Struktur dan Cara Kerja CPU

Presentasi berjudul: "Struktur dan Cara Kerja CPU"— Transcript presentasi:

1 Struktur dan Cara Kerja CPU
Organisasi dan Arsitektur Komputer Teknik Informatika Universitas Muhammadiyah Malang 2014/2015

2 A Top-Level View of Computer
CPU ? System InterConection Main Memory I/O Pada TOP level, Komputer terdiri dari CPU, memori,dan komponen-komponen I/O, dengan satu modul atau lebih pada masing-masing jenisnya. Komponen-komponen diinterkoneksikan dengan suatu cara agar memperoleh fungsi dasar computer yaitu untuk mengeksekusi program.

3 Central Processing Unit (CPU)
CPU (Central Processing Unit) adalah otak atau sumber dari komputer yang mengatur dan memproses seluruh kerja komputer. CPU adalah prosesor mikro yang terbuat dari jutaan transistor microscopic dalam suatu circuit pada suatu chip.

4 Bentuk Fisik CPU

5 Bentuk Fisik CPU Zoom Into a Microchip (Narrated) : What's inside a microchip :

6 Komponen Utama CPU

7 Arithmetic and Logic Unit (ALU)
Melakukan perhitungan/operasi aritmatika dan logika berdasar instruksi yang ditentukan. ALU sering di sebut mesin bahasa (Language Machine). ALU merupakan unit dasar dari pengolah data dan eksekusi instruksi. ALU terdiri dari dua bagian, 1) unit operasi aritmatika yaitu melakukan perhitungan matematika, seperti : penambahan, pengurangan, dll. 2) unit operasi logika yaitu :  membandingkan dua operand dengan operator logika tertentu.

8 Control Unit Semua kegiatan/aktivitas komputer dilaksanakan sesuai dengan instruksi yang diterima oleh Control Unit. Tugas dari control unit ini : 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.

9 Registers  Tempat penyimpanan sementara (temporary storage) yang ada di prosesor (bukan di memori utama). Registers mempunyai kecepatan akses cukup tinggi, yang digunakan untuk menyimpan data dan/atau instruksi yang sedang diproses ataupun data untuk pengolahan selanjutnya.

10 CPU Interconnection 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.

11 Fungsi Utama CPU menjalankan program-program yang disimpan di memori utama. Hal ini dilakukan dengan cara mengambil instruksi-instruksi dari memori utama dan mengeksekusinya satu persatu sesuai dengan alur perintah.

12 Siklus Intruksi Seluruh proses diatur oleh Control Unit dan bekerja sama dengan ALU dan memory. 1. Fetch Tahap pengambilan (membaca) instruksi dari memory. 2. Decode Tahap menterjemahkan instruksi ke dalam perintah – perintah yang dapat dimengerti oleh komputer. 3. Execute Menjalankan (mengeksekusi) aksi (action) dari instruksi yang diterima. 4. Store Penyimpanan hasil proses ke memory.

13 Siklus Fetch cycle-Execute cycle
Fetch cycle : meliputi fetch dan decode Execute cycle : meliputi execute dan store

14 Siklus Fetch cycle-Execute cycle
Pertama CPU akan membaca instruksi dari memori utama (Fetch). Ketika CPU membaca sebuah instruksi, sebuah register yang disebut Program Counter (PC) akan di-increment untuk menunjuk alamat dari instruksi berikutnya yang akan dieksekusi. lalu instruksi-instruksi yang dibaca tersebut akan disimpan dalam suatu register yang disebut register instruksi (instruction register/IR). CPU akan melakukan interpretasi terhadap instruksi yang disimpan dalam bentuk kode biner (decode), dan melakukan aksi yang sesuai dengan instruksi tersebut (Execute). Selanjutnya menyimpan hasil eksekusi kedalam memory (store).

15 Program Counter Nama lainnya adalah Instruction Pointer, merupakan suatu pointer (penunjuk), bagi sejumlah instruksi yang ditempatkan di dalam memori dan akan dieksekusi oleh CPU. Terletak di dalam CPU, program counter akan menunjuk alamat memori dari instruksi sebelum dilakukan proses fetch ke dalam CPU. Isi dari program counter ini akan di increment setiap selesai melakukan proses fetching instruksi, untuk menunjuk instruksi berikutnya yang akan dieksekusi

16 Instruction Register Instruction Register (IR) ini terletak di dalam CPU. IR ini bertanggung jawab untuk menyimpan instruksi yang akan dieksekusi oleh CPU.

