Download Tugas struktur data algortima and more Study notes Algorithms and Programming in PDF only on Docsity!
BAB
Arsitektur &Organisasi
Komputer
Buku ini membahas tentang struktur dan fungsi komputer. Setelah mempelajari buku ini diharapkan dapat memahami sifat dan karakteristik sistem-sistem komputer yang berkembang saat ini. Tantangan yang dihadapi adalah adanya bermacam-macam komputer dan perkembangan yang pesat dibidang komputer, namun demikian konsep dasar organisasi komputer telah digunakan secara konsisten secara menyeluruh. Buku ini bermaksud untuk memberikan bahasan lengkap dan mudah tentang dasar-dasar organisasi komputer. 1.1. Komputer Komputer adalah sebuah mesin hitung elektronik yang secara cepat menerima informasi masukan digital dan mengolah informasi tersebut menurut seperangkat instruksi yang tersimpan dalam komputer tersebut dan menghasilkan keluaran informasi yang dihasilkan setelah diolah. Daftar perintah tersebut dinamakan program komputer dan unit penyimpanannya adalah memori komputer. Dalam bentuk yang paling sederhana komputer terdiri dari lima bagian utama yang mempunyai fungsi sendiri-sendiri. Unit-unit tersebut adalah: masukan, memori, aritmetika dan logika, keluaran dan kontrol seperti pada gambar 1.1. Aritmetika Masukan Keluaran Memori dan logika Kontrol Gambar 1.1. Unit fungsional dasar pada komputer
Unit masukan menerima informasi yang yang dikodekan dari operator manusia lewat alat-alat elektromekanik seperti papan ketik pada suatu terminal video, atau dari komputer- komputer lain lewat jalur komunikasi digital. Informasi yang diterima dan disimpan dalam memori untuk dipergunakan kelak, atau langsung diolah oleh rangkaian aritmetika dan logika untuk melaksanakan operasi yang diinginkan. Langkah-langkah pengolahan ditentukan oleh program yang disimpan dalam memori. Akhirnya hasil-hasil yang diperoleh dikirimkan kembali keluar melalui unit keluaran. Seluruh kegiatan ini dikoordinasi oleh unit kontrol. 1.2. Organisasi Komputer Organisasi Komputer adalah bagian yang terkait erat dengan unit–unit operasional dan interkoneksi antar komponen penyusun sistem komputer dalam merealisasikan aspek arsitekturalnya. Contoh aspek organisasional adalah teknologi hardware, perangkat antarmuka, teknologi memori, sistem memori, dan sinyal–sinyal kontrol. Arsitektur Komputer lebih cenderung pada kajian atribut–atribut sistem komputer yang terkait dengan seorang programmer. Contohnya, set instruksi, aritmetika yang digunakan, teknik pengalamatan, mekanisme I/O. Sebagai contoh apakah suatu komputer perlu memiliki instruksi pengalamatan pada memori merupakan masalah rancangan arsitektural. Apakah instruksi pengalamatan tersebut akan ***diimplementasikan secara langsung ataukah melalui mekanisme cache adalah kajian organisasional. Perbedaan Utama Organisasi Komputer Bagian yang terkait erat dengan unit–unit operasional Contoh: teknologi hardware, perangkat antarmuka, teknologi memori, sistem memori, dan sinyal–sinyal kontrol Arsitektur Komputer atribut–atribut sistem komputer yang terkait dengan seorang programmer Contoh: set instruksi, aritmetika yang digunakan, teknik pengalamatan, mekanisme I/O
Komponen yang paling menarik namun paling kompleks adalah CPU. Struktur CPU terlihat pada gambar 1.2, dengan struktur utamanya adalah : Control Unit , berfungsi untuk mengontrol operasi CPU dan mengontrol komputer secara keseluruhan.
