arsitektur komputer

4. Arsitektur Komputer

Perangkat keras merupakan perangkat elektronik yang menyusun bentuk fisik dari sebuah sistem komputer.
Pada awalnya komputer tersusun dari perangkat keras yang masih bekerja secara mekanis dengan digerakkan oleh mesin uap maupun tenaga manusia.
Beberapa contoh komputer mekanis adalah mesin diferensial dan mesin analitis buatan Charles Babbage (1792-1871).
Perangkat keras yang bekerja secara elektronik berhasil diciptakan pada masa Perang Dunia Kedua, dimana Inggris berhasil mengembangkan mesin komputer bernama COLOSSUS yang ditujukan untuk memecahkan kode ENIGMA milik Jerman.
Pada jaman modern saat ini, hampir semua komputer mengadopsi arsitektur yang dibuat oleh John von Neumann (1903-1957).
Kunci utama arsitektur von Neumann adalah unit pemrosesan sentral (CPU), yang memungkinkan seluruh fungsi komputer untuk dikoordinasikan melalui satu sumber tunggal.



Gambar 1 Arsitektur Komputer Von Neumann

Pada dasarnya komputer arsitektur Von Neumann adalah terdiri dari elemen sebagai berikut:
 Prosesor, merupakan pusat dari kontrol dan pemrosesan instruksi pada komputer.
 Memori, digunakan untuk menyimpan informasi baik program maupun data.
 Perangkat input-output, berfungsi sebagai media yang menangkap respon dari luar serta menyajikan informasi keluar sistem komputer.

Model kerja dari arsitektur dasar Von Neumann dapat dilihat pada Gambar 1. Pada gambar tersebut prosesor terdiri atas Unit Kontrol (CU) dan Unit Logika dan Aritmatik (ALU). Memori berfungsi sebagai tempat menyimpan instruksi yang sedang dijalankan oleh prosesor, lalu hasilnya dapat disajikan melalui perangkat input/output.

a. Prosesor atau Central Processing Unit (CPU)

CPU merupakan tempat untuk melakukan pemrosesan instruksi-instruksi dan pengendalian sistem komputer.
Perkembangan perangkat CPU mengikuti generasi dari sistem komputer.
Pada generasi pertama CPU terbuat dari rangkaian tabung vakum sehingga memiliki ukuran yang sangat besar.
Pada generasi kedua telah diciptakan transistor sehinga ukuran CPU menjadi lebih kecil dari sebelumnya.
Pada generasi ketiga CPU telah terbuat dari rangkaian IC sehingga ukurannya menjadi lebih kecil.
Pada generasi keempat telah diciptakan teknologi VLSI dan ULSI sehingga memungkinkan ribuan sampai jutaan transistor tersimpan dalam satu chip.



• Elemen CPU

Pada perkembangan komputer modern, setiap prosesor terdiri atas:
 Control Unit (CU).
 Arithmatic and Logic Unit (ALU).
 Register.
 Bus.

o Control Unit (CU).
Control Unit atau Unit Kontrol berfungsi untuk mengatur dan mengendalikan semua peralatan yang ada pada sistem komputer. Unit kendali akan mengatur kapan alat input menerima data dan kapan data diolah serta kapan ditampilkan pada alat output.
Unit ini juga mengartikan instruksi-instruksi dari program komputer, membawa data dari alat input ke memori utama, dan mengambil data dari memori utama untuk diolah.
Bila ada instruksi untuk perhitungan aritmatika atau perbandingan logika, maka unit kendali akan mengirim instruksi tersebut ke ALU. Hasil dari pengolahan data dibawa oleh unit kendali ke memori utama lagi untuk disimpan, dan pada saatnya akan disajikan ke alat output.

o Arithmatic and Logic Unit (ALU).
Arithmatic and Logic Unit atau Unit Aritmetika dan Logika berfungsi untuk melakukan semua perhitungan aritmatika (matematika) dan logika yang terjadi sesuai dengan instruksi program. ALU menjalankan operasi penambahan, pengurangan, dan operasi-operasi sederhana lainnya pada input-inputnya dan memberikan hasilnya pada register output.

o Register
Register merupakan alat penyimpanan kecil yang mempunyai kecepatan akses cukup tinggi, yang digunakan untuk menyimpan data dan instruksi yang sedang diproses, sementara data dan instruksi lainnya yang menunggu giliran untuk diproses masih disimpan di dalam memori utama. Setiap register dapat menyimpan satu bilangan hingga mencapai jumlah maksimum tertentu tergantung pada ukurannya. Register-register dapat dibaca dan ditulis dengan kecepatan tinggi karena berada pada CPU.



