasi VLSI.

Berkaitan dengan kinerja, suatu jumlah tertentu “circumstansial evidence” dapat

direpresentasikan. Pertama pengoptimalan compiler yang lebih efektif dan dapat

dikembangkan. Yang kedua bahwa kebanyakan instruksi yang dihasilkan oleh

kompiler biasanya sederhana dan relatif. Yang ketiga adalah penggunaan pipeline

instruksi. Dan yang terakhir bahwa prosessor RISC lebih respontif ke interupsi.

Pipelining pada RISC

Pipelining akan lebih mudah di implemenstasikan bila set instruksi sederhana dan

teratur.

Instruksi yang bisa dilakukan akan dikerjakan tanpa menunggu instruksi

sebelumnya selesai.

Salah satu metode untuk meningkatkan kinerja system computer.

Cisc (Complex instruction-set computing atau Complex Instruction-Set Computer)

atau "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.

Tujuan utama dari arsitektur CISC adalah melaksanakan suatu perintah cukup dengan

beberapa baris bahasa mesin sedikit mungkin. Hal ini bisa tercapai dengan cara

membuat perangkat keras prosesor mampu memahami dan menjalankan beberapa

rangkaian operasi. Untuk tujuan contoh kita kali ini, sebuah prosesor CISC sudah

dilengkapi dengan sebuah instruksi khusus, yang kita beri nama MULT. Saat

dijalankan, instruksi akan membaca dua nilai dan menyimpannya ke 2 register yag

berbeda, melakukan perkalian operan di unit eksekusi dan kemudian mengambalikan

lagi hasilnya ke register yang benar. Jadi instruksi-nya cukup satu saja…

MULT 2:3, 5:2

MULT dalam hal ini lebih dikenal sebagai “complex instruction”, atau instruksi yang

kompleks. Bekerja secara langsung melalui memori komputer dan tidak memerlukan

instruksi lain seperti fungsi baca maupun menyimpan.

Satu kelebihan dari sistem ini adalah kompailer hanya menerjemahkan instruksi-

instruksi bahasa tingkat-tinggi ke dalam sebuah bahasa mesin. Karena panjang kode

instruksi relatif pendek, hanya sedikit saja dari RAM yang digunakan untuk

menyimpan instruksi-instruksi tersebut.

Mengapa CISC?

Jumlah instruksi yang banyak dan instruksi yang lebih kompleks. Dua alasan utama

yang menjadi motivasi kecenderungan ini adalah adanya keinginan untuk

menyederhanakan kompiler dan keinginan untuk meningkatkan kinerja. Alasan

penting lainnya adalah harapan bahwa CISC akan menghasilkan program yang lebih

kecil dan lebih cepat.

Karakteristik CISC versus RISC

Rancangan RISC dapat memperoleh keuntungan dengan mengambil sejumlah feature CISC

dan Rancangan CISC dapat memperoleh keuntungan dengan mengambil sejumlah feature

RISC. Hasilnya adalah bahwa sejumlah rancangan RISC yang terbaru, yang dikenal sebagai

PowerPC, tidak lagi “murni” RISC dan rancangan CISC yang terbaru, yang dikenal sebagai

Pentium, memiliki beberapa karakteristik RISC.

RISC CISC

Penekanan pada perangkat lunak Penekanan pada perangkat keras

Single-clock,hanya sejumlah kecil

instruksi Termasuk instruksi kompleks multi-clock

Register toRegister :”LOAD”&”STORE”

adalah instruksi2 terpisah

Memori ke Memori:

”LOAD”&”STORE” saling bekerjasama

Ukuran kode besar(kecepatan relatif

tinggi) Ukurang kode kecil,kecepatan rendah

Transistor banyak dipakai untuk register

memori

Transistor digunakan untuk menyimpan

instruksi2 kompleks

DAFTAR PUSTAKA

1. Organisasi dan Arsitektu Komputer: Rancangan Kinerja/William Stallings; Alih Bahasa,

Thamir Abdul Hafedh. – Jakarta: PT INDEKS Kelompok GRAMEDIA, 2005

2. http://iskandar-zulkarnaen1.tripod.com/risc.pdf

3. http://ardtechnology.blogspot.com/2010/10/risc-dan-cisc.html

4. http://www2.eepis-its.edu/~setia/Modul/ArKom/Pertemuan%2013.pdf