Arsitektur Komputer. Pertemuan ke-3 - Aritmatika Komputer (2) >>> Sistem bilangan & Format Data - Perkembangan Perangkat Keras Komputer

Transkripsi

1 Arsitektur Komputer Pertemuan ke-3 - Aritmatika Komputer (2) >>> Sistem bilangan & Format Data - Perkembangan Perangkat Keras Komputer

2 DATA FORMATS Computers Process and store all forms of data in binary format Human communication Includes language, images and sounds Data formats: Specifications for converting data into computerusable form Define the different ways human data may be represented, stored and processed by a computer 3-2

3 SOURCES OF DATA Binary input Begins as discrete input Example: keyboard input such as A 1+2=3 math Keyboard generates a binary number code for each key Analog Continuous data such as sound or images Requires hardware to convert data into binary numbers Figure 3.1 with this color scheme A 1+2=3 math Input device Computer Chapter 3 Data Formats 3-3

4 COMMON DATA REPRESENTATIONS Type of Data Alphanumeric Image (bitmapped) Image (object) Outline graphics and fonts Sound Page description Video Standard(s) Unicode, ASCII, EDCDIC GIF (graphical image format) TIF (tagged image file format) PNG (portable network graphics) PostScript, JPEG, SWF (Macromedia Flash), SVG PostScript, TrueType WAV, AVI, MP3, MIDI, WMA PDF (Adobe Portable Document Format), HTML, XML Quicktime, MPEG-2, RealVideo, WMV Chapter 3 Data Formats 3-4

5 INTERNAL DATA REPRESENTATION Reflects the Complexity of input source Type of processing required Trade-offs Accuracy and resolution Simple photo vs. painting in an art book Compactness (storage and transmission) More data required for improved accuracy and resolution Compression represents data in a more compact form Metadata: data that describes or interprets the meaning of data Ease of manipulation: Processing simple audio vs. high-fidelity sound Standardization Proprietary formats for storing and processing data (WordPerfect vs. Word) De facto standards: proprietary standards based on general user acceptance (PostScript) 3-5 Chapter 3 Data Formats

6 DATA TYPES: ALPHANUMERIC Alphanumeric: Characters: b T Number digits: 7 9 Punctuation marks:! ; Special-purpose characters: $ & Numeric characters vs. numbers Both entered as ordinary characters Computer converts into numbers for calculation Examples: Variables declared as numbers by the programmer (Salary$ in BASIC) Treated as characters if processed as text Examples: Phone numbers, ZIP codes 3-6 Chapter 3 Data Formats

7 REPRESENTING CHARACTERS ASCII - most widely used coding scheme EBCDIC: IBM mainframe (legacy) Unicode: developed for worldwide use Chapter 3 Data Formats 3-7

8 ASCII Developed by ANSI (American National Standards Institute) Represents Latin alphabet, Arabic numerals, standard punctuation characters Plus small set of accents and other European special characters ASCII 7-bit code: 128 characters Chapter 3 Data Formats 3-8

9 ASCII REFERENCE TABLE MSD LSD NUL DLE SP P p 1 SOH DC1! 1 A Q a W 2 STX DC2 2 B R b r 3 ETX DC3 # 3 C S c s 4 EOT DC4 $ 4 D T d t 5 ENQ NAK % 5 E U e u 6 ACJ SYN & 6 F V f v 7 BEL ETB 7 G W g w 8 BS CAN ( 8 H X h x 9 HT EM ) 9 I Y i y A LF SUB * : J Z j z B VT ESC + ; K [ k { C FF FS, < L \ l D CR GS - = M ] m } E SO RS. > N ^ n ~ F SI US /? O _ o DEL Chapter 3 Data Formats 3-9

10 EBCDIC Extended Binary Coded Decimal Interchange Code developed by IBM Restricted mainly to IBM or IBM compatible mainframes Conversion software to/from ASCII available Common in archival data Character codes differ from ASCII ASCII EBCDIC Space A C1 16 b Chapter 3 Data Formats 3-10

11 UNICODE Most common 16-bit form represents 65,536 characters ASCII Latin-I subset of Unicode Values 0 to 255 in Unicode table Multilingual: defines codes for Nearly every character-based alphabet Large set of ideographs for Chinese, Japanese and Korean Composite characters for vowels and syllabic clusters required by some languages Allows software modifications for locallanguages 3-11 Chapter 3 Data Formats

12 COLLATING SEQUENCE Alphabetic sorting if software handles mixed upper- and lowercase codes In ASCII, numbers collate first; in EBCDIC, last ASCII collating sequence for string of characters Letters Numeric Characters Adam A d a m Adamian A d a m i a n Adams A d a m s Chapter 3 Data Formats 3-12