17 Cara Kerja CPU Saat data dan/atau instruksi dimasukkan ke processing-devices, pertama sekali diletakkan di RAM (melalui Input-storage); apabila berbentuk instruksi ditampung oleh Control Unit di Program-storage, namun apabila berbentuk data ditampung di Working-storage). Jika register siap untuk menerima pengerjaan eksekusi, maka Control Unit akan mengambil instruksi dari Program-storage untuk ditampungkan ke Instruction Register, sedangkan alamat memori yang berisikan instruksi tersebut ditampung di Program Counter. Sedangkan data diambil oleh Control Unit dari Working-storage untuk ditampung di General-purpose register. Jika berdasar instruksi pengerjaan yang dilakukan adalah arithmatika dan logika, maka ALU akan mengambil alih operasi untuk mengerjakan berdasar instruksi yang ditetapkan. Hasilnya ditampung di Accumulator. Apabila hasil pengolahan telah selesai, maka Control Unit akan mengambil hasil pengolahan di Accumulator untuk ditampung kembali ke Working-storage. Jika pengerjaan keseluruhan telah selesai, maka Control Unit akan menjemput hasil pengolahan dari Working-storage untuk ditampung ke Output-storage.

18 Latihan Gambarkan alur proses ketika terdapat instruksi compare ( A > B ) dalam main memory. Sebutkan komponen mana saja dalam CPU yang terlibat dalam pengerjaan instruksi tersebut simpan hasilnya di main memory. Misal : A = 4, B = 5

19 Outline Bus Register interupt Arsitektur dan desain Front side bus
Expansion bus Speed/bandwith Register interupt

20 Bus Bus merupakan lintasan komunikasi yang menghubungkan dua atau lebih komponen-komponen komputer. Banyaknya bus yang terdapat dalam sistem, tergantung dari arsitektur sistem komputer yang digunakan.

21 Arsitektur BUS Interkoneksi BUS

22 Bus System Sebuah bus yang menghubungkan komponen-komponen utama komputer disebut sebagai Bus System (Front Side Bus). Merupakan bi-directional : data dapat mengalir dua arah, memungkinkan komponen untuk mengirim dan menerima data dari CPU. Front Side Bus berkomunikasi dengan komponen melalui chipset komputer. Chipset/bridge terdiri dari dua prosesor, yang dikenal sebagai Northbridge dan Southbridge. 

23

24 Bus System Bus System dapat dibedakan atas: 1. Data Bus ( Saluran Data ) 2. Address Bus ( Saluran Alamat ) 3. Control Bus ( Saluran Kendali )

25 Data Bus Data bus adalah jalur-jalur perpindahan data antarmodul dalam sistem komputer. Biasanya terdiri dari 8, 16 , 32 atau 64 jalur data yang paralel. Karena pada suatu saat tertentu masing-masing saluran hanya dapat membawa 1 bit data, maka jumlah saluran menentukan jumlah bit yang dapat ditransfer pada suatu saat. Lebar data bus ini menentukan kinerja sistem secara keseluruhan. Sifatnya bidirectional, misalnya CPU dapat membaca dari memory atau port dan dapat juga mengirim ke memory atau port.

26 Address Bus Address Bus digunakan untuk menandakan alamat sumber atau tujuan data pada bus data. Pada jalur ini CPU akan mengirimkan alamat memory yang akan ditulis atau dibaca. Address Bus biasanya terdiri atas 16, 20, 24 atau 32 jalur paralel. Lebar Address Bus menentukan kapasitas memory maksimum sistem. Sebagai contoh bila CPU mempunyai Address Bus 20 bit maka CPU dapat mengalamatkan alamat (1 MB).

27 Control Bus Digunakan untuk mengontrol bus data, bus alamat dan seluruh modul yang ada. Karena bus data dan bus alamat digunakan oleh semua komponen maka diperlukan suatu mekanisme kerja yang dikontrol melalui bus kontrol ini.

