Organisasi dan Arsitektur Komputer

Pengertian Organisasi dan Arsitektur Komputer

13 Januari 2024 | Oleh: Ahsan Ansharullah

Arsitektur komputer dan Organisasi komputer merupakan dua hal yang penting dalam dunia teknologi komputer. Arsitektur Komputer merujuk pada struktur dasar dari sistem komputer yang melibatkan perangkat keras atau hardware dan perangkat lunak atau software yang bekerja sama untuk menjalankan instruksi dan memproses data, yang mana meliputi desain Central Processing Unit (CPU), penyimpanan atau memori, sistem input-output, bus komunikasi, dan set instruksi CPU.

Sedangkan organisasi komputer merupakan konsep yang lebih mendalam detail teknis mengenai bagaimana perangkat keras komputer diterapkan. Hal ini termasuk mengenai bagaimana CPU berkomunikasi dengan memori, bagaimana data disimpan dan diakses, serta bagaimana instruksi dieksekusi secara nyata. Organisasi komputer mencakup penyusunan, koneksi, dan aliran data antar komponen perangkat keras seperti ALU (Arithmetic Logic Unit), register, bus, dan lain-lain.

Dalam hal ini dapat diberikan kesimpulan secara ringkas, bahwa arsitektur komputer lebih menekankan fokus pada konsep dan prinsp dasar yang mengatur operasi komputer secara umum. Sementara, organisasi komputer membantu mendefinisikan cara hardware (secara fisik) dimanipulasi untuk mendukung arsitektur yang telah dirancang. Kedua konsep ini sangatlah penting dalam pengembangan sistem komputer, karena arsitektur komputer didefinisikan sebagai kerangka kerja umum yang harus diikuti oleh organisasi komputer saat membangun dan merancang perangkat keras komputer yang nyata.

Arsitektur CPU Modern

13 Januari 2024 | Oleh: Ahsan Ansharullah

Arsitektur CPU modern merupakan hasil evolusi panjang dalam desain prosesor yang menggabungkan berbagai teknologi canggih untuk mengoptimalkan kinerja dan efisiensi komputasi. Salah satu konsep fundamental dalam desain CPU adalah mikroarsitektur, yang mengimplementasikan arsitektur set instruksi (ISA) melalui serangkaian tahap pemrosesan yang dikenal sebagai pipeline.

Pipeline Processing

Pipeline processing adalah teknik yang memungkinkan CPU untuk memproses beberapa instruksi secara bersamaan dalam tahapan yang berbeda. Proses ini terdiri dari beberapa tahap:

Instruction Fetch (IF): Mengambil instruksi dari memori
Instruction Decode (ID): Mendekode instruksi yang diambil
Execute (EX): Melaksanakan operasi yang diperlukan
Memory Access (MEM): Mengakses memori jika diperlukan
Write Back (WB): Menulis hasil kembali ke register

Branch Prediction

Branch prediction adalah teknologi yang memungkinkan CPU untuk memprediksi hasil dari instruksi percabangan sebelum benar-benar dieksekusi. Teknologi ini sangat penting untuk mempertahankan efisiensi pipeline. Selain itu, eksekusi spekulatif digunakan untuk mengeksekusi instruksi sebelum kepastian jalur ditentukan, meningkatkan efisiensi namun dengan risiko eksekusi yang harus dibatalkan jika prediksi salah. Cabang dalam program terjadi ketika CPU harus mengambil keputusan berdasarkan kondisi tertentu, misalnya dalam pernyataan "if-else" atau "loop". Instruksi bercabang dapat memperlambat pipeline CPU, karena keputusan cabang sering kali memerlukan waktu untuk diproses.

Komponen Penting dalam Branch Prediction

Branch Predictor: Komponen utama yang memprediksi hasil cabang.
Branch History Table (BHT): Sebuah tabel yang menyimpan pola eksekusi cabang sebelumnya. CPU menggunakan data ini untuk membuat prediksi.
Return Address Stack (RAS): Digunakan untuk memprediksi target pengembalian dari fungsi yang dipanggil, meningkatkan akurasi untuk instruksi panggilan fungsi.

Hirarki Memori

13 Januari 2024 | Oleh: Ahsan Ansharullah

Hirarki memori adalah struktur yang mengorganisir berbagai jenis memori dalam sistem komputer berdasarkan kecepatan akses, kapasitas, dan biaya. Tujuan utama dari hierarki ini adalah untuk mencapai keseimbangan optimal antara kinerja dan biaya, memastikan bahwa data yang sering diakses tersedia dengan cepat bagi prosesor.

Level Hirarki Memori

Register CPU: Memori tercepat, kapasitas sangat terbatas, Terletak di dalam prosesor, digunakan untuk menyimpan data sementara yang sedang diproses.
Cache L1: Cache level pertama, sangat cepat
Cache L2 & L3: Cache level lebih tinggi dengan kapasitas lebih besar
RAM (Random Access Memory): Memori utama sistem, memiliki kapasitas lebih besar dibandingkan cache dan register, namun dengan kecepatan akses yang lebih lambat. RAM digunakan untuk menyimpan data dan instruksi program yang sedang berjalan.
Storage (SSD/HDD): Penyimpanan massal, memori ini menawarkan kapasitas penyimpanan yang sangat besar dengan kecepatan akses yang lebih lambat, digunakan untuk penyimpanan data jangka panjang.
Memori Tersier: Meliputi media seperti tape drive atau optical disk, yang digunakan untuk arsip data atau backup dengan kecepatan akses yang paling lambat dan biaya per bit yang rendah.

