Organisasi Sistem Komputer Bagian 1 Pengantar Sistem Komputer Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung 2008 1
Pembahasan Pengertian ta sste sistem komputer Sistem kompilasi Organisasi perangkat keras Bus, Devais I/O, Memori Utama, Prosesor Memory Sistem operasi Arsitektur dan Organisasi Komputer 2
Definisi Komputer Istilah komputer mempunyai arti yang luas dan berbeda untuk orang yang berbeda. Istilah komputer diambil dari bahasa Latin Computare yang berarti menghitung (to compute). Terdapat beberapa definisi, menurut beberapa buku sebagai berikut : 3
Computer Annual Robert H. Blissmer Komputer adalah a suatu alat at elektronik e yang mampu melakukan tugas-tugas : menerima input, mengolah input tadi sesuai dengan programnya, menyimpan perintah dan hasil pengolahan, menyediakan output dalam bentuk informasi. 4
Computer Today Donald H. Sanders Komputer adalah a sistem ste elektronik e untuk : memanipulasi data yang cepat dan tepat, dirancang dan diorganisasikan supaya secara otomatis menerima dan menyimpan data input, mengolah data tersebut untuk menghasilkan output, bekerja berdasarkan langkah-langkah l k h instruksi i program yang tersimpan di memori (stored program). 5
Computer Organization V.C. Hamacher, Z.G. Vranesic, S.G. Zaky Komputer adalah a : mesin penghitung elektronik yang cepat dapat menerima informasi input digital, mengolah sesuai dengan suatu program yang tersimpan di memorinya (stored program), menghasilkan output informasi. 6
Introduction to The Computer William M. Fuori Komputer adalah a : suatu pengolah data (data processor) yang dapat melakukan perhitungan yang besar dan cepat, termasuk perhitungan aritmatika tik yang besar atau operasi logika, tanpa campur tangan manusia yang melakukan operasi selama pengolahan. 7
Introduction to Computer Gordon B. Davis Komputer adalah a : tipe khusus alat penghitung yang mempunyai sifat tertentu yang pasti. 8
Definisi Komputer Kesimpulan Komputer adalah a : Alat elektronik Dapat menerima input data Dapat memberikan informasi Menggunakan suatu program yang tersimpan di memori ikomputer (stored program) Dapat menyimpan program dan hasil pengolahan. Bekerja secara otomatis 9
Sistem Pengolahan Informasi Pengolahan data (data processing) adalah manipulasi data menjadi suatu bentuk yang lebih berguna dan berarti, berupa suatu informasi. Informasi (information) adalah hasil dari kegiatan pengolahan data yang memberikan bentuk yang lebih berarti dari suatu kejadian. Sistem pengolahan informasi - SPI (information processing system) adalah manipulasi data menjadi suatu bentuk yang lebih berarti, berupa suatu informasi, dengan menggunakan komputer. 10
Siklus Pengolahan Informasi Storage Data dan Informasi Program Input Data Program Prosesor Informasi Output 11
Sistem Komputer Agar komputer dapat digunakan untuk mengolah informasi, harus berbentuk sistem komputer (computer system). Sistem komputer adalah kumpulan dari komponenkomponen yang tersusun untuk melaksanakan suatu tujuan tertentu. Komponen tersebut adalah : hardware software firmware 12
Komponen Sistem Komputer Hardware Software Data User Prosedur Komunikasi 13
Pentingnya Memahami Komputer Menjadi pemrogram yang andal, dengan memahami sistem komputer dan pengaruhnya pada program aplikasi Mempelajari keahlian praktis tentang bagaimana menghindari error numerik yang terjadi akibat cara komputer merepresentasikan bilangan Belajar untuk mengoptimalkan kode C menggunakan trik yang cerdas dengan mengeksploitasi prosesor dan system memori modern Belajar untuk mengerti apa yang terjadi dan mengapa, ketika sistem komputer menjalankan suatu program 14
Program hello Program hello merupakan program klasik yang dibuat ketika pemrogram pertama kali membuat kode Program hello dimulai dari source program yang dibuat menggunakan editor dan disimpan sebagai file teks (umumnya diberi nama hello.c) Source program ini merupakan urutan bit, masing-masing bernilai 0 dan 1, dikelompokkan dalam potongan 8-bit disebut byte Setiap byte merepresentasikan karakter teks program Program hello.c disimpan dalam file sebagai urutan byte. 15
