ARSITEKTUR DAN ORGANISASI KOMPUTER TEKNIK INFORMATIKA UNISBANK SEMARANG Edy Winarno 1
Buku Pegangan 1. Computer Architecture, a Quantitative Approach, 2nd Edition, John L. Hennessy, David A Patterson, Morgan Kaufmann Publisher Inc., 1996 2. Computer Organization, fourth edition,v. Carl Hamacher-Zvonko G. Vranesic-Safwat G. Zaky, Mc Graw Hill International Edition, 1996 Edy Winarno 2
Bagaimana cara kerja sebuah sistem komputer Bagaimana analisis kinerja sebuah sistem komputer Aspek arsitektural yang berpengaruh pada kinerja komputer Interaksi antara hardware dan software Edy Winarno 3
Minggu ke 1 2 3 & 4 5 & 6 I II CPU III Instruction Set IV Pipelining Topik Pendahuluan Materi - Definisi Arsitektur dan Organisasi Komputer - Perkembangan Sistem Arsitektur Komputer - Struktur Dasar - Pengukuran Kinerja - Struktur CPU - Eksekusi Instruksi - Klasifikasi Arsitektur - Pengalamatan - Tipe Operasi - Tipe Operand - Konsep Dasar - Pipeline Hazard - Keparalelan Level Instruksi Bacaan (1) I.1-5 (2) I.1-3 (1) (2) 3.1-2 (1) 2.1-5 (2) 2.1-4 (1) 3 ; 4.1 (2) 7.1-7 Edy Winarno 4
7 Ujian Tengah Semester Materi Minggu 1 s/d 7 8 V Sistem Pengingat V.1 Pengingat Hierarkis 9 V Sistem Pengingat (lanjutan) V.2 Pengingat Cache (1) 5 (2) 5 10 V Sistem Pengingat (lanjutan) V.3 Pengingat Virtual 11 & 12 VI Sistem I/O -Teknik teknik I/O - Bus (1) 6 (2) 4.1 4 ; 9 13 VII Sistem Komputer Paralel - Struktur Paralel - Jaringan Interkoneksi (1) 8 (2) 10.1-6 14 & 15 VII Sistem Komputer Paralel - Shared Memory Multiprosesor - Message Passing Multiprocessor (1) 8 (2) 10.1-6 Edy Winarno 5
I PENDAHULUAN Apakah Arsitektur Komputer itu? Arsitektur komputer adalah atribut atribut sebuah sistem komputer, dilihat dari sudut pandang seorang programmer. struktur konseptual dan perilaku fungsional sistem komputer. Struktur konseptual menyangkut bagaimana komponen komponen tersebut disalinghubungkan (diinterkoneksikan). Perilaku fungsional (fungsional behaviour ) menyangkut fungsi komponen2 secara individual, dan sebagai bagian dari struktur (aliran informasi dan kendali antar komponen2 dalam struktur). Edy Winarno 6
ORGANISASI KOMPUTER adalah implementasi arsitektur komputer secara fisik, bagaimana mewujudkan arsitektur komputer secara perangkat keras contoh 1: Adder c add A 4bit 4bit S B 4bit 4bit ADDER c out arsitektur organisasi Edy Winarno 7
contoh 2 : pipeline instruksi arsitektur IF ID EX Mem WB organisasi Edy Winarno 8
Edy Winarno 9
Tantangan : Adanya berbagai variasi produk (teknologi, harga, unjuk kerja, ukuran, aplikasi) Fakta : konsep-konsep dasar arsitektur komputer tidak banyak berubah! Konsep Dasar : Konsep Von Neumann (1943) Konsep Stored Program Computer = Mesin yang melakukan komputasi berdasarkan pada program yang tersimpan didalamnya. Program + data CPU I/O (1) (2) Memory Program + data Memory Arsitektur von Neumann Edy Winarno 10
Komponen Dasar Sistem Komputer I/O Program ALU Data Memory : Menyimpan program dan data ALU : Mengerjakan operasi operasi Aritmatik (Add, subtract, ) dan Logika Control : Mengkoordinasikan operasi operasi ALU, Memory dan I/O, sesuai dengan yang diinginkan oleh program. Input : Memasukkan program dan data dari luar komputer Output : Mengeluarkan hasil komputasi komputer Edy Winarno 11
