Pengenalan Microprocessor, Arsitektur Komputer dan Desain CPU

Microprocessor

Jika melihat gambar diatas mungkin benda yang satu ini sudah tidak asing lagi bagi teman-teman. Mungkin selama ini ada yang hanya tahu wujudnya tapi tidak tahu namanya, atau sebaliknya tahu namanya tapi tidak tahu bentuk wujudnya. Jika ketika melihat spesifikasi PC kita mengenal AMD dan Intel, itu sebenarnya adalah nama dari sebuah perusahaan yang membuat, mengembangkan dan memasarkan microprocessor yang kita gunakan saat ini. Untuk menambah pengetahuan kita, sekarang saya akan membahas sekilas mengenai microprocessor ini. Pengertian Microprocessor adalah sebuah komponen rangkaian elektronik terpadu yang terdiri dari rangkaian aritmatik, logik dan kontrol yang diperlukan untuk menjalankan fungsi-fungsi sebuah CPU (Central Processing Unit) dari sebuah komputer digital. Rangkaian elektronika terpadu tersebut dapat menerjemahkan dan menjalankan instruksi dari sebuah program serta menangani operasi aritmatik. Microprocessor dikembangkan pada akhir tahun 1970 sebagai hasil dari teknologi LSI (Large Scale Integration), suatu rangkaian elektronik terpadu yang memungkinkan menggabungkan ribuan transistor, dioda, dan resistor pada sebuah chip silikon sebesar 5 mm persegi. Pada awal tahun 1980 teknologi VLSI (Very Large Scale Integration) berkembang sangat pesat dan digunakan sebagai rangkaian elektronik dalam sebuah microprocessor, yang mampu menggabungkan ratusan ribu komponen elektronik dalam sebuah chip yang mempunyai ukuran sama dengan chip LSI. Dengan semakin berkembangnya teknologi pembuatan microprocessor dan semakin murahnya biaya produksi yang digunakan, memungkinkan para insinyur komputer untuk mengembangkan microcomputer. Komputer semacam ini mempunyai ukuran yang lebih kecil daripada televisi portabel tetapi mempunyai kemampuan hitung yang cukup baik untuk dipakai dalam bisnis, industri dan ilmu pengetahuan. Microprocessor tersebut juga memungkinkan pengembangan produk-produk seperti intelligent-terminal, automatic teller machine dan point of sale terminal yagn biasa dipakai di toko-toko retail. Microprocessor juga banyak digunakan ebagai rangkaian kontrol dalam industri robot, alat-alat penelitian, dan peralatan-peralatan rumah sakit. Kemajuan teknologi tersebut juga memungkinkan microprocessor dipakai untuk produk-produk konsumen seperti: programmable microwave oven, televisi, game-game elektronik dan juga dalam bidang-bidang otomotif. 

Bagian terpenting dari prosesor terbagi menjadi 3 yaitu :

1. Aritcmatics Logical Unit (ALU), adalah alat yang melakukan pelaksanaan dasar seperti pelaksanaan aritmatika (tambahan, pengurangan, dan semacamnya), pelaksanaan logis (AND, OR, NOT), dan pelaksanaan perbandingan (misalnya, membandingkan isi sebanyak dua slot untuk kesetaraan). Pada unit inilah dilakukan "kerja" yang nyata;
2. Control Unit (CU), merupakan suatu alat pengontrolan yang berada dalam komputer yang memberitahukan unit masukan mengenai jenis data, waktu pemasukan, dan tempat penyimpanan didalam primary storage. Control unit juga bertugas memberitahukan kepada arithmatic logic unit mengenai operasi yang harus dilakukan, tempat data diperoleh, dan letak hasil ditempatkan Perangkat-perangkat alat proses bersertaperlengkapan;
3. Memory Unit (MU), merupakan bagian dari processor yang menyimpan alamat-alamat register data yang diolah oleh ALU dan CU.