Beberapa jenis register adalah:

 Program Counter (PC), merupakan register yang menunjuk ke instruksi berikutnya yang harus diambil dan dijalankan.
 Instruction Register (IR), merupakan register yang menyimpan instruksi yang sedang dijalankan.
 General Purpose Register, merupakan register yang memiliki kegunaaan umum yang berhubungan dengan data yang diproses.
 Memory Data Register (MDR), merupakan register yang digunakan untuk menampung data atau instruksi hasil pengiriman dari memori utama ke CPU atau menampung data yang akan direkam ke memori utama dari hasil pengolahan oleh CPU.
 Memory address register (MAR), merupakan register yang digunakan untuk menampung alamat data atau instruksi pada memori utama yang akan diambil atau yang akan diletakkan.
 Sebagian besar komputer memiliki beberapa register lain, sebagian digunakan untuk tujuan umum, dan sebagian lainnya untuk tujuan khusus.

o Bus
Bus merupakan penghubung antara semua komponen CPU. Bus berupa sekumpulan kabel-kabel paralel untuk mentransmisikan alamat (address), data, dan sinyal-sinyal kontrol.

• Klasifikasi Prosesor

o Berdasarkan jenis mikroprosesor, dapat dibagi menjadi dua yaitu:
 Tipe Intel untuk Personal Computer (PC), diproduksi oleh Intel Corp., Advanced Micro Devices (AMD), Cyrix, DEC, dll.
 Tipe Motorola untuk komputer Macintosh, diproduksi oleh Motorola.

o Ukuran kecepatan prosesor adalah:
 Hertz, yaitu jumlah clock atau ketukan prosesor tiap satu detik. Untuk prosesor modern memakai satuan Megahertz atau Gigahertz.
 MIPS, singkatan dari Million Instruction Per Second, yaitu jumlah instruksi dalam juta tiap satu detik.
 Flops, singkatan dari Floating Point per Second, yaitu jumlah perhitungan floating point tiap satu detik. Floating point adalah metode untuk menuliskan bilangan dengan mantisa, contoh: 3 x 10-5.
 Fractions of a second, yaitu waktu eksekusi relatif dari suatu instruksi pada sistem komputer.

o Dalam desain mikroprosesor, terdapat dua jenis desain, yaitu:
 CISC (Complex instruction set computing chips), dapat menampung banyak instruksi yang kompleks.
 RISC (Reduced instruction set computing chips), dapat meringkas beberapa instruksi sehingga dapat mempercepat kerja prosesor.

o Jenis bus yang telah didukung oleh sistem komputer saat ini adalah:
 ISA, singkatan dari Industry Standard Architecture, merupakan jenis bus standar pertama yang digunakan industri. Bus ISA beroperasi pada kecepatan 8.33 MHz. Versi perkembangan dari ISA adalah EISA (Extended ISA).
 PCI, singkatan dari Peripheral Component Interconnect bus, merupakan jenis bus yang dikembangkan dan dipatenkan oleh Intel pada tahun 1990. Versi pertama PCI beroperasi pada kecepatan 33 MHz dengan bandwidth 133 MB/dtk. PCI 2.0 diperkenalkan tahun 1993 dan PCI 2.1 tahun 1995 dengan bandwidth 528 MB/dtk.
 AGP, singkatan dari Accelerator Graphic Port, merupakan bus hasil perkembangan dari PCI yang dikhususkan untuk pemrosesan data grafik dan video.
 USB, singkatan dari Universal Serial Bus, pada awalnya dikembangkan secara bersama-sama oleh tujuh perusahaan, yaitu Compaq, DEC, IBM, Intel, Microsoft, NEC, dan Northern Telecom. Saat ini USB telah menjadi standar yang digunakan secara luas dalam Personal Computer.

b. Memori

Memori adalah bagian dari komputer yang digunakan untuk menyimpan program atau instruksi dan data-data. Beberapa pakar komputer menggunakan istilah store atau storage untuk menamakan memori, meskipun kata storage sering digunakan untuk menamakan tempat penyimpanan disket. Peran memori sangat penting supaya program maupun data dapat disimpan pada sistem komputer, sehingga lebih memudahkan dalam pengoperasian komputer. Terdapat dua jenis memori dalam sistem komputer, yaitu memori utama dan memori sekunder.
• Memori Utama

Dalam sebuah sistem komputer, memori utama berfungsi untuk menyimpan program yang sedang atau akan dijalankan dalam prosesor. Untuk mengimbangi kinerja prosesor yang cenderung sangat cepat, kecepatan akses memori juga harus relatif cepat, meskipun tidak secepat prosesor. Setiap lokasi penyimpanan dalam memori ditunjukkan melalui sebuah alamat (address) dengan panjang sesuai ukuran memori, biasanya dalam bilangan heksadesimal. Besar kapasitas memori diukur dengan satuan bit atau byte. Satu alamat memori dapat menyimpan 8-32 bit bilangan biner tergantung dari jenis memori. Sebagian besar memori ini bersifat volatil atau data akan hilang jika aliran listrik berhenti kecuali flash memory.