28 Control Bus Control Bus terdiri dari 4 sampai 10 jalur paralel. CPU akan mengirimkan sinyal pada control bus ini bila akan meng-enable sebuah alamat yang ditunjuk, baik itu memory atau I/O port. Sinyal – sinyal kontrol terdiri atas : Sinyal pewaktuan adalah Sinyal pewaktuan menandakan validitas data dan alamat Sinyal–sinyal perintah adalah Sinyal perintah berfungsi membentuk suatu operasi

29 Control Bus Memory write  : Menyebabkan data pada bus akan dituliskan ke dalam lokasi alamat. Memory read   : Menyebabkan data dari lokasi alamat ditempatkan pada bus I/O Write             : Menyebabkan data pada bus di outputkan ke port I/O yang beralamat. I/O  Read            : Menyebabkan data dari port I/O yang beralamat ditempatkan pada bus. Transfer ACK     : Menunjukkan bahwa data telah diterima dari bus atau telah ditempatkan di bus. Interrupt Request   : Menandakan bahwa sebuah interrupt ditangguhkan. Interrupt ACK    : Memberitahukan bahwa interrupt yang ditangguhkan telah diketahui. Clock                : Digunakan untuk mensinkronkan operasi – operasi. Reset               : Menginisialisasi seluruh modul.

30 Kelemahan Bus Sistem Bila terlalu banyak modul atau perangkat dihubungkan pada bus maka akan terjadi penurunan kinerja. Faktor – faktor : Semakin besar delay propagasi untuk mengkoordinasikan penggunaan bus. Antrian penggunaan bus semakin panjang. Dimungkinkan habisnya kapasitas transfer bus sehingga memperlambat data. * Untuk mengatasi permasalahan tersebut maka dibuatlah beberapa arsitektur Bus dasar dengan tujuan untuk meningkatkan effisiensi sistem.

31 Teknologi Bus Sistem Ada 2 Jenis Teknologi Bus Sistem :
Traditional Bus : ISA-BUS 2. High Speed Bus : PCI-BUS

32 Traditional Bus (ISA-BUS)
Sifat-sifat : 1. Peripheral High-Speed (network, SCSI, Video, Graphic) dengan Peripheral Low- Speed dikoneksikan pada expansion bus yang sama, sehingga kinerja bus tidak optimal. 2. Beban Bus sistem sangat berat, shg kinerjanya lambat 3. Traditional Bus ini merupakan sistem bus tunggal (Single Bus system) yang populer diterapkan pada jenis IBM-PC : 8088, era tahun 80′an.

33

34 High Speed Bus Sifat-Sifat :
1. High Speed Bus , yaitu bus berkecepatan tinggi untuk koneksi peripheral berkecepatan tinggi : Video, Graphic , Network, SCSI 2. Expansion Bus , yaitu bus berkecepatan rendah untuk koneksi peripheral berkecepatan rendah , seperti: Modem, Fax , Serial 3. Beban Sistem Bus menjadi lebih ringan sehingga kinerjanya menjadi lebih cepat. 4. High Speed bus merupakan jenis bus ganda (multi bus)

35

36 Speed/Bandwith Bus speed adalah rasio kecepatan core yang menghubungkan dengan komponen seperti memori (RAM) dan chipset. Bandwith adalah jumlah data maksimum yang dapat dipindahkan dalam satuan waktu tertentu.Biasanya diukur dengan satuan byte Perdetik. Biasanya kecepatan ini dinyatakan dalam satuan MHz (Mega Hertz) berdasarkan frekuensi yang berjalan padanya. Misalkan, untuk 64 bit (8 byte) ukuran lebar bus yang bekerja pada Frekuensi FSB 100 MHz dan memiliki 4 transfer per siklus adalah : Bandwidth = 8Byte x 100MHz x 4/Cycle = 3200 MB/second.

37 Cara Kerja Sistem Bus Pada sistem komputer yang lebih maju, arsitektur komputernya  akan  lebih kompleks, sehingga untuk meningkatkan  performa, digunakan beberapa buah bus. Tiap bus merupakan jalur data antara beberapa device yang berbeda. Dengan cara ini RAM, Prosesor, GPU (VGA AGP) dihubungkan oleh bus utama berkecepatan tinggi yang lebih dikenal dengan nama FSB (Front Side Bus) . Sementara perangkat lain yang lebih lambat dihubungkan oleh bus yang berkecepatan lebih rendah yang terhubung dengan bus lain yang lebih cepat sampai ke bus utama. Untuk komunikasi antar bus ini digunakan sebuah bridge.

