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 memori cache, RAM, ROM,cakram keras, dll). Beberapa contoh dari arsitektur komputer ini adalah arsitektur von Neumann, CISC, RISC, blue Gene, dll.

Pada saat ini ada dua konsep populer yang berhubungan dengan desain CPU dan set instruksi:

1. Complex Instruction Set Computing (CISC).

2. Reduce Instruction Set Computing (RISC).

    Semua sistem yang lama (komputer mainframe, komputer mini atau komputer mikro) relatif mempunyai sistem CISC. Walaupun sistem sekarang terdiri atas kedua jenis tersebut. Sistem RISCsaat ini lebih populer karena tingkat kerjanya, dibandingkan dengan sistem CISC. Namun karena biayanya tinggi, sistem RISC hanya digunakan ketika diperlukan kecepatan khusus, keandalan dan sebagainya.

Sejarah Singkat

Sebelum proses RISC didesain untuk pertama kalinya, banyak arsitek komputer mencoba menjembatani celah semantik", yaitu bagaimana cara itil membuat set-set instruksi untuk mempermudah pemrograman level tinggi dengan menyediakan instruksi "level tinggi" seperti pemanggilan procedure, proses pengulangan dan mode-mode pengalamatan kompleks sehingga struktur data dan akses array dapat dikombinasikan dengan sebuah instruksi. Karakteristik CISC yg "sarat informasi" ini memberikan keuntungan di mana ukuran program-program yang dihasilkan akan menjadi relatif lebih kecil, dan penggunaan memory akan semakin berkurang. Karena CISC inilah biaya pembuatan komputer pada saat itu (tahun 1960) menjadi jauh lebih hemat.

Memang setelah itu banyak desain yang memberikan hasil yang lebih baik dengan biaya yang lebih rendah, dan juga mengakibatkan pemrograman level tinggi menjadi lebih sederhana, tetapi pada kenyataannya tidaklah selalu demikian. Contohnya, arsitektur kompleks yang didesain dengan kurang baik (yang menggunakan kode-kode mikro untuk mengakses fungsi-fungsi hardware), akan berada pada situasi di mana akan lebih mudah untuk meningkatkan performansi dengan tidak menggunakan instruksi yang kompleks (seperti instruksi pemanggilan procedure), tetapi dengan menggunakan urutan instruksi yang sederhana.

Satu alasan mengenai hal ini adalah karena set-set instruksi level-tinggi, yang sering disandikan (untuk kode-kode yang kompleks), akan menjadi cukup sulit untuk diterjemahkan kembali dan dijalankan secara efektif dengan jumlah transistor yang terbatas. Oleh karena itu arsitektur-arsitektur ini memerlukan penanganan yang lebih terfokus pada desain prosesor. Pada saat itu di mana jumlah transistor cukup terbatas, mengakibatkan semakin sempitnya peluang ditemukannya cara-cara alternatif untuk optimisasi perkembangan prosesor. Oleh karena itulah, pemikiran untuk menggunakan desain RISC muncul pada pertengahan tahun 1970 (Pusat Penelitian Watson IBM 801 - IBMs)

Istilah RISC dan CISC saat ini kurang dikenal, setelah melihat perkembangan lebih lanjut dari desain dan implementasi baik CISC dan CISC. Implementasi CISC paralel untuk pertama kalinya, seperti 486 dari Intel, AMD, Cyrix, dan IBM telah mendukung setiap instruksi yang digunakan oleh prosesor-prosesor sebelumnya, meskipun efisiensi tertingginya hanya saat digunakan pada subset x86 yang sederhana (mirip dengan set instruksi RISC, tetapi tanpa batasan penyimpanan/pengambilan data dari RISC). Prosesor-prosesor modern x86 juga telah menyandikan dan membagi lebih banyak lagi instruksi-instruksi kompleks menjadi beberapa "operasi-mikro" internal yang lebih kecil sehingga dapat instruksi-instruksi tersebut dapat dilakukan secara paralel, sehingga mencapai performansi tinggi pada subset instruksi yang lebih besar.

