Senin, 20 Oktober 2014

CPU (Central Processing Unit)

Standard


         CPU (Central Processing Unit) atau juga disebut processor merupakan otaknya sebuah komputer. Fungsi processor adalah bekerja dengan aritmatika dan logika untuk menjalankan program-program yang disimpan dalam memori utama (main memory) atau yang dimasukkan melalui unit masukkan seperti  keyboard, scanner, atau joystick, dengan cara mengambil instruksi, menguji instruksi tersebut, dan menjalankan instruksi satu demi satu. Pada komputer mikro unit, pemrosesan ini disebut dengan micro-processor (pemroses mikro) atau processor yang berbentuk chip yang terdiri dari ribuan sampai jutaan IC. Kecepatan processor atau CPU ini diukur dengan satuan hitung hertz atau clock cycles. CPU terdiri dari 2 bagian utama, yaitu unit kendali (control unit) dan unit arithmatika dan logika (arithmatik and logic unit). Disamping 2 bagian utama, CPU mempunyai beberapa bagian lainnya, yakni register  dan I/O management data.

Kinerja dari setiap jenis processor bervariasi dan dipengaruhi oleh faktor-faktor berikut:
1.   
Kecepatan Clock
2.    Lebar register/data bus internal
3.    Lebar data bus eksternal
4.    Kapasitas cache memori (L1 dan L2)

1)   Control Unit (CU)
                    Bagian ini bertugas untuk mengatur dan mengendalikan semua peralatan yang ada pada sistem komputer serta mengatur kapan alat menerima data dan kapan data tersebut diolah, serta kapan ditampilkan pada alat output. Selain itu control unit mengartikan instruksi-instrusi dari progam komputer yang membawa data input ke memory. Bila ada instruksi pada arithmatika atau perbandingan logika control unit mengirim instruksi tersebut ke ALU. Hasil dari pengolahan data ini dibawa oleh control unit ke main memory untuk di simpan.
Pada awal-awal desain komputer, CU diimplementasikan sebagai ad-hoc logic yang susah untuk didesain. Sekarang, CU diimplementasikan sebagai sebuah microprogram yang disimpan di dalam tempat penyimpanan kontrol (control store). Tugas control unit adalah sebagai berikut :
a.  Mengatur dan mengendalikan alat-alat input dan output.
b.  Mengabil instruksi dari main memory.
c.  Mengambil data dari min memory kalau diperlukan oleh proses.
d.  Mengirim instruksi ke arithmetic and logic unit bila ada perhitungan arithmatika atau perbandingan logika serta mengawasi kerja arithmetic and logic unit.
e.  Menyimpan hasil proses ke main memory.

Unit Control memiliki masukan-masukan yakni sebagai berikut :
a.  Clock/Pewaktu
Pewaktu adalah cara unit control dalam menjaga waktunya. Unit control menyebabkan sebuah operasi mikro (atau sejumlah operasi mikro yang bersamaan) dibentuk bagi setiap pulsa waktu. Pulsa ini dikenal sebagai waktu siklus prosesor.
b. Register instruksi
Opcode instruksi saat itu digunakan untuk menentukan operasi mikro mana yang akan dilakukan selama siklus eksekusi.
c. Flag
Flag ini diperlukan oleh unit control untuk menentukan status prosesor dan hasil operasi ALU sebelumnya.
d. Sinyal kontrol untuk mengontrol bus
Bagian bus control sistem memberikan sinyal-sinyal ke unit control, seperti sinyal-sinyal interupsi.