Program hello Program hello dibuat menggunakan program C bahasa tingkat tinggi agar dapat dibaca dan dimengerti oleh manusia Kode program : 1 #include <stdio.h> 2 3 int main() 4 { 5 printf( hello, world\n ); 6 } 16
Program hello Agar kode program hello.c dapat berjalan pada sistem, setiap pernyataan C harus diterjemahkan menjadi urutan instruksi bahasa mesin tingkat rendah Instruksi tersebut kemudian dipaketkan menjadi suatu bentuk disebut executable object program dan disimpan sebagai file biner Penerjemahan ini dilakukan dalam empat tahap secara berurutan, yaitu preprocessor, compiler, assembler, linker, disebut sistem kompilasi 17
Sistem Kompilasi Tahap preprocessing preprocessor (cpp) memodifikasi program C berdasarkan directive yang diawali dengan karakter # mis. #include <stdio.h> meminta preprocessor untuk membaca isi file header stdio.h dan menyelipkannya secara langsung pada teks program Tahap kompilasi i compiler (ccl) menerjemahkan file teks hello.i menjadi file teks hello.s yang mengandung bahasa pemrograman assembly. Bahasa assembly merupakan bahasa yang umum digunakan oleh berbagai compiler bahasa tingkat tinggi 18
Sistem Kompilasi Tahap assembly assembler (as) menerjemahkan hello.s menjadi instruksi bahasa mesin. File hello.o merupakan file biner yang merupakan kode bahasa mesin Tahap linking linker (ld) menggabungkan program hello.o dengan fungsi printf yang berada dalam standar C library. Hasilnya berupa file eksekusi yang siap dimuat ke memori dan dieksekusi oleh sistem 19
Manfaat Sistem Kompilasi Sistem kompilasi membantu pemrogram untuk menghasilkan kode mesin yang baik dan efisien i Mengerti bagaimana sistem kompilasi bekerja dapat lebih mengoptimalkan kinerja program Pemrogram harus mengerti dasar bahasa assembly dan bagaimana compiler menerjemahkan kode-kode program bahasa C menjadi bahasa assembly Contoh : Apakah pernyataan switch selalu lebih efisien dari urutan if-thenelse? Apakah loop while lebih efisien dari loop do? Apakah referensi pointer lebih efisien dari array berindeks Mengapa dua loop yang sama fungsinya memiliki waktu eksekusi berbeda? 20
Organisasi Perangkat Keras Untuk mengerti apa yang terjadi pada program hello ketika dijalankan, kita harus mengerti organisasi perangkat keras sistem yang digunakan Secara umum, perangkat keras sistem komputer tersusun dari : Bus Devais I/O Memory utama Prosesor 21
Organisasi Perangkat Keras Personal Computer Computer Processor (active) Control ( brain ) Datapath ( brawn ) Memory (passive) (where programs, data live when running) Devices Input Output Keyboard, Mouse Disk (where programs, data live when not running) Display, Printer
Organisasi Perangkat Keras register file CPU chip ALU system bus memory bus bus interface I/O bridge main memory USB controller graphics adapter I/O bus Hard disk controller Expansion slots untuk devais lain seperti LAN, dll mouse keyboard monitor disk 23
Organisasi Perangkat Keras Bus Kumpulan jalur yang membawa byte-byte data dan informasi antar komponen Data dan informasi di-transfer dalam potongan byte berukuran tetap yang disebut word (word size) Sistem Intel Pentium, word size = 4 byte Sistem server Intel Itanium, word size = 8 byte Sistem embedded, word size = 1 atau 2 byte Devais I/O Koneksi sistem dengan dunia luar Contoh devais I/O : keyboard dan mouse sebagai user input, display sebagai user output, disk drive (disk) sebagai penyimpan data dan program jangka panjang. Setiap devais I/O terhubung dengan bus I/O melalui controller atau adapter Controller : chip set dalam devais tersebut atau pada motherboard Adapter : card yang dipasang pada slot motherboard 24
Organisasi Perangkat Keras Memori utama Tempat penyimpanan sementara program dan data yang sedang digunakan ketika prosesor mengeksekusi program tsb Secara fisik, memori utama terdiri dari kumpulan chip Dynamic Random Access Memory (DRAM) Secara logika, memori disusun sebagai urutan byte, yang masingmasing memiliki alamat unik Prosesor (Central Processing Unit CPU) Mesin yang menginterpretasikan (atau mengeksekusi) instruksi yang tersimpan dalam memori Sejak komputer dinyalakan hingga dimatikan kembali, prosesor selalu melakukan hal yang sama : membaca instruksi dari memori, menginterpretasikan bit-bit instruksi, mengeksekusi operasi sederhana yang direpresentasikan oleh instruksi, mengambil instruksi berikutnya dari memori, dan seterusnya 25
