Penjelasan "A top-level view of computer Function and interconnection"

Download Document Lengkap (Ada Gambarx) --> [DOWNLOAD]

A.    Komponen Komputer

Alasan dibalik 3 konsep John von Neumann tentang desain computer. Ada set kecil dari komponen logica dasar yang dapat digabungkan melalui berbagai cara untuk menyimpan data biner dan untuk melaksanakan operasi aritmatika dan logika di dalam data tersebut. Pada dasarnya komputer arsitektur Von Neumann adalah terdiri dari elemen sebagai berikut:

1. Aritmatik Logic Unit
2. Control Unit
3. Memori
4. Input
5. output

Central Processing Unit (CPU)

Merupakan unit yang bertanggung jawab untuk urusan pemrosesan dan pengolahan data dalam sistem komputer. Sebuah Central Processing Unit (CPU) sistem komputer terdiri dari:

a.       Control Unit (CU),

Tugas yang dilakukan oleh Control Unit adalah:

·      Mengatur dan mengendalikan I/O devices.

·      Mengambil instruksi-instruksi dari main-memory.

·      Mengambil data dari main-memory bila dibutuhkan oleh proses.

·      Mengirim instruksi ke ALU bila ada perhitungan arithmatika atau perbandingan logika; serta mengawasi kerja dari ALU.

·      Menampung (menyimpankan secara sementara) hasil proses ke main-memory.

b.      Arithmetic and Logic Unit (ALU),

Tugas yang dilakukan oleh ALU dalam sistem komputer adalah melakukan semua perhitungan arithmatika dan keputusan dari operasi logika sesuai dengan instruksi program yang ditetapkan.

c.       Register.

Register merupakan sebuah unit simpanan dengan kapasitas kecil namun kecepatannya di atas main-memory yang bertugas menampung data/instruksi yang sedang diproses.

Sebuah perangkat input akan membawa instruksi dan data secara berurutan. Dengan cara yang sama, operasi pada data memerlukan akses ke lebih dari satu elemen pada satu waktu dalam urutan yang telah ditentukan. Dengan demikian, harus ada tempat untuk menyimpan sementara kedua instruksi dan data. Modul itu disebut memori, atau memori utama.

a.       I/O equipment yaitu peralatan input dan output

b.      AC (accumulator) merupakan register yang digunakan untuk menyimpan hasil pengolahan dari ALU

c.       MQ (Multiplier Quotient ) berfungsi untuk menyimpan bit LSB dari operator di ALU

d.      MBR (Memory Buffer Register) merupakan register yang digunakan untuk menyimpan data dalam satuan Word, data yang disimpan di MBR adalah data yang berasal dari memori.

e.       ALU (aritmatika Logic Unit) merupakan unit tempat melakukan semua perhitungan arithmatika dan keputusan dari operasi logika sesuai dengan instruksi program yang ditetapkan

f.       IBR (instruction Buffer Register) merupakan register tempat disimpannya instruksi yang berasal dari memori, register ini sangat jarang digunakan.

g.      IR (instruction Register) merupakan register yang digunakan untuk menyimpan instruksi

h.      PC (Program Counter) merupakan register yang menyimpan alamat dari data di memori yang akan dijemput  (data load)atau disimpan (data store)

i.        MAR (Memory Data Register) merupakan register yang memberikan informasi tentang alamat memori untuk data yang akan dijemput atau disimpan.

B.     Fungsi Komputer

Fungsi utama yang dilakukan oleh sebuah computer adalah eksekusi program yang berisi serangkaian instruksi yang disimpan dalam memori. Processor benar - benar melakukan kerjanya dengan mengeksekusi intruksi yang ditentukan dalam program.

Instruksi fetch dan eksekusi

Pada awal setiap siklus instruksi, prosesor menjemput instruksi dari memori. Dalam prosesor biasa, register disebut program counter (PC) memegang alamat instruksi yang akan diambil selanjutnya. Pengambilan instruksi dimuat ke register dalam prosesor yang dikenal sebagai instruksi register (IR). Instruksi berisi bit yang menentukan tindakan yang akan diambil prosesor. Prosesor menafsirkan instruksi dan melakukan yang tindakan yang diperlukan. Secara umum, tindakan ini terbagi dalam empat kategori:

1.      Processor-memory: data dapat ditransfer dari prosesor ke memori atau
dari memori ke prosesor.

dari memori ke prosesor.