o Random Access Memory (RAM)
Memori jenis ini memiliki karakteristik akses alamat secara acak untuk menyimpan data dan instruksi program. Struktur RAM terbagi menjadi empat bagian utama, yaitu:
 Input storage, digunakan untuk menampung input yang dimasukkan melalui alat input.
 Program storage, digunakan untuk menyimpan semua instruksi-instruksi program yang akan diakses.
 Working storage, digunakan untuk menyimpan data yang akan diolah dan hasil pengolahan.
 Output storage, digunakan untuk menampung hasil akhir dari pengolahan data yang akan ditampilkan ke alat output.
Beberapa jenis RAM antara lain:
 EDO-RAM
 SD-RAM
 RD-RAM
 DDR-RAM

o Read Only Memory (ROM)
Memori jenis ini hanya dapat dibaca saja sehingga program tidak dapat menulis dalam memori ini. Biasanya memori jenis ini sudah terisi dari pabriknya berisi program-program ataupun data. Biasanya program berupa sistem operasi ataupun program bios untuk sebuah sistem komputer yang spesifik.
Beberapa jenis ROM adalah:
 ROM (Read Only Memory), merupakan memori yang benar-benar tidak dapat dihapus lagi.
 PROM (Programmable Read Only Memory), merupakan memori yang dapat diprogram selanjutnya tidak dapat dihapus lagi.
 EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), merupakan memori yang dapat dihapus dengan sinar ultraviolet dan dapat diprogram berulang-ulang.
 EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), merupakan memori yang dapat dihapus secara elektronik dan dapat diprogram berulang-ulang.

o Cache Memory
Cache memory digunakan untuk tujuan mengatasi perbedaan kecepatan antara prosesor dan memori. Sebagian besar produsen memori hanya berkonsentrasi untuk meningkatkan kapasitasnya saja, sehingga dalam hal kecepatan semakin tertinggal jauh dengan prosesor. Cache memory mengatasi hal ini karena memiliki kecepatan yang sangat tinggi dan biasanya tertanam dalam prosesor. Beberapa instruksi yang sering digunakan akan tersimpan dalam cache, sehingga dapat mempercepat pemrosesan instruksi, karena prosesor tidak perlu menunggu terlalu lama reaksi dari memori konvensional. Cache Memory memiliki dua level, yaitu:
 Level 1 (L1) cache, merupakan bagian dari mikroprosesor menjadi satu kemasan dengan unit prosesor yang lain. L1 dapat disebut juga internal cache.
 Level 2 (L2) cache, berada di luar kemasan mikroprosesor. L2 dapat disebut juga external cache.

• Memori Sekunder
Dalam sebuah sistem komputer, memori sekunder berfungsi untuk menyimpan program maupun data dalam bentuk file dalam ukuran yang cukup besar. Karena sifatnya yang non-volatile, data dan program dapat disimpan secara permanen meskipun mesin sedang dimatikan. Memori sekunder dapat melakukan proses penulisan, pembacaan, dan penghapusan data.

o Floppy Disk
Floppy Disk merupakan media penyimpanan eksternal yang bersifat mobile atau dapat dipindah-pindahkan ke tiap komputer. Bentuk fisik floppy disk adalah berbentuk piringan magnetik dan untuk mengoperasikan floppy disk diperlukan sebuah disk drive. Kecepatan operasi floppy disk juga tergolong rendah. Beberapa jenis floppy disk adalah:
 5.25 inci floppy disk yang mempunyai kapasitas 360 Kbytes untuk tipe Double Density (DD) dan 1.2 Mbytes untuk tipe High Density (HD).
 3.5 inci floppty disk yang mempunyai kapasitas 720 Kbytes untuk DD dan 1.44 Mbytes untuk HD.
 Zip Disk terbuat dari bahan plastik dan memiliki kapasitas 100 sampai 250 Mbytes.
 Superdisk terbuat dari piringan magnetik dengan kapasitas 120 Mbytes dan dan dapat membaca floppy ukuran 1.44 MBytes.
 HiFD (High Floppy Disk) terbuat dari piringan magnetik dengan kapasitas 200 Mbytes dan dan dapat membaca floppy ukuran 1.44 MBytes.

o Hard Disk
Hard disk merupakan media penyimpanan eksternal yang dikhususkan untuk penggunakan tidak mobile atau tidak dapat dipindah-pindahkan. Hard disk dapat disebut juga sebagai fixed disk yang berarti hanya dapat digunakan hanya untuk satu sistem komputer. Kapasitas hard disk jauh lebih besar jika dibandingkan dengan media penyimpanan lain dimana ukurannya mulai ukuran Mbytes sampai Gbytes. Kecepatan operasi hard disk relatif lebih cepat dibandingkan dengan floppy. Ukuran kecepatan sebuah hard disk tergantung dari kecepatan maksimum bus dan kecepatan putar piringannya yang diukur dengan satuan RPM (Rotation Per Minute). Jenis bus yang dipakai untuk transfer data pada hard disk adalah:
 Ultra ATA (EIDE).
 SCSI.