CISC (Complex Instruction-Set Computer)

          Complex Instruction Set Computer (CISC) adalah sebuah arsitektur dari set instruksi dimana setiap instruksi akan menjalankan beberapa operasi tingkat rendah, seperti pengambilan dari memory, operasi aritmetika, dan penyimpanan ke dalam memory, semuanya sekaligus hanya di dalam sebuah instruksi. Tujuan utama dari arsitektur CISC adalah melaksanakan suatu perintah cukup dengan beberapa baris bahasa mesin sedikit mungkin. Hal ini bisa tercapai dengan cara membuat perangkat keras prosesor mampu memahami dan menjalankan beberapa rangkaian operasi. Untuk tujuan contoh kita kali ini, sebuah prosesor CISC sudah dilengkapi dengan sebuah instruksi khusus, yang kita beri nama MULT. Saat dijalankan, instruksi akan membaca dua nilai dan menyimpannya ke 2 register yag berbeda, melakukan perkalian operan di unit eksekusi dan kemudian mengambalikan lagi hasilnya ke register yang benar.

     Karakteristik CISC yg "sarat informasi" ini memberikan keuntungan di mana ukuran program-program yang dihasilkan akan menjadi relatif lebih kecil, dan penggunaan memory akan semakin berkurang. Karena CISC inilah biaya pembuatan komputer pada saat itu (tahun 1960) menjadi jauh lebih hemat. Memang setelah itu banyak desain yang memberikan hasil yang lebih baik dengan biaya yang lebih rendah, dan juga mengakibatkan pemrograman level tinggi menjadi lebih sederhana, tetapi pada kenyataannya tidaklah selalu demikian.

Contoh-contoh prosesor CISC adalah : System/360, VAX, PDP-11, varian Motorola 68000 , dan CPU AMD dan Intel x86.

CISC mempunyai karakteristrik :

1. Instruksi berukuran tunggal

2. Ukuran yang umum adalah 4 byte. 

3. Jumlah mode pengalamatan data yang sedikit, biasanya kurang dari lima buah. 

4. Tidak terdapat pengalamatan tak langsung. 

5. Tidak terdapat operasi yang menggabungkan operasi load/store dengan operasi aritmetika (misalnya, penambahan dari memori, penambahan ke memori). 

RISC (Reduce Instruction Set Computer)

  RISC Reduced Instruction Set Computingatau "Komputasi set instruksi yang disederhanakan. Merupakan sebuah arsitektur komputer atau arsitektur komputasi modern dengan instruksi-instruksi dan jenis eksekusi yang paling sederhana. Biasanya digunakan pada komputer berkinerja tinggi seperti komputer vektor.

       Bahasa pemprograman memungkinkan programmer dapat mengekspresikan algoritma lebih singkat, lebih memperhatikan rincian, dan mendukung penggunaan pemprograman terstruktur, tetapi ternyata muncul masalah lain yaitu semantic gap, yaitu perbedaan antara operasi-operasi yang disediakan oleh HLL dengan yang disediakan oleh arsitektur komputer, ini ditandai dengan ketidakefisienan eksekusi, program mesin yang berukuran besar,dan kompleksitas kompiler.

Set-set instruksi yang kompleks tersebut dimaksudkan untuk :

1. Memudahkan pekerjaan kompiler

2. Meningkatkan efisiensie ksekusi, karena operasi yang kompleks dapat diimplementasikan didalam mikrokode.

3. Memberikan dukungan bagi HLL yang lebih kompleks dan canggih.

RISC mempunyai karakteristik :

1. One cycle execution time : satu putaran eksekusi.

2. Prosessor RISC mempunyai CPI (clock per instruction) atau waktu per instruksi untuk setiap putaran. Hal ini dimaksud untuk mengoptimalkan setiap instruksi pada CPU.

3. Pipelining  adalah sebuah teknik yang memungkinkan dapat melakukan eksekusi secara simultan. Sehingga proses instruksi lebih efiisien

4. Large number of registers: Jumlah register yang sangat banyak

5. RISC didesain dimaksudkan untuk dapat menampung jumlah register yang sangat banyak untuk mengantisipasi agar tidak terjadi interaksi yang berlebih dengan memory.

6. Rangkaian instruksi built-in pada processor yang terdiri dari perintah-perintah yang lebih ringkas dibandingkan dengan CISC.

7. RISC memiliki keunggulan dalam hal kecepatannya sehingga banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi yang memerlukan kalkulasi secara intensif.