2.      Proessor-I/O: Data dapat ditransfer ke atau dari perangkat periferal dengan
mentransfer antara prosesor dan modul I / O.

3.      Data Processing: Prosesor dapat melakukan beberapa aritmatika atau operasi logika
pada data.

4.      Control: Sebuah instruksi dapat menentukan bahwa urutan eksekusi diubah.

Interrupts (Interupsi)

Hampir semua komputer menyediakan mekanisme yang oleh modul lain (I / O, memori) dapat menginterupsi pemrosesan normal dari prosesor. Interupsi disediakan terutama sebagai cara untuk meningkatkan efisiensi pemrosesan. Sebagai contoh, sebagian besar perangkat eksternal jauh lebih lambat daripada prosesor. Mengira bahwa prosesor mentransfer data ke printer menggunakan skema siklus instruksi. Setelah setiap menulis operasi, prosesor harus berhenti dan tetap siaga sampai printer menangkap. Panjang jeda ini mungkin berada di urutan banyak ratusan atau bahkan ribuan siklus instruksi yang tidak melibatkan memori. Jelas, ini adalah penggunaan yang sangat boros prosesor.

Interupsi dan Siklus Intruksi

Dengan interupsi, prosesor dapat terlibat dalam melaksanakan instruksi lain sementara operasi I / O sedang berlangsung. Program pengguna mencapai titik di mana ia membuat panggilan sistem dalam bentuk WRITE call. Program I / O yang dipanggil dalam kasus ini hanya terdiri dari kode penyusunan dan perintah aktual I / O. Setelah beberapa instruksi selesai dieksekusi, kontrol kembali ke program pengguna. Sementara itu, perangkat eksternal sedang sibuk menerima data dari memori komputer dan mencetaknya. Operasi I / O dilakukan bersamaan dengan eksekusi instruksi dalam program pengguna.

Ketika perangkat eksternal siap untuk dilayani-yaitu, ketika telah siap untuk menerima lebih banyak data dari prosesor,-modul I / O untuk perangkat eksternal mengirimkan sinyal permintaan interupsi ke prosesor. Processor merespon dengan menunda pengoperasian program saat ini, dan bercabang  untuk melayani program khusus alat I / O , yang dikenal sebagai interrupt handler, dan melanjutkan asli eksekusi setelah perangkat dilayani.

Interupsi Ganda

Dapat diambil dua buah pendekatan untuk menangani interupsi ganda ini. Pertama adalah

menolak atau tidak mengizinkan interupsi lain saat suatu interupsi ditangani prosesor. Kemudian setelah prosesor selesai menangani suatu interupsi maka interupsi lain baru di tangani. Pendekatan ini disebut pengolahan interupsi berurutan / sekuensial . Pendekatan ini cukup baik dan sederhana karena interupsi ditangani dalam ututan yang cukup ketat. Kelemahan pendekatan ini adalah metode ini tidak memperhitungkan prioritas interupsi. Pendekatan ini diperlihatkan. Pendekatan kedua adalah dengan mendefinisikan prioritas bagi interupsi dan interrupt handler mengizinkan interupsi berprioritas lebih tinggi ditangani terlebih dahulu. Pedekatan ini  disebut pengolahan interupsi bersarang .

Fungsi I/O

Sebuah I / O modul ( misalnya , disk controller ) dapat bertukar data secara langsung denganprosesor. Sama seperti prosesor dapat memulai membaca atau menulis dengan memori, menunjuk alamat lokasi tertentu , prosesor juga dapat membaca data dari atau menulisdata ke modul I / O . Dalam kasus yang terakhir ini , prosesor mengidentifikasi perangkat tertentu yang dikendalikan oleh tertentu I / O module. Dengan demikian, urutan instruksi yang sama dalam bentuk dengan yang dapat terjadi, dengan I / O instruksi daripada referensi memori instruksi. Dalam beberapa kasus, hal ini diinginkan untuk memungkinkan I / O untuk melakukan pertukaran langsung dengan memori.