13 2 CLASSES OF CODES Printing characters Produced on the screen or printer Control characters Control position of output on screen or printer VT: vertical tab Cause action to occur BEL: bell rings LF: Line feed DEL: delete current character Communicate status between computer and I/O device ESC: provides extensions by changing the meaning of a specified number of contiguous following characters Chapter 3 Data Formats 3-13

14 KEYBOARD INPUT Scan code Two different scan codes on keyboard One generated when key is struck and another when key is released Converted to Unicode, ASCII or EBCDIC by software in terminal or PC Advantage Easily adapted to different languages or keyboard layout Separate scan codes for key press/release for multiple key combinations Chapter 3 Data Formats Examples: shift and control keys 3-14

15 OTHER ALPHANUMERIC INPUT OCR (optical character reader) Scans text and inputs it as character data Used to read specially encoded characters Example: magnetically printed check numbers General use limited by high error rate Bar Code Readers Used in applications that require fast, accurate and repetitive input with minimal employee training Examples: supermarket checkout counters and inventory control Alphanumeric data in bar code read optically using wand Magnetic stripe reader: alphanumeric data from credit cards Voice Digitized audio recording common but conversion to alphanumeric data difficult Requires knowledge of sound patterns in a language (phonemes) plus rules for pronunciation, grammar, and syntax Chapter 3 Data Formats 3-15

16 IMAGE DATA Photographs, figures, icons, drawings, charts and graphs Two approaches: Bitmap or raster images of photos and paintings with continuous variation Object or vector images composed of graphical objects like lines and curves defined geometrically Differences include: Quality of the image Storage space required Time to transmit Ease of modification Specifications for graphics file formats The Graphics File Format Page Chapter 3 Data Formats 3-16

17 OBJECT IMAGES Created by drawing packages or output from spreadsheet data graphs Composed of lines and shapes in various colors Computer translates geometric formulas to create the graphic Storage space depends on image complexity number of instructions to create lines, shapes, fill patterns Movies Shrek and Toy Story use object images Chapter 3 Data Formats 3-17

18 DATA COMPRESSION Compression: recoding data so that it requires fewer bytes of storage space. Compression ratio: the amount file is shrunk Lossless: inverse algorithm restores data to exact original form Examples: GIF, PCX, TIFF Lossy: trades off data degradation for file size and download speed Much higher compression ratios, often 10 to 1 Example: JPEG Common in multimedia MPEG-2: uses both forms for ratios of 100:1 Chapter 3 Data Formats 3-18

19 INTERNAL COMPUTER DATA FORMAT All data stored as binary numbers Interpreted based on Operations computer can perform Data types supported by programming language used to create application Chapter 3 Data Formats 3-19

20 5 SIMPLE DATA TYPES Boolean: 2-valued variables or constants with values of true or false Char: Variable or constant that holds alphanumeric character Enumerated User-defined data types with possible values listed in definition Type DayOfWeek = Mon, Tues, Wed, Thurs, Fri, Sat, Sun Integer: positive or negative whole numbers Real Numbers with a decimal point Numbers whose magnitude, large or small, exceeds computer s capability to store as an integer Chapter 3 Data Formats 3-20

21 KUIS KE-2 Ubah 6 angka desimal pada NIM anda menjadi bilangan biner, oktal, dan heksa Untuk masing-masingnya, tunjukkan mana nilai MSB dan mana nilai LSB

22 PERKEMBANGAN PERANGKAT KERAS KOMPUTER Materi : Stallings, bab 2

23 ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer Eckert and Mauchly University of Pennsylvania Tabel lintasan peluru Mulai dibuat tahun 1943 Selesai tahun 1946 Terlambat digunakan dalam perang dunia Dipakai sampai 1955 Minggu III 23

24 Detail dari ENIAC Menggunakan sistem Decimal (bukan binary) Memiliki 20 accumulators untuk 10 digits Diprogram secara manual melalui saklar ( switches ) Berisi 18,000 tabung vakum Berat 30 tons Volume 15,000 kaki persegi Daya listrik 140 kw Kecepatan operasi 5,000 per detik Minggu III 24

25 von Neumann/Turing Konsep : program tersimpan (Stored Program) Memori Utama, untuk menyimpan data maupun instruksi Arithmetic Logic Unit (ALU), untuk mengolah data binner Control Unit, untuk melakukan interpretasi instruksi - instruksi di dalam memori sehingga adanya eksekusi instruksi tersebut I/0, untuk berinteraksi dengan lingkungan luar Computer of Institute for Advanced Studies (IAS) Diselesaikan tahun 1952 Minggu III 25

