Arsitektur Sistem Komputer Van Noumann

Pengertian Arsitektur Komputer 

Dalam bidang teknik komputer, arsitektur komputer adalah 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 memoru cache, RAM, ROM, cakram keras dll). Beberapa contoh dari arsitektur komputer ini adalah arsitektur Von Naumann CISC, RISC, blue gene dll.

Arsitektur komputer juga dapat didefinisikan dan dikategorikan sebagai ilmu dan sekaligus seni mengenai cara interkoneksi komponen-komponen perangkat keras untuk dapat menciptakan sebuah komputer yang memenuhi kebutuhan fungsional, kinerja, dan target biayanya.

Arsitektur komputer ini paling tidak mengandung 3 sub-kategori:

·  Set Instruksi (ISA)

·  Arsitektur mikro dari ISA, dan

·  Sistem desain dari seluruh komponen dalam perangkat keras komputer ini.

Arsitektur komputer merupakan suatu hal yang sangat penting karena dapat memberikan berbagai atribut pada sistem komputer, hal ini tentunya sangat dibutuhkan bagi perancang  atau user software sistem dalam mengembangkan suatu program.

Klasifikasi Arsitektur Komputer : 

Arsitektur Von Neumann 




Arsitektur von Neumann (atau Mesin Von Neumann) adalah arsitektur yang diciptakan oleh John von Neumann (1903-1957). Arsitektur ini digunakan oleh hampir semua komputer saat ini. Arsitektur Von Neumann menggambarkan komputer dengan empat bagian utama: Unit Aritmatika dan Logis (ALU), unit kontrol, memori, dan alat masukan dan hasil (secara kolektif dinamakan I/O). Bagian ini dihubungkan oleh berkas kawat, “bus”.

Pada perkembangan komputer modern, setiap prosesor terdiri dari atas :

1. Arithmetic 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.

1. 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 menunggugiliran untukdiproses masihdisimpan yang menunggugiliran untukdiproses masihdisimpan di dalam memori utama. Setiap register dapat menyimpan satu bilangan hingga mencapai jumlah maksimum tertentu tergantung pada ukurannya.

1. Control Unit

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. 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.

1. Bus

Bus adalah sekelompok lintasan sinyal yang digunakan untuk menggerakkan bit-bit informasi dari satu tempat ke tempat lain, dikelompokkan menurut fungsinya Standar bus dari suatu sistem komputer adalah bus alamat (address bus), bus data (data bus) dan bus kontrol (control bus). Komputer menggunakan suatu bus atau saluran bus sebagaimana kendaraan bus yang mengangkut penumpang dari satu tempat ke tempat lain, maka bus komputer mengangkut data. Bus komputer menghubungkan CPU pada RAM dan periferal. Semua komputer menggunakan saluran busnya untuk maksud yang sama.

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.

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.

Arsitektur Von Neumann 

Pada arsitektur Von Neumann, program dan data dibagi pada ruang memori yang sama.  

Arsitektur Von Neumann menyediakan fitur penyimpanan dan modifikasi program secara mudah. Bagaimanapun, penyimpanan program tidak mungkin optimal dan membutuhkan berbagai pengumpulan program dan data untuk membentuk instruksi. Pengumpulan program dan data diselesaikan menggunakan time division multiplexing yang akan berpengaruh pada performa mikrokontroler itu sendiri.

Salah satu contoh mikrokontroler yang menggunakan arsitektur Von Neumann (princeton) adalah Motorola
68HC11.

Mesin Von Neumann

Pada bagian ini kita akan membahas tentang computer Von Numen, yang kita gunakan sehari-hari. Pada dasarnya memang sebagian besar, atau mungkin semua, komputer yang kita kenal adalah Von Neumann machines (mesin Von Neumann), namun beberapa mesin yang dijelaskan pada bagian selanjutnya nanti tidak termasuk. Istilah komputer Von Neumann machine   dalam sebagian besar konteks, hanyalah persamaan (sinonim).  Kita akan menyebutkan atau mengatakan komputer dengan kata von Neumann machine (mesin von Neumann) jika komputer tersebut memenuhi kriteria berikut :

•  Ia mempunyai tiga subsistem hardware dasar :

1.    Sebuah CPU
2.    Sebuah system memori utama
3.    Sebuah system I/O

•  Ia merupakan komputer stored-program (program tersimpan). Sistem memori utama menyimpan program yang mengontrol operasinya, dan komputer dapat mengubah programnya sendiri untuk menambah atau mengurangi data lain yang ada di dalam memori.
• Ia merupakan komputer stored-program (program tersimpan). Sistem memori utama menyimpan program yang mengontrol operasinya, dan komputer dapat mengubah programnya sendiri untuk menambah atau mengurangi data lain yang ada di dalam memori.
• Ia menjalankan instruksi secara berurutan. CPU menjalankan,atau setidaknya akan menjalankan,satu operasi dalam sekali waktu.
• Ia mempunyai, atau paling tidak akan mempunyai, satu path antara sistem memori utama dan unit control CPU, hal ini biasanya dinamakan”von Neumann bottleneck.”