Selain itu, CU juga memiliki 2 macam, yakni Single-Cycle CU dan Multy-Cycle CU
1.  Single-Cycle CU
Proses di CU ini hanya terjadi dalam satu clock cycle, artinya setiap instruksi ada pada satu cycle, maka dari itu tidak memerlukan state. Dengan demikian fungsi boolean masing-masing control line hanya merupakan fungsi dari opcode saja. Clock cycle harus mempunyai panjang yang sama untuk setiap jenis instruksi. Ada dua bagian pada unit kontrol ini, yaitu proses men-decode opcode untuk mengelompokkannya menjadi 4 macam instruksi (yaitu di gerbang AND), dan pemberian sinyal kontrol berdasarkan jenis instruksinya (yaitu gerbang OR). Keempat jenis instruksi adalah “R-format” (berhubungan dengan register), “lw” (membaca memori), “sw” (menulis ke memori), dan “beq” (branching). Sinyal kontrol yang dihasilkan bergantung pada jenis instruksinya. Misalnya jika melibatkan memori ”R-format” atau ”lw” maka akan sinyal ”Regwrite” akan aktif. Hal lain jika melibatkan memori “lw” atau “sw” maka akan diberi sinyal kontrol ke ALU, yaitu “ALUSrc”. Desain single-cycle ini lebih dapat bekerja dengan baik dan benar tetapi cycle ini tidak efisien.
2. Multi-Cycle CU
Berbeda dengan unit kontrol yang single-cycle, unit kontrol yang multi-cycle lebih memiliki banyak fungsi. Dengan memperhatikan state dan opcode, fungsi boolean dari masing-masing output control line dapat ditentukan. Masing-masingnya akan menjadi fungsi dari 10 buah input logic. Jadi akan terdapat banyak fungsi boolean, dan masing-masingnya tidak sederhana. Pada cycle ini, sinyal kontrol tidak lagi ditentukan dengan melihat pada bit-bit instruksinya. Bit-bit opcode memberitahukan operasi apa yang selanjutnya akan dijalankan CPU; bukan instruksi cycle selanjutnya.

2)   Arithmetic and Logical Unit (ALU)
ALU singkatan dari Arithmetic Logic Unit (bahasa Indonesia: unit aritmatika dan logika), adalah salah satu bagian dalam dari sebuah mikroprosesor yang berfungsi untuk melakukan operasi hitungan aritmatika dan logika. Contoh operasi aritmatika adalah operasi penjumlahan dan pengurangan, sedangkan contoh operasi logika adalah logika AND dan OR. tugas utama dari ALU (Arithmetic And Logic Unit)adalah melakukan semua perhitungan aritmatika atau matematika yang terjadi sesuai dengan instruksi program. ALU melakukan operasi aritmatika yang lainnya. Seperti penjumlahan, pengurangan, dan pembagian dilakukan dengan dasar penjumlahan. Sehingga sirkuit elektronik di ALU yang digunakan untuk melaksanakan operasi aritmatika ini disebut adder. Tugas lalin dari ALU adalah melakukan keputusan dari operasi logika sesuai dengan instruksi program.
 Operasi logika (logical operation) meliputi perbandingan dua buah elemen logika dengan menggunakan operator logika, yaitu:
a. sama dengan (=)
b. tidak sama dengan (<>)
c. kurang dari (<)
d. kurang atau sama dengan dari (<=)
e. lebih besar dari (>)
f. lebih besar atau sama dengan dari (>=)
ALU bekerja besama-sama memori, di mana hasil dari perhitungan di dalam ALU di simpan ke dalam memori. Perhitungan dalam ALU menggunakan kode biner, yang merepresentasikan instruksi yang akan dieksekusi (opcode) dan data yang diolah (operand). ALU biasanya menggunakan sistem bilangan biner two’s complement. ALU mendapat data dari register. Kemudian data tersebut diproses dan hasilnya akan disimpan dalam register tersendiri yaitu ALU output register, sebelum disimpan dalam memori.
Pada saat sekarang ini sebuah chip/IC dapat mempunyai beberapa ALU sekaligus yang memungkinkan untuk melakukan kalkulasi secara paralel. Salah satu chip ALU yang sederhana (terdiri dari 1 buah ALU) adalah IC 74LS382/HC382ALU (TTL). IC ini terdiri dari 20 kaki dan beroperasi dengan 4×2 pin data input (pinA dan pinB) dengan 4 pin keluaran (pinF).
Arithmatic Logical Unit (ALU), fungsi unit ini adalah untuk melakukan suatu proses data yang berbentuk angka dan logika, seperti data matematika dan statistika. ALU terdiri dari register-register untuk menyimpan informasi.Tugas utama dari ALU adalah melakukan perhitungan aritmatika (matematika) yang terjadi sesuai dengan instruksi program. Rangkaian pada ALU (Arithmetic and Logic Unit) yang digunakan untuk menjumlahkan bilangan dinamakan dengan Adder. Adder digunakan untuk memproses operasi aritmetika, Adder juga disebut rangkaian kombinasional aritmatika.
Ada 3 jenis adder:
1.    Rangkaian Adder dengan menjumlahkan dua bit disebut Half Adder.
 2. Rangkaian Adder dengan menjumlahkan tiga bit disebut Full Adder.
 3.  Rangkain Adder dengan menjumlahkan banyak bit disebut Paralel Adder