C.    Struktur Interkoneksi

Sebuah komputer terdiri dari seperangkat komponen atau modul dari tiga jenis dasar (prosesor, memori, I / O) yang saling berkomunikasi. Dengan demikian, harus ada jalan untuk menghubungkan modul-modul tersebut. Kumpulan jalan-jalan yang menghubungkan berbagai modul disebut struktur interkoneksi. Desain struktur ini tergantung pada pertukaran yang harus dilakukan antara modul-modul.

a.       Memori: Biasanya, modul memori akan memuat kata-kata N dengan panjang yang sama. Setiap kata diberi alamat unik numerik (0,1, ..., N - 1). Sebuah kata dari data dapat dibaca atau ditulis ke dalam memori. Sifat operasi ditunjukkan dengan sinyal control membaca dan menulis. Lokasi untuk operasi ini ditentukan oleh sebuah alamat.

b.      Modul I / O: I / O secara fungsional mirip dengan memori. Ada dua operasi, membaca dan menulis. Selanjutnya, sebuah modul I / O dapat mengontrol lebih dari satu perangkat eksternal. Kita dapat merujuk ke masing-masing interface ke perangkat eksternal sebagai port dan memberikan setiap alamat yang unik (misalnya, 0,1, ..., M - 1). Selain itu, ada jalur data eksternal untuk input dan output data dengan perangkat eksternal. Akhirnya, sebuah modul I / O mungkin dapat mengirim sinyal interupsi ke prosesor.

c.       Prosesor: Prosesor membaca dalam instruksi dan data, menulis data setelah pemprosesan, dan menggunakan sinyal kontrol untuk mengendalikan operasi keseluruhan dari sistem. Dan juga menerima sinyal interupsi.

Struktur interkoneksi harus mendukung jenis transfer berikut:

a.       Memori ke prosesor     : prosesor membaca instruksi atau unit data dari memori.

b.      Prosesor ke memori     : Prosesor menulis unit data ke memori.

c.       I / O ke prosesor          : prosesor membaca data dari perangkat I / O melalui modul I / O.

d.      Prosesor ke I / O         : Prosesor mengirimkan data ke perangkat I / O.

e.       I / O ke atau dari memori: Untuk kedua kasus, modul I / O diperbolehkan untuk bertukar data secara langsung dengan memori, tanpa melalui prosesor, menggunakan akses memori langsung (DMA).

D.    Interkoneksi Bus

Interkoneksi Bus adalah jalur komunikasi yang terdiri atas 8 saluran yang menghubungkan dua atau lebih perangkat sehingga dalam satu waktu dapat mentransfer data sebesar 8 bit . Dalam metode bus Jika dua perangkat mengirimkan selama periode waktu yang sama , sinyal mereka akan tumpang tindih dan menjadi kacau . Dengan demikian , hanya satu perangkat pada satu waktu berhasil dapat menularkan .

1.      Struktur Bus

Sebuah bus sistem terdiri dari 50 hingga 100 saluran yang terpisah. Masing-masing saluran ditandai dengan arti dan fungsi khusus. Walaupun terdapat sejumlah rancangan bus yang berlainan, fungsi saluran bus dapat diklasifikasikan menjadi tiga kelompok, yaitu saluran data, saluran alamat, dan saluran kontrol. Selain itu, terdapat pula saluran distribusi daya yang memberikan kebutuhan daya bagi modul yang terhubung.

a.        Saluran Data

Saluran data memberikan lintasan bagi perpindahan data antara dua modul sistem. Saluran ini secara kolektif disebut bus data. Umumnya bus data terdiri dari 8, 16, 32 saluran, jumlah saluran diakitakan denang lebar bus data. Karena pada suatu saat tertentu masing-masing saluran hanya dapat membawa 1 bit, maka jumlah saluran menentukan jumlah bit yang dapat dipindahkan pada suatu saat. Lebar bus data merupakan faktor penting dalam menentukan kinerja sistem secara keseluruhan. Misalnya, bila bus data lebarnya 8 bit, dan setiap instruksi panjangnya 16 bit, maka CPU harus dua kali mengakses modul memori dalam setiap siklus instruksinya.

b.       Saluran Alamat

Saluran alamat digunakan untuk menandakan sumber atau tujuan data pada bus data. Misalnya, bila CPU akan membaca sebuah word data dari memori, maka CPU akan menaruh alamat word yang dimaksud pada saluran alamat. Lebar bus alamat akan menentukan kapasitas memori maksimum sistem. Selain itu, umumnya saluran alamat juga dipakai untuk mengalamati port-port input/outoput. Biasanya,bit-bit berorde lebih tinggi dipakai untuk memilih lokasi memori atau port I/O pada modul.