level-level diskripsi sistem komputer Software Hardware Operating System Applications Instruction set Compilers begin read(a) a := a+1; writeln(a); end; Lw r1,32(r0) Add r2,r1,#10 Sw 32(r0),r2 Computer organization Arsitektur & Organisasi Komputer Digital circuits Physical level Sebagai interface antara software dan hardware Edy Winarno 12
Perkembangan Sistem Komputer 1946: ENIAC Stored Program Computer pertama 50 x 30 feet, 30 Ton, 25 kwatt, 100 k Kalkulasi/detik 1960: Main frame Computer 1970: Mini Computer 1980: Mikrokomputer - Penurunan : (1) Ukuran fisik (tabung transistor IC (2) Biaya - Peningkatan (1) Kapasitas memory (2) Kinerja (kecepatan) optimalisasi kinerja - biaya 200_ : Komputer meja (PC), PDA, Bionic, Produk utama: PC, workstation. Mainframe digantikan multiprosesor. Minicomputer digantikan server. Edy Winarno 13
Generasi Komputer berdasarkan teknologinya Vacuum tube - 1946-1957 Transistor - 1958-1964 Small Scale Integration, 1965 (100 transistor/chip) Medium Scale Integration, s/d 1971 (100-3000 transistor/chip) Large Scale Integration, 1971-1977 (3000-100 000 transistor/chip) IC Very Large Scale Integration, 1978 sekarang (100 000 100 000 000 transistor/chip) Ultra Large Scale Integration > 100 000 000 transistor/chip Edy Winarno 14
Edy Winarno 15 Multicore
Transistors / chip 10G 1G 100M 10M 1M 100K 10K 4 Kb 16 Kb Memory (DRAM) 256 Kb 4 Mb 1 Mb 80386 64 Kb 68020 80286 8086 68000 16 Mb 64 Mb 80486,680 256 Mb Microprocessor 1 Gb 4 Gb 8085 1K 4004 8080 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 PII Pentium PIII Pentium IV Edy Winarno 16
Peningkatan Kinerja Komputer Pendekatan Teknologis/hardware Penggunaan komponen2 IC kecepatan tinggi, Peningkatan kinerja Pendekatan Software Efisiensi program (algoritma), struktur data software teknologi/ hardware Arsitektur Pendekatan Arsitektural Peningkatan aspek fungsional dan struktural Contoh : - Arsitektur Instruction set - Struktur pipeline dalam CPU - Pengingat cache - Memory interleaving - Struktur Bus - Prosesor paralel Edy Winarno 17
Komponen komponen Dasar Sistem Komputer Computer Central Processing Unit Main Memory Pengembangan Arsitektural pada : CPU pipeline, co-procesor, vectorprocessor,... Interconnection Input Output Memory cache, pengingat interleave,... I/O I/O controller, I/O processor,... Interkoneksi Bus, multi-bus, multi-level bus, Edy Winarno 18
Evolusi Pentium (1) 8080 first general purpose microprocessor 8 bit data path Used in first personal computer Altair 8086 much more powerful 16 bit instruction cache, prefetch few instructions 8088 (8 bit external bus) used in first IBM PC 80286 16 Mbyte memory addressable up from 1Mb 80386 32 bit Support for multitasking Edy Winarno 19
Evolusi Pentium (2) 80486 sophisticated powerful cache and instruction pipelining built in maths co-processor Pentium Superscalar Multiple instructions executed in parallel Pentium Pro Increased superscalar organization Aggressive register renaming branch prediction data flow analysis speculative execution Edy Winarno 20
Evolusi Pentium (3) Pentium II MMX technology graphics, video & audio processing Pentium III Additional floating point instructions for 3D graphics Pentium 4 Further floating point and multimedia enhancements Itanium 64 bit Multicore Multiprocessor Edy Winarno 21
STRUKTUR DASAR Arsitektur berbasiskan Bus Lima komponen utama : CPU ALU Control Unit Main Memory 1. ALU 2. Control unit 3. Memory 4. Input 5. Output CPU Sistem Bus I/O Unit I/O device I/O device I/O device Edy Winarno 22 Peripheral