Prinsip Lokalitas

Hirarki memori didesain berdasarkan prinsip lokalitas yang terdiri dari:

Temporal Locality: Data yang baru diakses kemungkinan akan diakses kembali
Spatial Locality: Data di sekitar lokasi yang diakses kemungkinan akan diakses

Pentingnya Hierarki Memori dalam Kinerja Sistem

Pengaturan hierarki memori yang efektif dapat meningkatkan kinerja sistem komputer secara signifikan. Dengan memastikan bahwa data yang sering digunakan tersedia di tingkat memori yang lebih cepat, waktu akses dapat diminimalkan, sehingga prosesor dapat bekerja lebih efisien tanpa penundaan yang disebabkan oleh lambatnya akses memori. Dalam perkembangan teknologi komputer, desain hierarki memori terus disempurnakan untuk menyesuaikan dengan kebutuhan komputasi modern, termasuk integrasi dengan bahasa pemrograman yang aman terhadap memori dan pengelolaan otomatis. Dengan memahami dan mengimplementasikan hierarki memori secara optimal, sistem komputer dapat mencapai keseimbangan antara kecepatan, kapasitas, dan biaya, yang pada akhirnya meningkatkan kinerja dan efisiensi secara keseluruhan.

Instruction Set Architecture (ISA)

13 Januari 2024 | Oleh: Ahsan Ansharullah

Instruction Set Architecture (ISA) adalah antarmuka antara hardware dan software yang mendefinisikan semua instruksi yang dapat dieksekusi oleh prosesor, format data, mode pengalamatan, dan perilaku aritmetika serta logika. Dengan demikian, ISA berperan sebagai jembatan antara perangkat lunak dan perangkat keras, memungkinkan pengembangan perangkat lunak yang kompatibel dengan berbagai implementasi perangkat keras.

Jenis ISA

CISC (Complex Instruction Set Computing) : Menawarkan kumpulan instruksi yang kaya dan kompleks, memungkinkan satu instruksi melakukan tugas yang rumit. Pendekatan ini bertujuan mengurangi jumlah instruksi per program, namun dapat meningkatkan kompleksitas decoding instruksi.
RISC (Reduced Instruction Set Computing) : Menekankan pada kumpulan instruksi yang sederhana dan efisien, dengan tujuan meningkatkan kecepatan eksekusi instruksi. Pendekatan ini memungkinkan pipeline prosesor yang lebih dalam dan eksekusi instruksi yang lebih cepat.
MISC (Minimal Instruction Set Computing) : pendekatan arsitektur komputer yang dirancang dengan jumlah instruksi minimal dalam set instruksinya. Filosofi utama MISC adalah memanfaatkan instruksi yang sederhana dan sedikit, sehingga prosesor dapat bekerja dengan lebih efisien.
VLIW (Very Long Instruction Word) : pendekatan desain arsitektur CPU yang lebih kompleks yang memungkinkan pemrosesan beberapa instruksi dalam satu siklus. Dalam arsitektur VLIW, instruksi terdiri dari "kata instruksi panjang" yang berisi beberapa operasi yang dapat dieksekusi secara paralel.

Komponen ISA

ISA mencakup beberapa aspek penting seperti:

Format instruksi dan encoding : Menetapkan panjang dan struktur biner dari setiap instruksi, termasuk opcode dan operand. Format ini mempengaruhi kompleksitas decoding instruksi dan efisiensi eksekusi.
Mode pengalamatan (Addressing Modes): Menentukan cara instruksi mengakses operand atau data, seperti pengalamatan langsung, tidak langsung, atau berbasis register. Mode pengalamatan yang fleksibel memungkinkan akses data yang lebih efisien dan beragam.
Tipe data yang didukung : Menetapkan jenis data yang didukung oleh instruksi, seperti bilangan bulat, floating-point, atau karakter. Dukungan terhadap berbagai tipe data memungkinkan prosesor menangani berbagai aplikasi dengan kebutuhan komputasi yang berbeda.
Register yang tersedia
Manajemen memori

Peran Instruction Set Architecture (ISA) dalam Kinerja Sistem

Desain ISA memiliki dampak signifikan terhadap kinerja, efisiensi energi, dan kompatibilitas sistem. ISA yang dirancang dengan baik memungkinkan implementasi perangkat keras yang efisien dan pengembangan perangkat lunak yang optimal. Selain itu, ISA yang stabil dan konsisten memastikan kompatibilitas perangkat lunak lintas generasi perangkat keras, memfasilitasi ekosistem pengembangan yang berkelanjutan.

Tentang Penulis

Seorang Mahasiswa yang sedang mengerjakan sebuah Website menggunakan blogger guna menyelesaikan tugas dari Mata Kuliah Organisasi dan Arsitektur Komputer

Ahsan Ansharullah