Jenis-jenis Processor:

• Socket, yaitu berbentuk kotak persegi yang terdapat pin (kaki) konektor;
• Slot, yaitu berbentuk batangan yang ditancapkan pada port yang khusus disediakan untuk processor model slot. Pada umumnya processor jenis slot banyak ditemukan untuk komputer Pentium II dan Pentium III.

Berikut ini adalah gambar mengenai evolusi Microprocessor dari tahun ke tahun.

Arsitektur komputer 

Arsitektur Komputer merupakan 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).

Ada sejumlah tingkatan dalam konstruksi dan organisasi sistem komputer. Perbedaan paling sederhana diantara tingkatan tersebut adalah perbedaan antara hardware dan software.

Tingkatan Dasar Arsitektur Komputer

Pada tingkatan ini Hardware sebagai tingkatan komputer yang paling bawah dan paling dasar, dimana pada hardware ini “layer” software ditambahkan. Software tersebut berada di atas hardware, menggunakannya dan mengontrolnya. Hardarwe ini mendukung software dengan memberikan atau menyediakan operasi yang diperlukan software.

Multilayerd Machine

Tingkatan dasar arsitektur komputer kemudian dikembangkan dengan memandang sistem komputer keseluruhan sebagai “multilayered machine” yang terdiri dari beberapa layer software di atas beberapa layer hardware.

1.              CPU (Central processing Unit), yang mengendalikan semua unit sistem komputer yang lain dan mengubah input menjadi output.

• Primary storage (penyimpanan primer), berisi data yang sedang diolah dan program
• Control unit (unit pengendalian), membuat semua unit bekerja sama sebagai suatu sistem
• Aritmatika and logical Unit, tempat berlangsungnya operasi perhitungan matematika dan logika

2.              Unit Input merupakan peralatan yang dapat digunakan untuk menerima data yang akan diolah ke dalam komputer dan berfungsi untuk memasukkan data ke dalam primary storage. Perangkat ini yang digunakan oleh pengguna untuk melakukan interaksi dengan komputer agar komputer melaksanakan perintah yang diberikan oleh penggunanya. Prinsip kerja yang dilakukan perangkat input adalah merubah perintah yang dapat dipahami oleh manusia kepada bentuk yang dipahami oleh komputer (machine readable form), ini berarti mengubahkan perintah dalam bentuk yang dipahami oleh manusia kepada data yang dimengerti oleh komputer yaitu dengan kode-kode binary (binary encoded information).

3.             Secondary storage (penyimpanan sekunder) menyediakan tempat untuk menyimpan program dan data saat tidak digunakan. Penyimpanan sekunder (juga dikenal sebagai memori eksternal atau penyimpanan tambahan), berbeda dari penyimpanan utama dalam hal itu tidak langsung dapat diakses oleh CPU. Komputer biasanya menggunakan input / saluran output untuk mengakses penyimpanan sekunder dan transfer data yang diinginkan dengan menggunakan daerah menengah dalam penyimpanan utama. Penyimpanan sekunder tidak kehilangan data bila perangkat dimatikan-itu adalah non-volatile. Per unit, itu biasanya juga dua lipat lebih murah dari penyimpanan utama. Akibatnya, sistem komputer modern biasanya memiliki dua perintah besarnya lebih penyimpanan sekunder dari penyimpanan primer dan data disimpan untuk waktu yang lebih lama disana.

4.             Unit Output adalah perangkat keras komputer yang berfungsi untuk menampilkan keluaran sebagai hasil pengolahan data. Keluaran dapat berupa hard-copy (ke kertas), soft-copy (ke monitor), ataupun berupa suara.