PERBEDAAN RISC DAN CISC

CISC

- Penekanan pada perangkat keras (hardware) 

- Termasuk instruksi kompleks multi-clock

- Memori-ke-memori: “LOAD” dan “STORE” saling bekerjasama

- Ukuran kode kecil, kecepatan rendah

- Transistor digunakan untuk menyimpan instruksi-instruksi kompleks

    

RISC

- Penekanan pada perangkat lunak (software)

- Single-clock, hanya sejumlah kecil instruksi

- Register ke register: “LOAD” dan “STORE” adalah instruksi - instruksi terpisah

- Ukuran kode besar, kecepatan (relatif) tinggi

- Transistor banyak dipakai untuk register memori

 Cara sederhana untuk melihat kekurangan dan kelebihan dari CISC dan RISC adalah dengan membandingkannya secara langsung. Pada tahap perbandingan ini dicoba dengan menghitung perkalian dua bilangan dalam memori. Memori tersebut terbagi menjadi beberapa lokasi yang diberi nomor 1(baris): 1 (kolom) hingga 6:4. Unit eksekusi bertanggung-jawab untuk semua operasi komputasi. Namun, unit eksekusi hanya beroperasi untuk data yang sudah disimpan kedalam salah satu dari 6 register (A, B, C, D, Eatau F). Misalnya, kita akan melakukan perkalian (product) dua angka, satu di simpan di lokasi 2:3 sedangkan lainnya di lokasi 5:2, kemudian hasil perkalian tersebut dikembalikan lagi kelokasi 2:3.

1.Menggunakan Pendekatan RISC

       Prosesor RISC hanya menggunakan instruksi-instruksi sederhana yang bisa dieksekusi dalam satu siklus. Dengan demikian, instruksi ‘MULT’ sebagaimana dijelaskan sebelumnya dibagi menjadi tiga instruksi yang berbeda, yaitu“LOAD”, yang digunakan untuk memindahkan data dari memori kedalam register, “PROD”, yang digunakan untuk melakukan operasi produk (perkalian) dua operan yang berada di dalam register (bukan yang ada di memori) dan “STORE”, yang digunakan untuk memindahkan data dari register kembali kememori. Berikut ini adalah urutan instruksi yang harus dieksekusi agar yang terjadi sama dengan instruksi “MULT” pada prosesor RISC (dalam 4 baris bahasa mesin):

LOAD A, 2:3

LOAD B, 5:2

PROD A, B

STORE 2:3, A

2.Menggunakan Pendekatan  CISC

      Tujuan utama dari arsitektur CISC adalah melaksanakan suatu perintah cukup dengan beberapa baris bahasa mesin sedikit mungkin. Hal ini bisa tercapai dengan cara membuat perangkat keras prosesor mampu memahami dan menjalankan beberapa rangkaian operasi.

      Sebuah prosesor CISC sudah dilengkapi dengan sebuah instruksi khusus, yang  diberi nama MULT. Saat dijalankan, instruksi akan membaca dua nilai dan menyimpannya ke 2 register yang berbeda, melakukan perkalian operan di unit eksekusi dan kemudian mengambalikan lagi hasilnya ke register yang benar. Jadi instruksi-nya cukup satu saja.

MULT 2:3, 5:2

Kesimpulan

      CISC Complex Instruction Set Computer sedangkan RISC merupakan kepanjangan dari Reduced Instruction Set Computer. Chip RISC dibangun mulai pertengahan tahun 1980 sebagai pengganti chip CISC. Pada dasarnya karakteristik CISC yg "sarat informasi" memberikan keuntungan di mana ukuran program-program yang dihasilkan akan menjadi relatif lebih kecil, dan penggunaan memory akan semakin berkurang. Hal inilah yang menyebabkan komputer-komputer pada saat itu memiliki harga yang murah. 

        Filosofi RISC berada dalam tidak satu pun chip yang menggunakan bahasa instruksi assembly yang complex, seperti yang digunakan di CISC. Untuk itulah, instruksi yang simple dan lebih cepat akan lebih baik daripada besar, complex dan lambat seperti CISC. Keuntungan RISC lainnya karena adanya instruksi yang simple, maka chip RISC hanya memiliki beberapa transistor, yang akan membuat RISC mudah didesain dan murah untuk diproduksi untuk menulis compiler yang powerful. RISC memberikan kemudahan di hardware, namun lebih kompleks di software.