1. Half Adder
Rangkaian Half Adder merupakan dasar penjumlahan bilangan Biner yang terdiri dari satu bit, oleh karena itu dinamai Penjumlah Tak Lengkap.
a. jika A = 0 dan B = 0 dijumlahkan, hasilnya S ( Sum ) = 0.
b. jika A = 0 dan B = 1 dijumlahkan, hasilnya S ( Sum ) = 1.
c. jika A = 1 dan B = 1 dijumlahkan, hasilnya S ( Sum ) = 0
Jika A=1 dan B=1 dijumlahkan, hasilnya S (Sum) = 0. Dengan nilai pindahan cy(Carry Out) = 1. Dengan demikian, half adder memiliki 2 masukan (A dan B) dan dua keluaran (S dan Cy).

2. Full Adder
Sebuah Full Adder menjumlahkan dua bilangan yang telah dikonversikan menjadi bilangan-bilangan biner. Masing-masing bit pada posisi yang sama saling dijumlahkan. Full Adder sebagai penjumlah pada bit-bit selain yang terendah. Full Adder menjumlahkan dua bit input ditambah dengan nilai Carry-Out dari penjumlahan bit sebelumnya. Output dari Full Adder adalah hasil penjumlahan (Sum) dan bit kelebihannya (carry-out).

3. Paralel Adder
Rangkaian Parallel Adder adalah rangkaian penjumlah dari dua bilangan yang telah dikonversikan ke dalam bentuk biner. Anggap ada dua buah register A dan B, masing-masing register terdiri dari 4 bit biner : A3A2A1A0 dan B3B2B1B0.
Rangkaian Parallel Adder terdiri dari Sebuah Half Adder (HA) pada Least Significant Bit (LSB) dari masing-masing input dan beberapa Full Adder pada bit-bit berikutnya. Prinsip kerja dari Parallel Adder adalah sebagai berikut : penjumlahan dilakukan mulai dari LSB-nya. Jika hasil penjumlahan adalah bilangan desimal “2” atau lebih, maka bit kelebihannya disimpan pada Cout, sedangkan bit di bawahnya akan dikeluarkan pada Σ. Begitu seterusnya menuju ke Most Significant Bit (MSB)nya.

3)   Register
Merupakan simpanan kecil yang mempunyai kecepatan tinggi lebih cepat 5 -10 kali dibandingkan dengan kecepatan perekaman atau pengambilan data di main memory. Register digunakan untuk menyimpan instruksi dan data yang diproses oleh CPU. Sedangkan instruksi-instruksi dan data lainnya yang menunggu giliran untuk diproses disimpan di memori utama terlebih dahulu.
Secara logika, register ini diibaratkan dengan ingatan dalam otak, bila anda melakukan pengolahan data secara manual. Sehingga otak dapat diibaratkan sebagai CPU, yang berisi ingatan-ingatan, satuan kendali yang mengendalikan seluruh kegiatan tubuh dan tempat untuk melakukan perhitungan dan perbandingan logika. Progam kumpulan data yang diletakan di memori utama dapat diibaratkan sebagai sebuah meja. Progam tersebut akan memproses instruksi-instruksi yang ada didalamnya. Instruksi yang dibaca dan diingat (instruksi yang sedang diproses disimpan di register). Misalnya instruksi tersebut berbunyi HITUNG C = A + B, maka anda membutuhkan data untuk nilai A dan B yang masih ada di meja. Data tersebut anda baca dan masuk ke dalam ingatan. Data yang sedang dalam proses di simpan di register, yaitu A bernilai 2 dan B bernilai 3. Sekarang dalam ingatan otak anda telah tersimpan suatu instruksi bahwa nilai dari C sekarang dapat anda hitung hasilnya, yaitu sebesar 5. Hasil dari perhitungan ini perlu anda tuliskan kembali ke meja (hasil pengolahan direkam kembali ke main memory) setelah semua instruksi selesai anda proses, kemungkinan program, data dan hasil pengolahan ingin anda simpan secara permanen untuk keperluan di lain watu. Jadi, ada 3 macam ingatan yang dipergunakan di dalam sistem komputer yaitu :
1 Register, dipergunakan untuk menyimpan instruksi dan data yang sedang di proses.
2 Main memory, dipergunakan untuk menyimpan instruksi dan data yang diproses dan hasil dari pengolahan.
3 External memory (simpanan luar), dipergunakan untuk menyimpan program dan data secara permanen.