- Arithmetic And Logic Unit (ALU), berfungsi untuk membentuk fungsi – fungsi pengolahan data komputer. Register , berfungsi sebagai penyimpan internal bagi CPU. CPU Interconnection , berfungsi menghubungkan seluruh bagian dari CPU. 1.3.2. Fungsi Komputer Fungsi dasar sistem komputer adalah sederhana seperti terlihat pada gambar 1.3. Pada prinsipnya terdapat empat buah fungsi operasi, yaitu : Fungsi Operasi Pengolahan Data Fungsi Operasi Penyimpanan Data Fungsi Operasi Pemindahan Data Fungsi Operasi Kontrol Gambar 1.3. Fungsi Komputer Komputer harus dapat memproses data. Representasi data di sini bermacam–macam, akan tetapi nantinya data harus disesuaikan dengan mesin pemrosesnya. Dalam pengolahan data,
komputer memerlukan unit penyimpanan sehingga diperlukan suatu mekanisme penyimpanan data. Walaupun hasil komputer digunakan saat itu, setidaknya komputer memerlukan media penyimpanan untuk data prosesnya. Dalam interaksi dengan dunia luar sebagai fungsi pemindahan data diperlukan antarmuka ( interface ), proses ini dilakukan oleh unit Input/Output (I/O) dan perangkatnya disebut peripheral. Saat interaksi dengan perpindahan data yang jauh atau dari remote device, komputer melakukan proses komunikasi data. Gambar 1.4 mengilustrasikan operasi–operasi komputer. Gambar 1.4a adalah operasi pemindahan data, gambar 1.24 adalah operasi penyimpanan data, gambar 1.4c dan gambar 1.4d adalah operasi pengolahan data. Gambar 1.4. Operasi-operasi Komputer
BAB
Evolusi dan
Kinerja Komputer
Dalam bab ini mula-mula akan dibahas tentang sejarah singkat komputer karena beberapa diantaranya merupakan dasar dari perkembangan komputer saat ini. Kemudian dibahas mengenai bermacam-macam teknik dan strategi yang digunakan untuk mencapai unjuk kerja yang seimbang dan efisien. Terakhir akan dibahas evolusi dua system yang sangat penting pada komputer saat ini yaitu Pentium dan PowerPC. 2.1. Sejarah Singkat Komputer 2.1.1 Generasi Pertama : Tabung Vakum (1945 – 1955) ENIAC ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And Computer ), pada tahun 1946 dirancang dan dibuat oleh John Mauchly dan John Presper Eckert di Universitas Pennsylvania merupakan komputer digital elektronik untuk kebutuhan umum pertama di dunia. ENIAC dibuat di bawah lembaga Army’s Ballistics Research Laboratory (BRL). Sebuah badan yang bertanggung jawab dalam pembuatan jarak dan tabel lintasan peluru kendali senjata baru. Sebelumnya tugas ini dilakukan oleh kurang lebih 200 personil dengan menggunakan kalkulator untuk menyelesaikan persamaan matematis peluru kendali yang memakan waktu lama. ENIAC mempunyai berat 30 ton, bervolume 15.000 kaki persegi, dan berisi lebih dari 18.000 tabung vakum. Daya listrik yang dibutuhkan sebesar 140 KW. Kecepatan operasi mencapai 5.000 operasi penambahan per detik. ENIAC masih merupakan mesin desimal, representasi data bilangan dalam bentuk desimal dan arimetiknya dibuat dalam bentuk desimal. Memorinya terdiri atas 20 akumulator, yang masing – masing akumulatornya mampu menampung 10 digit desimal. Setiap digit direpresentasikan oleh cincin yang terdiri atas 10 buah tabung vakum. Kekurangan utama mesin ini adalah masih manual pemrogramannya, yaitu dengan menyetel switch – switch, memasang dan menanggalkan kabel – kabelnya. ENIAC selesai pada tahun 1946 sejak proposal diajukan tahun 1943, sehingga tahun 1946 merupakan gerbang bagi zaman baru komputer elektronik.
John Van Neumann seorang ahli matematika yang merupakan konsultan pembuatan ENIAC **pada tahun 1945 mencoba memperbaiki ***kelemahan ENIAC dengan rancangan ***komputer barunya, bernama EDVAC ( Electronic Discrete Variable Computer ) dengan konsep program tersimpan ( stored- program concept ) **Tahun 1946 komputer dengan stored-program concept dipublikasikasikan, yang kemudian di kenal dengan Komputer IAS (Computer of Institute for Advanced Studies). Struktur komputer IAS terlihat pada gambar 2.1. Komputer ini terdiri :
- Memori Utama , untuk menyimpan data maupun instruksi.
- Arithmetic Logic Unit (ALU), untuk mengolah data binner.
- Control Unit , untuk melakukan interpretasi instruksi – instruksi di dalam memori sehingga adanya eksekusi instruksi tersebut.