CPU (Central Processing Unit) Bagian sistem komputer yang bertugas mengeksekusi program. Komponen utama CPU : (1) ALU (Arithmetic and Logic Unit) Mengerjakan operasi operasi aritmatik dan operasi operasi logika terhadap data. Operasi aritmatik : add, subtract, multiply, divide,... Operasi Logika : AND, OR, NOT, Shift,... (2) Control unit Mengendalikan seluruh operasi didalam komputer, dengan - Menginterpretasikan instruksi instruksi yang terdapat didalam program, - Membangkitkan sinyal sinyal kendali untuk mengendalikan aktifitas komponen komponen sistem komputer eksekusi instruksi Edy Winarno 23
(Main) Memory Unit Bagian komputer yang menyimpan program dan data yang sedang atau siap dieksekusi oleh CPU. Jenis Main Memory : 1. Random Access Memory (RAM) atau Read Write Memory (RWM) Isi memory dapat dibaca (read) dan diubah (write) secara online. n bit address Address Decoder 0 1 2 3 4 5 2. Read Only Memory (ROM) Isi memory hanya dapat dibaca pada saat online. Penulisan dilakukan pada saat off-line (diluar operasi 6 komputer) 2 n Edy Winarno 24 data
Input/Output Unit Bagian komputer yang bertugas menangani komunikasi dengan piranti piranti diluar sistem komputer (periferal) Format data masuk/keluar : - Bit Serial - Bit Paralel Peripheral Devices CPU bit paralel Modul I/O Paralel bit paralel 0 1 1... 0... 1 0 0... 1... : 1 1 0... 0... MU Modul I/O Serial bits serial 0 1 1... 0... Bus Sistem Edy Winarno 25
Sistem Komputer Disk controller Graphics card Monitor CPU MU bus sistem Sound card Network card Ports I/O Unit Printer Mouse Keyboard Modem Speakers Computer peripheral Edy Winarno 26
Kinerja (Performance) Perspektif pemakai : Dihadapkan pada berbagai produk, pertanyaannya produk mana yang memiliki kinerja terbaik? Rasio kinerja/harga? Perspektif perancang : Dihadapkan pada berbagai alternatif rancangan, pertanyaannya rancangan mana yang akan memberikan peningkatan kinerja terbaik? kinerja/harga terbaik? Untuk menjawab pertanyaan tersebut dibutuhkan dasar untuk pembandingan ukuran untuk evaluasi (metriks) Edy Winarno 27
Kinerja sebuah sistem komputer dapat diukur berdasarkan : Latency-nya (disebut juga response-time atau execution-time) Latency adalah waktu yang dibutuhkan oleh komputer tersebut untuk mengeksekusi sebuah program, misalkan program x. Throughput-nya Banyaknya program x yang dapat dieksekusi oleh komputer tersebut (dalam satu satuan waktu). komputer A komputer B program x prosesor data x1 data x prosesor 1 program x Bila latency program x =, maka prosesor 2 throughput komputer A = 1/, throughput komputer B = 2/ data x2 Edy Winarno 28
Definisi 1 : Definisi waktu-eksekusi (atau latency) Waktu-eksekusi adalah waktu total yang dibutuhkan oleh komputer untuk mengeksekusi sebuah program, dari start sampai selesai, (termasuk akses ke disk, memory, operasi operasi I/O, waktu yang digunakan oleh OS,....) dalam lingkungan multiprogramming, termasuk juga waktu untuk mengeksekusi program lain yang digunakan Bag Progr1 Bag Progr1 Bag Progr1 t mulai Progr 1 selesai Progr 1 I/O routine I/O routine I/O routine Bag Progr1 Bag Progr1 Bag Prog1 t Edy Winarno 29