c.       Saluran Kontrol

Saluran kontrol digunakan untuk mengntrol akses ke saluran alamat dan penggunaan data dan saluran alamat. Karena data dan saluran alamat dipakai bersama oleh seluruh komponen, maka harus ada alat untuk mengontrol penggunaannya. Sinyal-sinyal kontrol melakukan transmisi baik perintah maupun informasi pewaktuan diantara modul-modul sistem. Sinyal-sinyal pewaktuan menunjukkan validitas data dan informasi alamat. Sinyal-sinyal perintah mespesifikasikan operasi-operasi yang akan dibentuk. Umumnya saluran kontrol meliputi :

1.      Memori Write menyebabkan data pada bus akan dituliskan ke dalam lokasi alamat

2.      Memori Read menyebabkan data dari lokasi alamat ditempatkan pada bus

3.      I/O Write menyebabkan data pada bus di-output-kan ke port I/O yang beralamat

4.      I/O Read menyebabkan data dari port I/O yang beralamat ditempatkan pada bus

5.      Transfer ACK menunjukan bahwa data telah diterima dari bus atau telah ditempatkan di bus

6.      Bus Request menunjukkan bahwa modul memerlukan kontrol bus

7.      BusGrant menunjukkan bahwa modul yang melakukan request telah  diberikan hak mengontrol bus

8.      Interrupt Request menandakan bahwa sebuah interrupt ditangguhkan

9.      Interrupt ACK memberitahukan bahwa interrupt yang ditangguhkan telah diketahui

10.  Clock digunakan untuk mensinkronkan operasi-operasi

11.  Reset menginisialisasi seluruh modul

Hierarki Multiple Bus

Bila terlalu banyak modul atau perangkat dihubungkan pada bus maka akan terjadi penurunan kinerja

Faktor – faktor :

1.                  Semakin besar delay propagasi untuk mengkoordinasikan penggunaan bus.

2.                  Antrian penggunaan bus semakin panjang.

3.                  Dimungkinkan habisnya kapasitas transfer bus sehingga memperlambat data.

                         Gambar 3. Arsitektur bus jamak tradisional

Arsitektur bus jamak

Prosesor, cache memori dan memori utama terletak pada bus tersendiri pada level tertinggi karena modul – modul tersebut memiliki karakteristik pertukaran data yang tinggi.

Pada arsitektur berkinerja tinggi, modul – modul I/O diklasifikasikan menjadi dua,

·         Memerlukan transfer data berkecepatan tinggi

·         Memerlukan transfer data berkecepatan rendah.

Modul dengan transfer data berkecepatan tinggi disambungkan dengan bus berkecepatan tinggi pula,

Modul yang tidak memerlukan transfer data cepat disambungkan pada bus ekspansi

Gambar 4. Arsitektur bus jamak kinerja tinggi

Keuntungan hierarki bus jamak kinerja tinggi

1.      Bus berkecepatan tinggi lebih terintegrasi dengan prosesor.

2.      Perubahan pada arsitektur prosesor tidak begitu mempengaruhi kinerja bus

2.      Jenis Bus

Saluran bus dapat dipisahkan menjadi dua tipe umum, yaitu dedicated dan multiplexed. Suatu saluran bus dedicated secara permanen diberi sebuah fungsi atau subset fisik komponen-komponen komputer.

Sebagai contoh dedikasi fungsi adalah penggunaan alamat dedicated terpisah dan saluran data, yang merupakan suatu hal yang umum bagi bus. Namun, hal ini bukanlah hal yang penting. Misalnya, alamat dan informasi data dapat ditransmisikan melalui sejumlah salurah yang sama dengan menggunakan saluran address valid control. Metode penggunaan saluran yang sama untuk berbagai keperluan ini dikenal sebagai time multiplexing. Jenis Bus dapat dibedakan menurut :

a. Metode Arbitasi

Di dalam semua sistem keculai sistem yang paling sederhana, lebih dari satu modul diperlukan untuk mengontrol bus. Misalnya, sebuah modul I/O mungkin diperlukan untuk membaca atau menulis secara langsung ke memori, dengan tanpa mengirimkan data ke CPU.

b. Timing

Timing berkaitan dengan bagaimana terjadinya event yang dikoordinasikan pada bus. Dengan timing yang synchronous, terjadinya event pada bus ditentukan oleh sebuah pewaktu (clock). Bus meliputi sebuah saluran, waktu tempat pewaktu mentrasmisikan rangkaian bilangan 1 dan 0 dalam durasi yang sama.