- I/O , untuk berinteraksi dengan lingkungan luar. Gambar 2.1 Struktur Komputer IAS
- Arithmetic, kumpulan operasi – operasi yang dibentuk oleh ALU.
- Address Modify, instruksi – instruksi yang memungkinkan pengubahan alamat saat di komputasi sehingga memungkinkan fleksibilitas alamat yang tinggi pada program. Gambar 2.3 Struktur detail komputer IAS
Komputer Komersial Tahun 1950 dianggap sebagai tahun kelahiran industri komputer dengan munculnya 2 buah perusahaan yang saat itu mendominasi pasar, yaitu Sperry dan IBM. Tahun 1947, Eckert dan Mauchly mendirikan Eckert-Mauchly Computer Corporation untuk memproduksi komputer secara komersial. Komputer pertama yang mereka hasilkan adalah UNIVAC I ( Universal Automatic Computer ). UNIVAC I menjadi tulang punggung penghitungan sensus tahun 1950 di USA. UNIVAC II yang memiliki kapasitas memori lebih besar dan kinerja yang lebih baik diluncurkan tahun 1950. Mulai saat itu perusahaan telah mengembangkan produk – produk baru yang kompatibel dengan produk sebelumnya sehingga pangsa pasar konsumen mereka tetap terjaga menggunakan produknya. IBM pun tidak mau kalah dengan mengeluarkan produk mereka yang akhirnya mendominasi pangsa pasar bisnis saat ini. Seri IBM pertama adalah seri 701 tahun 1953 dan terus berkembang menjadi lebih baik hingga sekarang. 2.1.2 Generasi Kedua : Transistor (1955 – 1965) Sejak pesatnya teknologi semikonduktor hingga menghasilkan komponen transistor membawa perubahan besar pada dunia komputer. Komputer era ini tidak lagi menggunakan tabung vakum yang memerlukan daya operasional besar, tabung – tabung itu digantikan komponen kecil bernama transistor. Konsumsi daya listrik amat kecil dan bentuknyapun relatif kecil. Transistor ditemukan di Bell Labs pada tahun 1947 dan tahun 1950 telah meluncurkan revolusi elektronika modern. IBM sebagai perusahaan pertama yang meluncurkan produk komputer dengan transistor sehingga tetap mendominasi pangsa pasar komputer. NCR dan RCA adalah perusahaan yang mengembangkan komputer berukuran kecil saat itu, kemudian diikuti IBM dengan mengeluarkan seri 7000-nya. Dengan adanya transistor membuat hardware komputer saat itu makin cepat prosesnya, lihat Tabel 2.1. Memori makin besar kapasitasnya namun makin kecil bentuknya. Generasi dua ini juga terdapat perubahan perkembangan pada ALU yang makin kompleks, lahirnya bahasa pemrograman tingkat tinggi maupun tersedianya software sistem operasi. Generasi kedua juga ditandai munculnya Digital Equipment Corporation (DEC) tahun 1957 dan meluncurkan komputer pertamanya, yaitu PDP 1. Komputer ini sangat penting bagi perkembangan komputer generasi ketiga.
1.1.3 Generasi Ketiga : Integrated Circuits (1965 – 1980) Pada tahun 1958 terjadi revolusi elektronika kembali, yaitu ditemukannya integrated circuit (IC) yang merupakan penggabungan komponen – komponen elektronika dalam suatu paket. Dengan ditemukan IC ini semakin mempercepat proses komputer, kapasitas memori makin besar dan bentuknya semakin kecil. IBM System/ Tahun 1964 dikeluarkan IBM System/360 yang telah menggunakan teknologi IC. Dalam satu dekade IBM menguasai 70% pasaran komputer. Sistem 360 merupakan kelompok komputer pertama yang terencana. Banyak model dalam arsitektur 360 ini dan saling kompatibel. Hal ini sangat menguntungkan konsumen, karena konsumen dapat menyesuaikan dengan kebutuhan maupun harganya. Pengembangan ( upgrading ) dimungkinkan dalam komputer ini. Karakteristik komputer kelompok ini adalah : *• Set Instruksi Mirip atau Identik , dalam kelompok komputer ini berbagai model yang dikeluarkan menggunakan set instruksi yang sama sehingga mendukung kompabilitas sistem maupun perangkat kerasnya. *• Sistem Operasi Mirip atau Identik, ini merupakan feature yang menguntungkan konsumen sehingga apabila kebutuhan menuntut penggantian komputer tidak kesulitan dalam sistem operasinya karena sama. *• Kecepatan yang meningkat, model – model yang ditawarkan mulai dari kecepatan rendah sampai kecepatan tinggi untuk penggunaan yang dapat disesuaikan konsumen sendiri. *• Ukuran Memori yang lebih besar, semakin tinggi modelnya akan diperoleh semakin besar memori yang digunakan.