Di dalam CPU ada beberapa macam register dengan fungsinya yang beragam pula. Dibawah ini disebutkan macam-macam register tersebut bersama fungsi-fungsiya :
a.  Register Data, yang digunakan untuk menyimpan angka-angka dalam bilangan bulat (integer).
b.  Register Alamat, yang digunakan untuk menyimpan alamat-alamat memori dan juga untuk mengakses memori.
c.  Register General Purpose, yang dapat digunakan untuk menyimpan angka dan alamat secara sekaligus.
d.  Register Floating-Point, yang digunakan untuk menyimpan angka-angka bilangan titik mengambang (floating-point). adalah sebuah bilangan yang dapat digunakan untuk menggambarkan sebuah nilai yang sangat besar atau sangat kecil (bilangan pecahan desimal atau bilangan yang memiliki koma dan pangkat).Bilangan ini dapat direpresentasikan menjadi dua bagian, yakni bagian mantisa dan bagian eksponen (E). Bagian mantisa menentukan digit dalam angka tersebut, sedangkan eksponen menentukan nilai berapa besar pangkat pada bagian mantisa tersebut (jarak dari posisi titik desimal).
e.  Register Konstanta (constant register), yang digunakan untuk menyimpan angka-angka tetap yang hanya dapat dibaca (bersifat read-only), semacam phi, null, true, false dan lainnya.
f.  Register Vektor, yang digunakan untuk menyimpan hasil pemrosesan vektor yang dilakukan oleh prosesor SIMD.
g.  Register special purpose, yang dapat digunakan untuk menyimpan data internal prosesor, seperti halnya instruction pointer, stack pointer, dan status register.
h.  Register yang spesifik terhadap model mesin (machine-specific register), dalam beberapa bentuk tertentu, digunakan untuk menyimpan data atau pengaturan yang berkaitan dengan prosesor itu sendiri. Karena arti dari setiap register langsung dimasukkan ke dalam desain prosesor tertentu saja. Mungkin register jenis ini tidak menjadi standar antara generasi prosesor. Berikut ini adalah ukuran register dan padanan prosesornya.
Register
Prosesor
4-bit
Intel 4004
8-bit
Intel 8080
16-bit
Intel 8086, Intel 8088, Intel 80286
32-bit
Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium Pro, Intel Pentium, Intel Pentium 2, Intel Pentium 3, Intel Pentium 4, Intel Celeron, Intel Xeon, AMD K5, AMD K6, AMD Athlon, AMD Athlon MP, AMD Athlon XP, AMD Athlon 4, AMD Duron, AMD Sempron
64-bit
Intel Itanium, Intel Itanium 2, Intel Xeon, Intel Core, Intel Core 2, AMD Athlon 64, AMD Athlon X2, AMD Athlon FX, AMD Turion 64, AMD Turion X2, AMD Sempron

4)      I/O Management Data
Unit Input/Output (I/O) adalah bagian dari sistem mikroprosesor yang digunakan oleh mikroprosesor itu untuk berhubungan dengan dunia luar. Unit input adalah unit luar yang digunakan untuk memasukkan data dari luar ke dalam mikroprosesor ini. Unit output biasanya digunakan untuk menampilkan data, atau dengan kata lain untuk menangkap data yang dikirimkan oleh mikroprosesor.
Komponen-komponen dalam processor dihubungkan oleh sebuah bus. Bus ada tiga macam yaitu :Bus Alamat (Addres Bus), Bus Data (Data Bus), Bus Kendali (Control Bus).
A.  Data Bus
Adalah jalurjalur perpindahan data antar modul dalam sistem komputer. Karena pada suatu saat tertentu masingmasing 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, artinya CPU dapat membaca dan menirma data melalui data bus ini. Data bus biasanya terdiri atas 8, 16, 32, atau 64 jalur paralel.
B.  Address Bus
Digunakan untuk menandakan lokasi sumber ataupun tujuan pada proses transfer data. Pada jalur ini, CPU akan mengirimkan alamat memori yang akan ditulis atau dibaca.Address bus biasanya terdiri atas 16, 20, 24, atau 32 jalur paralel.
C.   Control Bus
Control Bus digunakan untuk mengontrol penggunaan serta akses ke Data Bus dan Address Bus. Terdiri atas 4 samapai 10 jalur paralel. Processor dapat dibedakan dari perbedaan jumlah data bus-nya. Misalnya pada processor 8 bit, itu berarti processor tersebut memiliki 8 data bus. 

Referensi: Makalah kelompok 3 PTI IF 1 B UIN SGD Bandung 2014

0 komentar:

Posting Komentar