Organisasi Perangkat Keras Prosesor Operasi prosesor terjadi di antara memori utama, register dan arithmetic/logic unit (ALU) Register : devais penyimpan p berukuran kecil dalam chip CPU ALU : menghitung data dan alamat Operasi CPU sederhana : Load : menyalin byte atau word dari memori utama ke register Store : menyalin byte atau word dari register ke memori utama Update : menyalin word dari dua register ke ALU, menjumlahkan kedua word tersebut dan menyimpan hasilnya ke register I/O Read : menyalin byte atau word dari devais I/O ke register I/O Write : Menyalin byte atau word dari register ke devais I/O 26
Menjalankan Program hello (1) register file CPU chip Membaca perintah hello dari keyboard ALU system bus memory bus bus interface I/O bridge main memory hello user mengetik hello USB controller keyboard mouse graphics adapter monitor I/O bus Hard disk controller disk Expansion slots untuk devais lain seperti LAN, dll 27
Menjalankan Program hello (2) register file CPU chip Memindahkan file eksekusi dari disk ke memori utama ALU system bus memory bus bus interface I/O bridge main memory hello, world\n kode hello USB controller graphics adapter I/O bus Hard disk controller Expansion slots untuk devais lain seperti LAN, dll keyboard mouse monitor disk File eksekusi hello berada dalam disk 28
Menjalankan Program hello (3) register file CPU chip Menulis string dari memori ke display ALU system bus memory bus bus interface I/O bridge main memory hello, world\n kode hello USB controller graphics adapter I/O bus Hard disk controller Expansion slots untuk devais lain seperti LAN, dll keyboard mouse monitor hello, world disk 29
Hirarki Memori Ukuran semakin kecil, kecepatan semakin tinggi, harga per bit semakin mahal Semakin besar, lambat dan murah L4: L3: L2: L1: L0: register on-chip L1 cache (SRAM) off-chip L2 cache (SRAM) main memory (DRAM) Penyimpan cadangan lokal (hard disk) L5: Penyimpan cadangan jarak jauh (distributed file systems, Web servers) Register pada CPU menyimpan word data yang diambil dari L1 cache. L1 cache menyimpan baris-baris cache yang diambil dari L2 cache memory. L2 cache menyimpan baris-baris cache yang diambil dari main memory Main memory menyimpan blok-blok data yang diambil dari hard disk Hard disk menyimpan file yang diambil dari server jaringan jarak jauh 30
Cache Memory Untuk mengatasi kesenjangan antara prosesor dan memori, pada sistem komputer terdapat penyimpan kecil berkecepatan tinggi disebut cache memory Tempat penyimpanan sementara informasi yang sering diperlukan oleh prosesor L1 cache terdapat dalam chip prosesor, dapat menyimpan puluhan hingga ribuan byte, kecepatan hampir mendekati kecepatan register L2 cache berkapasitas ratusan ribu hingga jutaan byte, terhubung ke prosesor melalui bus khusus CPU register file L1 ALU cache cache bus system bus memory bus L2 cache bus interface I/O bridge main memory 31
Virtual Memory Cara pandang dimana setiap proses k l i t l menggunakan memori utama secara eksklusif %esp Setiap proses memiliki cara memandang memori yang sama, disebut ruang alamat virtual Ruang alamat virtual tersusun dari : Program dan data Heap Shared library Stack Kernel virtual memory 0 kernel virtual memory stack Memory mapped region forshared libraries runtime heap (via malloc) uninitialized data (.bss) initialized data (.data) program text (.text) forbidden memory invisible to user code the brk ptr Ruang alamat virtual proses Linux 32
Arsitektur dan Organisasi Komputer
Arsitektur dan Organisasi Dalam menjelaskan sistem komputer, suatu a a e je as a s ste o pute, suatu perbedaan seringkali dibuat antara Arsitektur Komputer dan Organisasi Komputer
Arsitektur Komputer Arsitektur adalah atribut-atribut komputer yang terlihat oleh pemrogram, atau atribut-atribut yang memiliki pengaruh langsung pada eksekusi k logika suatu program. Contoh atribut arsitektural : instruction set, jumlah bit yang digunakan untuk merepresentasikan suatu jenis data (mis. bilangan atau karakter), mekanisme I/O, dan teknik pengalamatan memori.