Output yang dihasilkan dari pemroses dapat digolongkan menjadi empat bentuk, yaitu tulisan (huruf, angka, simbol khusus), image (dalam bentuk grafik atau gambar), suara, dan bentuk lain yang dapat dibaca oleh mesin (machine-readable form). Tiga golongan pertama adalah output yang dapat digunakan langsung oleh manusia, sedangkan golongan terakhir biasanya digunakan sebagai input untuk proses selanjutnya dari komputer. Peralatan output dapat berupa:

• Hard-copy device, yaitu alat yang digunakan untuk mencetak tulisan dan image pada media keras seperti kertas atau film.
• Soft-copy device, yaitu alat yang digunakan untuk menampilkan tulisan dan imagepada media lunak yang berupa sinyal elektronik.
• Drive device atau driver, yaitu alat yang digunakan untuk merekam simbol dalam bentuk yang hanya dapat dibaca oleh mesin pada media seperti magnetic disk atau magnetic tape. Alat ini berfungsi ganda, sebagai alat output dan juga sebagai alat input.

Desain CPU

Otak sebuah komputer berada pada unit pemrosesan (Process device). Unit pemrosesan ini dinamakan CPU ( Central Processing Unit ). Fungsi CPU adalah sebagai pemroses dan pengolah data yang selanjutnya dapat menghasilkan suatu informasi yang diperlukan. Pada komputer mikro unit pemrosesan ini disebut dengan micro-processor (pemroses mikro) atau processor yang berbentuk chip yang terdiri dari ribuan sampai jutaan IC. Fungsi utama dari CPU bekerja dengan aritmatika dan logika terhadap data yang terdapat dalam memori atau yang dimasukkan melalui unit masukkan seperti keyboard, scanner, atau joystick.

CPU terdiri dari beberapa bagian utama, yaitu :
1.    ALU ( Arithmetical Logical Unit )
Fungsi unit ini adalah untuk melakukan suatu proses data yang berbentuk angka dan logika, seperti data matematika dan statistika. ALU terdiri dari registerregister untuk menyimpan informasi. Tugas utama dari ALU adalah melakukan perhitungan aritmatika (matematika) yang terjadi sesuai dengan instruksi program. Sirkuit yang digunakan oleh ALU ini disebut dengan adder karena operasi yang dilakukan dengan dasar penjumlahan. Tugas lain dari ALU adalah melakukan keputusan dari operasi sesuai dengan instruksi program yaitu operasi logika (logical operation). Operasi logika meliputi perbandingan dua buah elemen logika dengan menggunakan operator logika, yaitu :

·         Sama dengan (=)

·         Tidak sama dengan ( <> )

·         Kurang dari ( < )

·         Kurang atau sama dengan dari ( <= )

·         Lebih besar dari ( > )

·         Lebih besar atau sama dengan dari ( >= )

2.    CU ( Control Unit )
Fungsi unit ini adalah untuk melakukan pengontrolan dan pengendalian terhadap suatu proses yang dilakukan sebelum data tersebut dikeluarkan (output). Selain itu CU menafsirkan perintah dan menghasilkan sinyal yang tepat untuk bagian lain dalam sistem komputer. Unit ini mengatur kapan alat input menerima data dan kapan data diolah serta kapan ditampilkan dari program komputer. Bila terdapat instruksi perhitungan atau logika maka unit ini akan mengirim instruksi tersebut ke ALU. Dengan demikian tugas dari Control Unit ini adalah :

·         Mengatur dan mengendalikan alat-alat input dan output

·         Mengambil instruksi-instruksi dari memori utama

·         Mengambil data dari memori utama (jika diperlukan) untuk diproses

·         Mengirim instruksi ke ALU bila ada perhitungan aritmatika atau perbandingan logika serta mengawasi kerja dari ALU

·         Menyimpan hasil proses ke memori utama

3.    Memori Unit 
sebagai media penyimpanan data yang akan di proses maupun yang sudah di proses.

Peralatan CPU terdiri dari :

1.       Processor/Microprocessor

Pada awal pembahasan kita sudah berkenalan dengan microprocessor. Alat ini berfungsi sebagai pengolah data, processor merupakan bagian yang sangat penting dalam komputer. Kehandalan suatu komputer dapat dilihat dari processor yang digunakannya, misalnya Processor : Intel Pentium 4, AMD, Centrino dan Core Duo dan Core to Duo. Semakin tinggi tingkatan processor-nya semakin baik fungsi komputer tersebut.