- Harga yang meningkat, semakin tinggi modelnya maka harganya semakin mahal. Tabel 2.2 Karakteristik Penting Kelompok System/ Karakteristik ***Model 30 Model 40 Model 50 Model 65 Model 75 Ukuran memori (Kb) 64 256 256 512 512 *Laju data dari meori (Mbytes/det) 0.5 0.8 2.0 8.0 16. Prosesor cycle time (μdetik) 1.0 0.625 0.5 0.25 0. *Jumlah maksimum data channel 3 3 4 6 6 Data maks per channel (Kbps) 250 400 800 1250 1250
DEC PDP- 8
Pada tahun yang sama saat IBM mengeluarkan System/360, DEC meluncurkan DEC PDP-8. Komputer ini memiliki keunggulan bentuknya yang kecil sehingga sangat fleksibel digunakan. PDP-8 juga memiliki varian – varian yang modelnya sama dengan IBM System/360 untuk menyesuaikan kebutuhan pelanggannya. Dengan hadirnya PDP-8 ini membawa DEC sebagai perusahaan menyuplai komputer mini terbesar membawa DEC sebagai pabrik komputer terbesar kedua setelah IBM. Arsitektur PDP-8 sangat berbeda dengan IBM terutama bagian sistem bus. Pada komputer ini menggunakan omnibus system. Sistem ini terdiri atas 96 buah lintasan sinyal yang terpisah, yang digunakan untuk membawa sinyal – sinyal kontrol, alamat maupun data. Karena semua komponen menggunakan jalur bus ini maka penggunaannya dikontrol oleh CPU. Arsitektur bus seperti PDP-8 ini nantinya digunakan oleh komputer – komputer modern selanjutnya. Struktur bus PDP-8 terlihat pada gambar 2.6. Gambar 2.6 Struktur bus PDP- 8 1.1.4 Generasi Keempat : Very Large Scale Integration (1980 - ????) Era keempat perkembangan genarasi komputer ditandai adanya VLSI. Paket VLSI dapat menampung 10.000 komponen lebih per kepingnya dengan kecepatan operasi mencapai 100juta operasi per detiknya. Gambar 2.7 mengilustrasikan perkembangan mikroprosesor Pentium terhadap jumlah transistor per kepingnya. Masa – masa ini diawali peluncuran mikroprosesor Intel seri 4004. Mikroprosesor 4004 dapat menambahkan dua bilangan 4 bit dan hanya dapat mengalikan dengan cara pengulangan penambahan. Memang masih primitif, namun mikroprosesor ini tonggak perkembangan mikroprosesor – mikroprosesor canggih saat ini. Tidak ada ukuran pasti dalam melihat mikroprosesor, namun ukuran terbaik adalah lebar bus data : jumlah bit data yang dapat dikirim – diterima mikroprosesor. Ukuran lain adalah jumlah bit dalam register.
1.2 Perancangan Kinerja Kinerja sebuah sistem komputer merupakan hasil proses dari seluruh komponen komputer, yang melibatkan CPU, memori utama, memori sekunder, bus, peripheral. Dari segi perkembangan program aplikasipun sangat menakjubkan. Aplikasi dekstop yang hampir dimiliki semua sistem komputer saat ini meliputi :
- Pengolahan citra
- Pengenalan voice atau pembicaraan
- Video conference
- Mulitimedia
- Transfer data Yang menakjubkan lagi adalah dari sudut pandang organisasi dan arsitektur komputer saat ini adalah mirip dengan komputer IAS yang dibuat sekitar 50 tahun lalu, namun perkembangan dan kecanggihannya dapat kita rasakan sekarang ini. Peningkatan kinerja mikroprosesor ini terus berlanjut tidak kenal henti dengan berbagai teknik yang telah dikembangkan, diantaranya :
- Branch Prediction , teknik dimana prosesor memungkinkan mengamati terlebih dahulu di dalam software dan melakukan prediksi percabangan atau kelompok instruksi yang akan dieksekusi berikutnya.