Organisasi Komputer Organisasi komputer adalah unit operasional dan interkoneksinya yang merealisasikan spesifikasi arsitektural, atau bagaimana unit arsitektural ini diimplementasikan. Atribut organisasi merupakan detail perangkat keras yang tidak terlihat oleh pemrogram, mis : sinyal kontrol, interface antara komputer dan periferal, teknologi memori yang digunakan.
Arsitektur dan Organisasi Contoh : Sisi arsitektural : apakah ada instruksi untuk melakukan proses perkalian Sisi organisasi : apakah terdapat perangkat keras khusus untuk melakukan proses perkalian, atau menggunakan instruksi penjumlahan (add instruction) secara berulang. Perangkat keras khusus perlu dibuat dengan pertimbangan : frekuensi penggunaan instruksi perkalian, kecepatan masingmasing metoda perkalian, biaya dan ukuran fisik unit perkalian.
Arsitektur dan Organisasi Banyak manufaktur komputer menawarkan berbagai model komputer, yang semuanya memiliki arsitektur yang sama dengan organisasi yang berbeda Seluruh keluarga Intel x86 memiliki arsitektur dasar yang sama Keluarga IBM System/370 memiliki arsitektur dasar yang sama Hal ini memberikan adanya kompatibilitas kode pada setiap model.
Abstraksi Komputer Software Hardware Application (Netscape) Compiler Assembler Processor Memory Operating System (Windows 98) Datapath & Control Digital Design Circuit Design transistors I/O system II5161 Instruction ti Set Architecture Both Software and Hardware consist of hierarchical layers. Each lower layer hides the complexity from the layer above This abstraction principle is the way to cope with complexity
The Big Picture Both hardware and software consist of hierarchical layers, with each lower layer hiding details from the level above. This principle of abstraction is the way both hardware designers and software designers cope with the complexity of computer systems. One key interface between the levels of abstraction is the instruction set architecture: the interface between the hardware and low-level software. This abstract interface enables many implementations of varying cost and performance to run identical software. John L. Hennessy David A. Patterson 40
Materi Perkuliahan 1. Repersentai Data dalam Bit dan Byte 2. Representasi dan Operasi Integer 3. Representasi dan Operasi Floating Point 4. Pemrograman Bahasa Mesin, Kode Level Mesin 5. Condition Code, Aliran kontrol dan percabangan 6. Prosedur, Struktur Stack Frame 7. Struktur Data, Alokasi dan Pengaksesan Array 8. Teknologi Penyimpanan, Locality, Hirarki Memori 9. Memori Cache 10. Memori Virtual
Referensi Randal E. Bryant and David O Hallaron, a Computer Systems; A Programmers Perspective, Prentice Hall, 2003 John L. Hennessy and David A. Patterson, Computer Organization and Design, Morgan Kaufman William Stalling, Computer Organization and Architecture, t Prentice Hall