38 Jenis Bus Jenis bus dapat dibedakan atas : 1. Dedicated Merupakan metode di mana setiap bus ( saluran ) secara permanen diberi fungsi atau subset fisik komponen komputer. Sifat : Data Bus dan Address Bus memiliki Jalur terpisah Rancangan lebih mahal Kecepatan transfer data lebih tinggi 2. Time Multiplexed Merupakan metode penggunaan bus yang sama untuk berbagai keperluan,sehingga menghemat ruang dan biaya. Jalur Data dan Address dijadikan satuRancangan Lebih Murah Kecepatan transfer data lebih lambat

39 Metode Arbitrasi Metode Arbitrasi Menugaskan sebuah perangkat, CPU atau I/O yang bertindak sebagai master. Metode arbitrasi adalah metode pengaturan dari penggunaan bus, dan dapat dibedakan atas : 1. Tersentralisasi : menggunakan arbiter sebagai pengatur sentral. Pengontrol bus atau arbitrer bertanggung jawab  atas alokasi waktu pada Bus 2. Terdistribusi : setiap bus memiliki access control logic. Modul-modul bekerja sama untuk memakai Bus bersama-sama

40 Timing Timing Timing berkaitan dengan cara terjadinya event yang diatur pada bus system, dan dapat dibedakan atas : 1. Synchronous Terjadinya event pada bus ditentukan oleh clock ( pewaktu ) 2. Asynchronous Terjadinya sebuah event pada bus mengikuti dan tergantung pada event sebelumnya

41 Lebar Bus Lebar Bus Semakin lebar bus data, semakin besar bit yang dapat ditransfer pada suatu saat.

42 Jenis Transfer Data Jenis Transfer Data Transfer data yang menggunakan bus di antaranya adalah : 1. Operasi Read 2. Operasi Write 3. Operasi Read Modify Write 4. Operasi Read After Write 5. Operasi Block

43 Register

44 Interupsi

45 Analogi Interupsi Program yang dijalankan pada saat melayani interrupt disebut Interrupt Service Routine. Analoginya adalah seseorang sedang mengetik laporan, mendadak telephone berdering dan menginterrupsi orang tersebut sehingga menghentikan pekerjaan mengetik dan mengangkat telephone. Setelah pembicaraan telephone yang dalam hal ini adalah merupakan analogi dari Interrupt Service Routine selesai maka orang tersebut kembali meneruskan pekerjaanya mengetik.

46 Interupsi pada Komputer
Demikian pula pada komputer yang sedang menjalankan programnya, saat terjadi interrupt, program akan berhenti sesaat, melayani interrupt tersebut dengan menjalankan program yang berada pada alamat yang ditunjuk oleh vektor dari interrupt yang terjadi hingga selesai dan kembali meneruskan program yang terhenti oleh interrupt tadi. 

47 Tahapan Penanganan Interupsi
1.      Ada beberapa tahapan dalam penanganan interupsi: 2.      Controller mengirimkan sinyal interupsi melalui interrupt-request-line 3.      Sinyal dideteksi oleh prosesor 4.      Prosesor akan terlebih dahulu menyimpan informasi tentang keadaan state-nya (informasi tentang proses yang sedang dikerjakan) 5.      Prosesor mengidentifikasi penyebab interupsi dan mengakses tabel vektor interupsi untuk menentukan interrupt handler 6.      Transfer kontrol ke interrupt handler 7.      Setelah interupsi berhasil diatasi, prosesor akan kembali ke keadaan seperti sebelum terjadinya interupsi dan melanjutkan pekerjaan yang tadi sempat tertunda.

48 Interrupts Interupsi adalah suatu permintaan khusus pada microprocessor untuk melakukan sesuatu. jika terjadi interupsi maka computer akan menghentikan dahulu apa yang sedang dikerjakan dan melakukan apa yang diminta oleh yang menginterupsi. Tujuan interupsi secara manajemen adalah untuk pengeksekusian routine intruksi agar efektif dan efisien antarCPU, I/O, maupun memori.

49 Interrupts interrupts disediakan terutama sebagai cara untuk meningkatkan efisiensi pengolahan, karena sebagian besar perangkat eksternal jauh lebih lambat dibandingkan prosesor. Dengan adanya interrupts, prosesor dapat diperintahkan untuk mengeksekusi instruksi-instruksi lainnya pada saat operasi-operasi I/O sedang dilaksanakan

50 Fungsi Interupsi Mekanisme penghentian atau pengalihan pengolahan instruksi dalam CPU kepada routine interupsi. Hampir semua modul (memori dan I/O) memiliki mekanisme yang dapat menginterupsi kerja CPU.

51 Struktur Detail CPU

52 Pipeline Processing Penggabungan dari serial processing dan parallel processing. Serial Processing Mengerjakan suatu job atau proses secara one by one (satu persatu). Parallel Processing Mengerjakan suatu job atau proses secara serentak (sekaligus). Clock Speed adalah nilai ukur dari kecepatan processor ketika bekerja atau memproses data dalam 1 detik.