Definisi CPU time : CPU time adalah waktu yang dibutuhkan oleh CPU untuk mengeksekusi sebuah program, dengan asumsi CPU hanya mengeksekusi program terebut. Waktu ini disebut CPU execution time atau CPU time Bag Progr1 I/O routine I/O routine Bag Progr1 I/O routine Bag Progr1 t a b c CPU-time = a + b + c Sering dibagi menjadi system CPU time (waktu yang digunakan untuk eksekusi program program OS) dan user CPU time (waktu yang digunakan untuk eksekusi program program user) CPU time digunakan untuk mengukur kinerja CPU (prosesor) Edy Winarno 30
Waktu-eksekusi CPU-time : System-time + User-time waktu yang dibutuhkan oleh cpu untuk eksekusi program sistem waktu yang dibutuhkan oleh cpu untuk eksekusi program user CPU-time = jumlah CPU clock-cycle x periode clock Edy Winarno 31
CPU-time = CPU Clock Cycles x Clock Cycle Time Jumlah clock cycle yang dibutuhkan CPU untuk mengeksekusi program Periode clock T clock CPU Clock Cycles = ----------------- Clock Rate f clock = 1/T clock Sinyal clock t Start Progr Periode T clock selesai Progr Edy Winarno 32
500MHz P-III : clock rate = 500M cycles/sec, 1 clock cycle time = 2ns 2GHz P-IV : clock rate = 2G cycles/sec, 1 clock cycle time = 0.5ns CPU Clock Cycles = Jumlah instruksi didalam program x clock cycles rata-rata per instruksi CPU time = CPI Jumlah instruksi dalam program x CPI x Clock Cycle Time jumlah instruksi jumlah cycles detik CPU time = X X program instruksi cycle Edy Winarno 33
Clock-cycles per Instruction (CPI) Untuk eksekusi sebuah program, jumlah clock-cycle CPU = Jumlah instruksi dalam program x clockcycles rata rata sebuah instruksi = Jumlah instruksi dalam program x CPI Edy Winarno 34
Perhitungan CPI : CPI = (cycles per tipe instruksi x frekuensi kemunculan tipe tersebut dalam program) tipe instruksi cycles per tipe frekuensi kemunculan per tipe cycles x frekuensi kemunculan ALU 1 50% 0,50 Load 5 20% 1,00 Store 3 10% 0,30 Branch 2 20% 0,40 CPI : 2,2 Edy Winarno 35
Ukuran lain MIPS (Millions of Instruction Per Second) MIPS = Jumlah instruksi dalam program x 10-6 waktu eksekusi jumlah instruksi dalam program x clock rate x 10 6 = jumlah instruksi dalam program x CPI MFLOPS MFLOPS = Jumlah instruksi floating-pointdalam program x 10-6 waktu eksekusi Edy Winarno 36
Pengujian : Dengan mengeksekusi Program tertentu, misal program perkalian matriks, program persamaan linear,... Program standard (benchmark), misal program program SPEC (System Performance and Evaluation Cooperative), SPECINT, SPECFP, SPEC92, SPEC95int, SPEC95fp,... Edy Winarno 37
Pembandingan Kinerja Kinerja CPU = 1 / CPU time Perbandingan kinerja komputer x dengan komputer y n = kinerja x / kinerja y = CPU time x / CPU time y Edy Winarno 38
Hukum Amdahl Dampak peningkatan kinerja sebuah sistem dibatasi oleh seberapa bagian dari komponen komponen sistem yang tidak ditingkatkan Peningkatan kinerja satu bagian dari sistem sebesar n kali tidak otomatis akan meningkatkan kinerja sistem (secara keseluruhan) sebesar n kali. Contoh : Sebuah program menghabiskan 40% waktu untuk kegiatan CPU, 60% waktu untuk kegiatan I/O. Bila program yang sama dieksekusi menggunakan prosesor yang kecepatannya 10x kecepatan prosesor lama, maka waktu eksekusinya tidak akan berkurang menjadi 1/10 kalinya. Edy Winarno 39
Amdahl s Law Equations Wkt-eksekusi new = Wkt-eksekusi old x (1 Fraksi enhanced ) + Fraksi enhanced Speedup overall = Wkt-eksekusi old Wkt-eksekusi new = Speedup enhanced 1 (1 Fraksi enhanced ) + Fraksi enhanced Speedup enhanced Edy Winarno 40