Sebuah hard disk tersusun dari komponen-komponen sebagai berikut:
 Piringan Logam (Platter).
 Head yang digunakan untuk proses membaca, menulis, dan menghapus bit pada piringan.
 Rangkaian Elektronik.
 Rangkaian Penguat.
 Digital Signal Processor (DSP).
 Chip Memory.
 Konektor.
 Spindle.
 Actuator Motor Arm Controller.

o Optical Disk
Media penyimpanan optical disk mulai diperkenalkan pada tahun 1983 dengan nama Digital Audio Compact Disc. Sejak saat itu mulai banyak digunakan media penyimpanan jenis ini dan perkembangannya sangat pesat. Saat ini terdapat dua jenis optical disk, yaitu:

 Compact Disc (CD)
CD terbuat dari resin (polycarbonate) dan dilapisi permukaan yang sangat reflektif seperti alumunium. Informasi direkam secara digital sebagai lubang-lubang mikroskopis pada permukaan yang reflektif. Proses ini dilakukan dengan menggunakan laser yang berintensitas tinggi. Permukaan yang berlubang ini kemudian dilapisi oleh lapisan bening.
Informasi dibaca dengan menggunakan laser berintensitas rendah yang menyinari lapisan bening tersebut sementara motor memutar disk. Intensitas laser tersebut berubah setelah mengenai lubang-lubang tersebut kemudian terefleksikan dan dideteksi oleh fotosensor yang kemudian dikonversi menjadi data digital.
Kapasitas sebuah CD mulai dari 650 Mbytes sampai 800 Mbytes. Beberapa jenis Compact Disc adalah:
 CD-ROM (Compact Disc – Read Only Memory), hanya dapat dibaca saja.
 CD-R (Compact Disc – Can Read), dapat ditulis hanya sekali selanjutnya hanya dapat dibaca saja.
 CD-RW (Compact Disc – Can Read Write), dapat ditulis beberapa kali setelah diformat dahulu.

 Digital Video Disc (DVD)
DVD merupakan generasi lebih lanjut dari model optical disk. DVD memiliki kapasitas jauh lebih besar dari jenis CD yaitu dapat menampung data sampai dengan 6 Gbyte. Karena kapasitasnya yang sangat besar ini, DVD digunakan untuk menyimpan sebuah film dengan kualitas gambar dan suara yang sangat baik. Beberapa jenis DVD adalah:
 DVD-ROM (Digital Video Disc – Read Only Memory), hanya dapat dibaca saja.
 DVD-R (Digital Video Disc – Can Read) , dapat ditulis hanya sekali selanjutnya hanya dapat dibaca saja.
 DVD-RW (Digital Video Disc – Can Read Write) dan DVD-RAM, dapat ditulis beberapa kali.


o Magnetic Tape
Magnetic tape merupakan media penyimpanan yang digunakan pada awal munculnya komputer. Magnetic tape tersusun atas sebuah pita magnetik dan sebuah alat pembaca pita tersebut agar dapat dikenali oleh sistem komputer. Saat ini magnetic tape sudah sangat jarang digunakan.

o Smart Card
Smart Card merupakan sistem komputer dengan ukuran kartu nama. Kemampuan komputasi dan kapasitas memori sistem ini sangat terbatas sehingga optimasi merupakan hal yang paling memerlukan perhatian. Umumnya, sistem ini digunakan untuk menyimpan informasi rahasia untuk mengakses sistem lain. Umpamanya, telepon seluler, kartu pengenal, kartu bank, kartu kredit, sistem wireless, uang elektronis, dst. Dewasa ini smart card dilengkapi dengan prosesor 8 bit (5 MHz), 24 kB ROM, 16 kB EEPROM, dan 1 kB RAM. Namun kemampuan ini meningkat drastis dari waktu ke waktu.

o Flash Memory
Flash memory merupakan jenis memori utama yang bersifat non-volatile dimana data maupun instruksi dapat disimpan secara permanen meskipun aliran listrik terputus. Jenis memori ini bisa berupa memori eksternal, sehingga dapat dipindahkan ke sistem komputer yang lain. Saat ini sudah banyak beredar jenis flash memory yang memiliki ukuran sangat besar sehingga bisa menyimpan banyak file.

o Online Storage
Online storage merupakan tempat penyimpanan berbasis jaringan komputer, dimana dari sebuah komputer bisa menyimpan data di tempat lain. Biasanya terdapat beberapa file server yang menyediakan tempat untuk penyimpanan file maupun data melalui jaringan komputer.