c. Lebar Bus

Lebar bus dinyatakan dengan satuan bit dan kecepatan bus dinyatakan dalam satuan MHz Lebar bus data dapat mempengaruhi kinerja sistem. Semakin lebar bus data, semakin besar bit yang dapat ditransferkan pada suatu saat. Lebar bus alamat mempunyai pengaruh pada kapasistas sitem. Semakin lebar bus alamat, semakin besar pula range lokasi yang dapat direferensi.

d.  Jenis Transfer Data

Suatu bus mendukung bermacam-macam transfer data. Semua bus mendukung transfer baca (master ke slave) dan transfer tulis (slave ke master). Pada semua multiplexed address/data bus, pertama-tama bus digunakan untuk menspesifikasikan alamat dan kemudian untuk melakukan transfer data. Untuk operasi baca, biasanya terdapat waktu tunggu pada saat data sedang diambil dari slave untuk ditaruh pasda bus. Baik bagi operasi baca maupun tulis, mungkin juga terdapt delay bila hal itu diperlukan untuk melalui arbitrasi agar mendapatkan kontrol bus untuk sisa operasi (yaitu, mengambil alih bus untuk melakukan request baca atau tulis, kemudian mengambil alih lagi bus untuk membentuk operasi baca atau tulis.

E.     PCI

·         PCI (Peripheral Component Interconnect) merupakan bus didesain untuk menangani beberapa perangkat keras dan tidak tergantung pada prosesor dan berbandwidth tinggi.

·         PCI memberikan sistem yang lebih baik bagi subsistem I/O berkecepatan tinggi (misalnya, graphic display adapter, network interface controller, disk controller, dll).

·         Standard yang berlaku saat ini mengizinkan penggunaan sampai 64 saluran data pada kecepatan 33 Mhz, bagi kelajuan transfer 264 Mbyte/detik, atau 2,112 Gbps.

·         Intel mulai menerapkan PCI pada tahun 1990 untuk sistem berbasis Pentiumnya. Hasilnya PCI secara luas diterima dan penggunaannya pada komputer pribadi, workstation, dan sistem server terus meningkat.

Struktur Bus

·         PCI dapat dikonfigurasikan sebagai bus 32-bit atau 64-bit

·         Beberapa saluran signal yang diharuskan bagi PCI, dapat dikelompokan sbb:

1.      System pins: Meliputi pin waktu dan reset.

2.      Address and Data Pins: Meliputi 32 saluran yang time-multiplexed bagi alamat dan data. Saluran lainnya di dalam kelompok ini digunakan untuk menginterpretasikan dan memvali-dasi saluran-saluran signal yang membawa alamat dan data.

3.      Interface Control Pins: Mengontrol timing transaksi dan mengkoordi-nasikan antara inisiator dan target.

4.      Arbitration Pins: tidak seperti saluran signal PCI lainnya, pin-pin ini bukan saluran yang dipakai bersama-sama. Melainkan, masing-masing master PCI memiliki pasangan saluran arbitrasinya sendiri yang menghubungkannya secara langsung dengan arbitrer bus PCI.

5.      Error Reporting Pins: Digunakan untuk melaporkan error parity dan error-error lainnya.

·         Selain itu, spesifikasi PCI mendefinisi-kan 50 saluran signal yang dibagi menjadi kelompok-kelompok fungsional sbb:

1.      Interrupt Pins: Saluran signal ini disediakan bagi perangkat-perangkat PCI yang harus menghasilkan request untuk layanan

2.      Cache Support Pins: Pin-pin ini diperlukan untuk mendukung memori pada PCI yang dapat di-cache-kan di dalam prosesor atau perangkat lainnya. Pin-pin ini mendukung protokol-protokol snoopy cache.

3.      64-bit Bus Extension Pins: Meliputi 32 saluran yang merupakan timemultiplexed bagi alamat dan data dan dikombinasikan dengan saluran alamat/data untuk membentuk bus alamat /data 64-bit

4.      JTAG/Boundary Scan Pins: Saluran-saluran signal ini mendukung pengujian prosedur-prosedur yang ditentukan dalam standard 149.1 IEEE.

Command pada PCI

·         Transaksi antara initiator (master) dg target

·         Master pegang kendali bus

·         Master menentukan jenis transaksi. Misal I/O read/write

·         Fase Address

·         Fase Data