26 Struktur Mesin Von Nuemann Input Output Equipment Arithmetic and Logic Unit Main Memory Program Control Unit 26

27 Detail - IAS Kapasitas memori : 1000 x 40 bit words Menggunakan sistem bilangan Binary Panjang instruksi 2 x 20 bit instruksi 20 bit Register-register dalam CPU : Memory Buffer Register = MBR Memory Address Register = MAR Instruction Register = IR Instruction Buffer Register = IBR Program Counter = PC Accumulator = AC Multiplier Quotient = MQ Minggu III 27

28 Structure of IAS - detail Central Processing Unit Arithmetic and Logic Unit Accumulator MQ Arithmetic & Logic Circuits Input Output Equipment MBR Instructions & Data Main Memory IBR IR Program Control Unit PC Control Circuits MAR Address

29 Keterangan Gambar Memory Buffer Register (MBR), berisi sebuah word yang akan disimpan di dalam memori atau digunakanuntuk menerima word dari memori. Memory Address Register (MAR), untuk menentukan alamat word di memori untuk dituliskan dari MBR atau dibaca oleh MBR. Instruction Register (IR), berisi instruksi 8 bit kode operasi yang akan dieksekusi. Instruction Buffer Register (IBR), digunakan untuk penyimpanan sementara instruksi sebelah kanan word di dalam memori. Program Counter (PC), berisi alamat pasangan instruksi berikutnya yang akan diambil dari memori. Accumulator (AC) dan Multiplier Quotient (MQ), digunakan untuk penyimpanan sementara operand dan hasil ALU. Misalnya, hasil perkalian 2 buah bilangan 40 bit adalah sebuah bilangan 80 bit; 40 bit yang paling berarti MSB disimpan dalam AC dan 40 bit lainnya LSB disimpan dalam MQ. Minggu III 29

30 Keterangan Gambar Lanjutan IAS beroperasi secara berulang membentuk siklus instruksi. Komputer IAS memiliki 21 instruksi, yang dapat dikelompokkan seperti berikut ini : Data tranfer, memindahkan data di antara memori dengan register register ALU atau antara dua register ALU sendiri. Unconditional branch, perintah perintah eksekusi percabangan tanpa syarat tertentu. Conditional branch, perintah perintah eksekusi percabangan yang memerlukan syarat tertentu agar dihasilkan suatu nilai dari percabangan tersebut. Arithmetic, kumpulan operasi operasi yang dibentuk oleh ALU. Address Modify, instruksi instruksi yang memungkinkan pengubahan alamat saat di komputasi sehingga memungkinkan fleksibilitas alamat yang tinggi pada program. Minggu III 30

31 Komputer Komersial Eckert-Mauchly Computer Corporation UNIVAC I (Universal Automatic Computer) Untuk kalkulasi sensus 1950 oleh US Bureau Menjadi divisi dari Sperry-Rand Corporation Dipasarkan akhir tahun UNIVAC II Lebih cepat Kapasitas memory lebih besar Minggu III 31

32 IBM Pabrik peralatan Punched-card IBM 701 Komputer pertama IBM ( stored program computer ) Untuk keperluan aplikasi Scientific IBM 702 Untuk aplikasi Business Merupakan awal dari seri 700/7000 yang membuat IBM menjadi pabrik komputer yang dominan Minggu III 32

33 Transistor Menggantikan vacuum tubes Lebih kecil Lebih murah Disipasi panas sedikit Merupakan komponen Solid State Dibuat dari Silicon (Sand) Ditemukan pada tahun 1947 di laboratorium Bell Oleh William Shockley dkk. Minggu III 33

34 Komputer Berbasis Transistor Mesin generasi II NCR & RCA menghasilkan small transistor machines IBM 7000 DEC Membuat PDP-1 Minggu III 34

35 Microelectronics Secara harafiah berarti elektronika kecil Sebuah komputer dibuat dari gerbang logika (gate), memory cells and interconnections Sejunlah gate dikemas dalam satu keping semi konduktor Misal silicon wafer Minggu III 35

36 Beberapa Generasi Komputer Vacuum tube Transistor Small scale integration on Up to 100 devices on a chip Medium scale integration - to ,000 devices on a chip Large scale integration , ,000 devices on a chip Very large scale integration to date 100, ,000,000 devices on a chip Ultra large scale integration Over 100,000,000 devices on a chip

37 Hukum Moore Meningkatkan kerapatan komponen dalam chip Gordon Moore - cofounder of Intel Jumlah transistor/ chip meningkat 2x lipet per tahun Sejak tahun 1970 pengembangan sedikit agak lambat Jumlah transistor 2x lipat setiap 18 bulan Harga suatu chip tetap/ hampir tidak berubah Kerapatan tinggi berarti jalur pendek, menghasilkan kinerja yang meningkat Ukuran semakin kecil, fleksibilitas meningkat Daya listrik lebih hemat, panas menurun Sambungan sedikit berarti semakin handal Minggu III 37