Mesin yon Neumann konvensional memberikan satu pathway untuk alarnat dan satu pathway yang kedua untuk data dan instruksi. Harvard architecture termasuk dalam kelompok mesin yon Neumann. Ia sarna dengan komputer konvensional. Bedanya adalah bahwa ia memberikan pathway independen untuk alamat data, data, alamat instruksi, dan instruksi. Harvard architecture (arsitektur Harvard) memungkinkan CPU untuk mengakses instruksi dan data secara serentak.
Komponen utama CPU adalah:

• Control unit (CU), yang mengontrol operasi komputer.
• Arithmetic dan logic unit (ALU), yang menjalankan operasi aritmetik, logika, dan shift untuk menghasilkan sesuatu.
•  Register set, yang menyimpan berbagai macam nilai selama operasi komputer.
•  Program  counter  (PC)  (kadang-kadang  disebut  sebagai  instruction  counter),  yang menyimpan alamat memori utarna dari suatu instruksi. PC adalah bagian dari register set (set register).

Cara Kerja Mesin Von Neumann

Kita dapat menganggap mesin Von Neumann sebagai komputer abstraksi yang menjalankan instruction, yaitu nilai dalam memori yang memberitahu computer mengenai operasi yang akan dijalankannya. Setiap instruksi mempunyai set instruction field (field instruksi), yang isinya memberikan detail tertentu untuk mengontrol unit, dan setiap instruksi mempunyai instruction format (format instruksi)-nya sendiri, yang merupakan cara penempatan field dalam memori. Instruction size (ukuran instruksi) adalah jumlah unit memori (biasanya diukur dalam byte) yang digunakan oleh instruksi. Untuk instruksi yang beroperasi pada data (contohnya instruksi aritmetik, logika, shift, karakter dan string), datanya merupakan operand bagi operasi, dan urutan item data tempat beroperasinya CPU adalah data stream. Instruction set dari computer adalah set instruksi yang dapat dijalankan oleh komputer. Setiap komputer mempunyai set instruksi sendiri. Setiap instruksi mempunyai operation code (op code), yaitu kode angka yang biasanya bisa dijumpai pada field pertama dari instruksi, yang memberitahu computer mengenai operasi yang akan dijalankannya. Field instruksi yang lain memberitahu komputer mengenai register yang akan digunakan, jumlah dan jenis data argumen, (misalnya, untuk operasi aritmetik dan logika), dan spesifikasi untuk alamat operand. Instruksi juga memberitahu komputer mengenai bit status prosesor yang akan diuji atau disusun dan mengenai apa yang harns dilakukan terhadapnya jika terjadi kesalahan. (Bit status prosesor, yang  juga  disebut  flag,  adalah  register  I-bit  khusus  yang  ada  dalam CPU).  Program adalah  urutan instruksi yang akan dijalankan komputer. Setiap instruksi mempunyai urutan logis dalam program, yang disebut logical address. Bila program berada dalam memori utama, maka setiap instruksi juga mempunyai physical address.

Langkah kerja Von Nerumann

• Pada  waktu  mesin von  Neumann  menjalankan  suatu  program,  maka  ia  menjalankan instruksi satu per satu secara urut, kecualijika ada satu instruksi yang memberita bukan computer untuk tidak mematuhi urutan tersebut (rnisalnya, instruksi cabang).
• Urutan instruksi yang dijalankan komputer adalah instruction stream.
• Untuk menjaga track instruksi dalam memori, mesin von Neumann menggunakan PC.
• PC ini “pointsto” (menyimpan alamat dari) instruksi berikutnya yang akan dijalankan. Selama operasi biasa, unit control menjalankan urutan dua operasi dasar secara terus menerus: instruction fetch dan instruction execution. Urutan ini dinamakan von Neumann machine cycle. Selama instruction fetch (penjemputan instruksi), unit control menjemput instruksi berikutnya dari memori utama dengan menggunakan alamat yang disimpan dalam PC, dan ia menaikkan PC. Oleh  karena  itu,  setelah  penjemputan  instruksi,  PC  menyimpan  alamat  dari  instruksidalam memori yang akan dijalankan CPU berikutnya. Unit kontrol kemudian menjalankan instruksi