- Data Flow Analysis , prosesor akan menganalisa instruksi – instruksi yang tidak tergantung pada hasil atau data lainnya untuk membuat penjadwalan yang optimum dalam eksekusi.
- Speculative Execution, dengan modal prediksi cabang dan analisis data, maka prosesor dapat melakukan eksekusi spekulatif terlebih dahulu sebelum waktunya. Perkembangan mikroprosesor, dilihat dari kapasitas operasi dan kecepatannya sangatlah pesat. Perkembangan mikroprosesor ini sulit diimbangi oleh komponen lainnya semisal memori. Hal ini menimbulkan masalah kesenjangan dan kurang sinkronnya operasi antar komponen. Perhatikan laju perkembangan prosesor dibandingkan memori utama seperti terlihat pada gambar 2.8. Organisasi dan arsitektur komputer yang handal sangat diperlukan untuk mengatasi persoalan seperti ini.
Gambar 2.8 Grafik perbandingan kecepatan mikroprosesor dan memori Terdapat beberapa metode untuk mengatasi masalah perbedaan kecepatan operasi antara mikroprosesor dengan komponen lainnya, diantaranya :
- Meningkatkan jumlah bit yang dicari pada suatu saat tertentu dengan melebarkan DRAM dan melebarkan lintasa sistem busnya.
- Mengubah antarmuka DRAM sehingga lebih efisien dengan menggunakan teknik cache atau pola buffer lainnya pada keping DRAM.
- Meningkatkan bandwidth interkoneksi prosesor dan memori dengan penggunakan hierarki bus – bus yang lebih cepat untuk buffering dan membuat struktur aliran data. Bidang lain yang menjadi fokus kajian peningkatan kinerja sistem komputer adalah penanganan perangkat – perangkat I/O. Masalah yang terjadi hampir sama dengan memori. Teknik penyelesaian yang digunakan umumnya adalah teknik buffering dan caching. Target yang ingin dicapai dalam peningkatan kinerja adalah tercapainya keseimbangan proses operasi antar komponen – komponen penyusun komputer sehingga menghasilkan kinerja komputer yang tinggi. 1.3 Contoh Evolusi Komputer Evolusi komputer yang akan dijelaskan adalah kelompok komputer Pentium Intel dan PowerPC. Alasannya adalah komputer Pentium Intel mampu mendominasi pasaran dan secara
PowerPC Proyek sistem RISC diawali tahun 1975 oleh IBM pada komputer muni seri 801. Seri pertama ini hanyalah prototipe, seri komersialnya adalah PC RT yang dikenalkan tahun 1986. Tahun 1990 IBM mengeluarkan generasi berikutnya yaitu IBM RISC System/6000 yang merupakan mesin RISC superskalar workstation. Setelah ini arsitektur IBM lebih dikenal sebagai arsitektur POWER. IBM menjalin kerja sama dengan Motorola menghasilkan mikroprosesor seri 6800, kemudian Apple menggunakan keping Motorola dalam Macintoshnya. Saat ini terdapat 4 kelompok PowerPC, yaitu :
- 601, adalah mesin 32 bit merupakan produksi masal arsitektur PowerPC untuk lebih dikenal masyarakat.
- 603, merupakan komputer desktop dan komputer portabel. Kelompok ini sama dengan seri 601 namun lebih murah untuk keperluan efisien.
- 604, seri komputer PowerPC untuk kegunaan komputer low-end server dan komputer desktop.
- 620, ditujukan untuk penggunaan high-end server. Mesin dengan arsitektur 64 bit.
- 740/750, seri dengan cache L2.
- G4, seperti seri 750 tetapi lebih cepat dan menggunakan 8 instruksi paralel.
BAB
Struktur
CPU
Seperti telah dijelaskan pada bagian pengantar, bahwa komputer digital terdiri dari sistem prosesor atau sering disebut CPU, memori – memori, dan piranti masukan/keluaran yang saling berhubungan dan saling dukung mewujudkan fungsi operasi komputer secara keseluruhan. 3.1 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 3.1 dan struktur detail internal CPU terlihat pada gamber 3.2. 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 komputer 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.