2.     Register Register merupakan jenis memori yang terdapat pada processor dan sebagai memori internal processor. Register merupakan memori yang mempunyai kecepatan tinggi 5 sampai 10 kali dibandingkan memori utama. Register digunakan untuk menyimpan instruksi dan data yang sedang diproses oleh CPU, sedang instruksi-instruksi dan data lainnya yang menunggu giliran untuk diproses masih disimpan di memori utama.

3.  Cache memoriMerupakan memori yang dapat meningkatkan kecepatan komputer dan dikatakan sebagai memori perantara dan letaknya berada di processor.

4.     ROM ( Read Only Memory)Memori dalam CPU berfungsi membantu proses kerja komputer. ROM adalah salah satu memori, mempunyai sifat hanya dapat dibaca dan tidak bisa diubah dan mempunyai sifat yang permanen atau tetap (non volatile). ROM mulai berfungsi saat menghidupkan komputer.Sebagian perintah ROM ini dipindakan juga ke dalam RAM berupa instruksi atau syntax-syntax. Misalnya, untuk melihat isi file dengan perintah DIR dan untuk mengecek kapasitas disket atau harddisk dengan CHKDSK, ROM bersifat tetap atau permanen bila terjadi mati listrik, file pada ROM tidak akan hilang. Letak ROM berada pada BIOS mainboard

5.    RAM ( Random Access Memory )Merupakan jenis jenis memori yang dapat dibaca, diisi, dan diubah menurut kebutuhan (volatile). RAM mempunyai sifat sementara. Sifat sementara ini maksudnya adalah jika terjadi mati listrik maka data yang berada dalam RAM akan hilang. Misalnya, Pada saat anda mengetik yang ketikan telah sampai dua lembar, tetapi belum disimpan hasilnya ke dalam disket atau harddisk, hasil ketikan Anda akan berada di dalam RAM. Bila terjadi mati listrik maka data yang ada di dalam RAM akan hilang. Letaknya terpasang pada Slot RAM

Konsep dasar dari CPU adalah sebagai berikut:

Tertanam dalam desain CPU adalah daftar operasi dasar dapat melakukan, yang disebut set intruksi. Operasi tersebut mungkin termasuk menambah atau mengurangkan dua angka, membandingkan angka, atau melompat ke bagian lain dari sebuah program. Masing-masing operasi dasar diwakili oleh urutan tertentu bit , urutan ini disebut opencode untuk itu operasi tertentu. Mengirim opcode tertentu ke CPU akan menyebabkan itu untuk melakukan operasi diwakili oleh opcode itu. Untuk mengeksekusi instruksi dalam sebuah program komputer, CPU menggunakan opcode instruksi untuk itu serta argumen (misalnya dua nomor yang akan ditambahkan, dalam kasus operasi penambahan). Sebuah program komputer karena itu urutan instruksi, dengan masing-masing instruksi termasuk opcode dan argumen bahwa operasi itu.

Operasi matematika sebenarnya untuk setiap instruksi dilakukan oleh subunit dari CPU yang dikenal sebagai unit logika aritmatika atau ALU. Selain menggunakan ALU untuk melakukan operasi, CPU juga bertanggung jawab untuk membaca instruksi berikutnya dari memori, membaca data yang dispesifikasikan dalam argumen dari memori, dan menulis hasil ke memori.

Dalam desain CPU banyak, satu set instruksi dengan jelas akan membedakan antara operasi yang memuat data dari memori, dan mereka yang melakukan matematika. Dalam hal ini data diambil dari memori disimpan dalam register , dan operasi matematika tidak mengambil argumen tetapi hanya melakukan matematika pada data dalam register dan menulis ke register yang baru, yang nilainya operasi terpisah maka dapat menulis ke memori.

Sumber :

Sumber 1

Sumber 2

Sumber 3