pada saat itu, yaitu instruksi yang baru saja dijemput. Selama eksekusi (penjalanan instruksi), CPU pertama kali akan menguraikan kode (decode) instruksi tersebut dan menentukan operasi apa yang akan di jalankan. Ia kemudian menjalankan operasi. Yang terakhir, bila ia telah selesai menjalankan  instruksi,  ia  memulai  siklus  penjemputan  lagi  dengan  menjemput  instruksi berikutnya  dari  memori.  Setiap  computer  mengimplementasikan  setinstruksi.  Manual  yang menjelaskan set instruksi computer disebut (menurut berbagai perusahaan komputer)” Principles of Operation”, Hardware References”, Architecture References”, dan “System References” .Untuk meningkatkan kecepatan eksekusi, arsitek biasanya menerapkan arsitektur Von Neumann dengan   prosesor   pipelined.   Arsitek   juga   menggunakan   beberapa   unit   aritmetik   untuk meningkatkan kecepatan CPU, dan ia menyertakan buffer (memori berkecepatan tinggi tingkat menengah), agar kecepatan prosesor sesuai dengan kecepatan memori.

Keunggulan Von Neumann

• Mikroprosesor kecepatan telah meningkat dengan faktor 1000 +.
• Program lokalitas.
• Eksploitasi Program lokalitas melalui memori
• Mempunyai hirarki

Kekurangan Von Neumann

Ada kelemahan untuk desain Von Neumann. Selain hambatan Von Neumann dijelaskan di bawah ini,  modifikasi  program  dapat  cukup  berbahaya,  baik  oleh  kecelakaan  atau  desain.  Dalam beberapa program yang disimpan desain sederhana komputer, sebuah program tidak berfungsi dapat merusak dirinya sendiri, program lain, atau sistem operasi mungkin mengarah kepada kerusakan computer, pelindung memori atau yang lainnya dari kontrol akses biasanya dapat melindungi terhadap kedua disengaja dan modifikasi program berbahaya

Contoh Implementasi Von Neumann

Arthur Burks dan lain-lain di perpanjang karya von Neumann, memberikan banyak dan lebih jelas set lengkap detail mengenai desain dan operasi dari von Neumann diri replikator. Pekerjaan JW Thatcher sangat penting, karena ia sangat disederhanakan desain Namun, pekerjaan mereka tidak   menghasilkan   desain   yang  lengkap,   sel   demi   sel,   dari   konfigurasi  yang   mampu menunjukkan diri-replikasi.Renato   Nobili   dan   Umberto   Pesavento   diterbitkan  pertama   dilaksanakan  sepenuhnya mereproduksi dirinya sendiri selular robot pada tahun 1995, hampir lima puluh tahun setelah bekerja von Neumann. Mereka menggunakan 32-negara seluler robot bukan asli von Neumannspesifikasi 29-negara , memperluas untuk memungkinkan lebih mudah menyeberangi sinyal-dan desain lebih kompak. Mereka juga menerbitkan sebuah implementasi konstruktor umum dalam 29-keadaan semula CA tapi tidak salah mampu replikasi lengkap – konfigurasi tidak dapat menduplikasi kaset nya, juga tidak dapat memicu keturunannya; konfigurasi hanya dapat membangun. Pada tahun 2007, diterbitkan Nobili implementasi 32-negara yang menggunakan run-length encoding untuk sangat mengurangi ukuran rekaman itu Pada tahun 2008, William R. Buckley diterbitkan dua konfigurasi yang replikator diri dalam keadaan semula 29-CA dari von Neumann. Buckley mengklaim bahwa persimpangan sinyal dalam von Neumann 29-selular automata negara tidak perlu konstruksi diri-replikator. Buckley juga menunjukkan bahwa untuk tujuan evolusi, replikator masing-masing harus kembali ke konfigurasi semula setelah replikasi, agar mampu (dalam teori) membuat lebih dari satu salinan. Sebagai diterbitkan, desain tahun 1995 Nobili-Pesavento tidak memenuhi persyaratan ini tetapi desain 2007 dari Nobili tidak; yang sama juga berlaku konfigurasi Buckley. Pada tahun 2004, D. Mange dkk, elaporkan pelaksanaan replikator diri yang konsisten dengan desain dari von Neumann. Pada tahun 2009, diterbitkan dengan Buckley Waduh konfigurasi ketiga untuk von Neumann 29- negara otomata selular, yang dapat melakukan baik holistik self-replikasi, atau self-replikasi oleh konstruksi parsial. This configuration also demonstrates that signal crossing is not necessary to the construction of self-replicators within von Neumann 29-state cellular automata. Konfigurasi ini juga menunjukkan bahwa persimpangan sinyal tidak diperlukan untuk pembangunan diri replikator dalam von Neumann 29-negara selular automata. CL Nehaniv pada tahun 2002, dan juga  pada tahun 2004, mengusulkan sebuah konstruktor yang universal langsung diimplementasikan pada sebuah robot seluler asynchronous, bukan atas sinkron otomat seluler.