38 Perkembangan Jumlah Transistor dalam CPU Minggu III 38

39 IBM Seri Pengganti (& not compatible with) seri 7000 Rancangan awal suatu family computer Memiliki set instruksi yang sama atau identik Menggunakan O/S yang sama atau identik Kecepatan meningkat Jumlah port I/O meningkat (i.e. Terminal banyak) Kapasitas memory bertambah besar Harga meningkat Struktur pensaklarannya Multiplexed Minggu III 39

40 DEC PDP Minicomputer pertama (after miniskirt!) Tidak mengharuskan ruangan ber-ac Ukurannya kecil Harga $16,000 $100k+ untuk IBM 360 Embedded applications & OEM Menggunakan struktur BUS Minggu III 40

41 Struktur BUS DEC - PDP-8 Console Controller CPU Main Memory I/O Module I/O Module OMNIBUS Minggu III 41

42 Memori Semiconductor 1970 Fairchild Ukuran kecil sebesar 1 sel core memory Dapat menyimpan 256 bits Non-destructive read Lebih cepat dari core memory Kapasitas meningkat 2x lipat setiap tahun Minggu III 42

43 Intel First microprocessor All CPU components on a single chip 4 bit Followed in 1972 by bit Digunakan untuk aplikasi khusus , Mikroprosesor pertama Inte , Minggu III 43

44 8080, keluar tahun 1972 merupakan mikroprosesor pertama keluaran Intel dengan mesin 8 bit dan bus data ke memori juga 8 bit. Jumlah instruksinya 66 instruksi dengan kemampuan pengalamatan 16KB. 8086, dikenalkan tahun 1974 adalah mikroprosesor 16 bit dengan teknologi cache instruksi. Jumlah instruksi mencapai 111 dan kemampuan pengalamatan ke memori 64KB , keluar tahun 1982 merupakan pengembangan dari 8086, kemampuan pengalamatan mencapai 1MB dengan 133 instruksi , keluar tahun 1985 dengan mesin 32 bit. Sudah mendukung sistem multitasking. Dengan mesin 32 bitnya, produk ini mampu menjadi terunggul pada masa itu , dikenalkan tahun Kemajuannya pada teknologi cache memori dan pipelining instruksi. Sudah dilengkapi dengan math co-processor. Minggu III 44

45 Pentium, dikeluarkan tahun 1993, menggunakan teknologi superscalar sehingga memungkinkan eksekusi instruksi secara paralel. Pentium Pro, keluar tahun Kemajuannya pada peningkatan organisasi superscalar untuk proses paralel, ditemukan sistem prediksi cabang, analisa aliran data dan sistem cache memori yang makin canggih. Pentium II, keluar sekitar tahun 1997 dengan teknologi MMX sehingga mampu menangani kebutuhan multimedia. Mulai Pentium II telah menggunakan teknologi RISC. Pentium III, terdapat kemampuan instruksi floating point untuk menangani grafis 3D SSE Pentium IV, kemampuan floating point dan multimedia semakin canggih Itanium, memiliki kemampuan 2 unit floating point, 4 unit integer, 3 unit pencabangan, internet streaming, 128 interger register. Minggu III 45

46 Meningkatkan Kecepatan Pipelining On board cache On board L1 & L2 cache Branch prediction Data flow analysis Speculative execution Minggu III 46

47 Peningkatan Kinerja Kecepatan Processor meningkat Kapasitas Memory meningkat Kecepatan Memory tertinggal dari kecepatan processor Minggu III 47

48 DRAM and Processor Characteristics Minggu III 48

49 Tren Penggunaan DRAM Minggu III 49

50 Solusi Meningkatkan jumlah bit per akses Make DRAM wider rather than deeper Mengubah interface DRAM Cache Mengurangi frequency akses memory cache yang lebih komplek dan cache on chip Meningkatkan interkoneksi bandwidth Bus kecepatan tinggi - High speed buses Hierarchy of buses Minggu III 50

51 TUGAS Kelas A Apakah Hukum Moore masih relevan dengan kondisi saat ini? Buat sebuah paper / makalah yang merepresentasikan hal tersebut. Sertakan pula daftar pustaka. 1 kelompok 3 orang. Dikumpulkan via , paling lambat tanggal 18 maret 2009 pukul 23.00

52 TUGAS kelas B Buat sebuah paper / makalah yang berisikan tentang perkembangan teknologi (evolusi) microprocessor (IBM, Intel, AMD, VIA) Sertakan pula daftar pustaka. 1 kelompok 3 orang. Dikumpulkan via , paling lambat tanggal 18 maret 2009 pukul 23.00