Mesin Non Von Neumann

Tidak semua komputer merupakan mesin von Neumann. Flynn, pada tabun 1966, mengklasifIkasikan arsitektur komputer menurut berbagai sifatnya, yang meliputi jumlah prosesor, jumlah program yang dapat dijalankan, dan struktur memori. KlasifIkasinyaitu mencakup kategori berikut :

• -     Single instructionstream,singledatastream (SISD)/satualiran instruksi,satu aliran data Arsitektur von Neumann termasuk dalam klasifIkasi ini. Komputer SISD mempunyaisatu CPU yang menjalankansatu instruksipadasekali waktu (oleh karenanya disebut aliran instruksi tunggal) dan menjemput atau menyimpan satu item data pada sekali waktu (oleh karenanya disebut aliran data tunggal)
•  Single instruction stream, multiple data stream (SIMD)/ satu aliran instruksi, beberapa aliran data Array prosesor tennasuk dalam kategori ini. Mesin SIMD mempunyai sebuah CU yang beroperasi seperti mesin Von Neumann (yaitu, ia menjalankan satu aliran instruksi), namun mesin SIMD mempunyai lebih dari satu PE. CU menghasilkan signal kontrol untuk semua PE, yang menjalankan operasi yang sama, biasanya pada lockstep, pada item data yang berbeda (oleh karenanya disebut aliran data banyak).  Dibawah ini merupakan gambar diagram bloknya.
•  Multiple instruction stream, single data stream (MISD)/ beberapa a1iran instruksi, satu aliran data. Secara logis, mesin dalam kelompok ini akan menjalankan berbagaiprogram pada itemdatayang sama. Sekarang, telah ada mesin jenis ini, walaupun beberapa sistem MIMD bisa digunakan dengan cara ini.
• -Multiple instruction stream, multiple data stream (MIMD)/ beberapa aliran instruksi, beberapa aliran data. Mesin MIMD juga  disebut multiprosesor.Ia  mempunyailebih  dari satu  prosesor independen,dan  setiap  prosesor  dapat  menjalankan  program  yang  berbeda  (oleh  karenanya disebut aliran data banyak) pada datanya sendiri (oleh karenanya disebut aliran data banyak).

Note : Mesin SIMD dan MIMD adalah parallel processor (prosesor paralel), karena mereka beroperasi secara paralel pada lebih dari satu data sekali waktu. Arsitektur multiprosesor dapat dibagi menjadi dua kategori, didasarkan pada susunan sistem memorinya:

• Global    memory   (GM)    system   architecture!arsitektur   sistem    memori    global.    Satu sistemmemoriglobaldigunakanbersamaoleh semuaprosesor. Arsitektur komputer berunjuk kerja tinggi pada saat ini adalah dari jenis ini, dan ketiga arsitektur yang ada berdasarkan gambar diatas
• Local-memory (LM) system architecture !arsitektur system memori lokal. Disini, satu system penyimpanan  digunakan  untuk  setiap  prosesor.  Multi  prosesor  dengan          LM  mungkin  juga mempunyai GM dan juga disebut multiple processor.
• Pada saat sekarang ini kita akan membahas tentang SIMD (Single instruction stream, multiple data stream).

Cara Kerja

• Mereka mendistribusikanpemrosesanke sejumlah hardware.
• Mereka beroperasi secara.bersama-sama pada beberapa elemen data yang berbeda.
• Mereka menjalankan komputasi yang sarna pada semua e1emen data.