Modul 1
1. Pengenalan Arsitektur Komputer
Ini adalah modul tentang organisasi komputer. Modul ini mendeskripsikan
fungsi dan desain berbagai unit komputer digital yang menyimpan dan mengolah
informasi. Modul ini juga berkaitan dengan unit komputer yang menerima informasi
dari sumber eksternal dan mengirimkan hasil terkomputasi ke destinasi eksternal.
Kebanyakan materi dalam modul ini ditujukan untuk hardware komputer dan
arsitektur komputer. Hardware komputer terdiri dari sirkuit elektronik, display, media
penyimpanan magnetik dan optik, perangkat elektromekanik, dan fasilitas komu-
nikasi. Arsitektur komputer meliputi spesifikasi sekumpulan instruksi dan unit
hardware yang melaksanakan instruksi tersebut. Dalam modul ini dibahas pula
banyak aspek pemrograman dan komponen software dalam sistem komputer.
Sangatlah penting mempertimbangkan aspek hardware dan software pada desain
berbagai komponen komputer guna mencapai pemahaman yang baik pada suatu
sistem komputer.
Bab ini memperkenalkan sejumlah konsep hardware dan software,
menampilkan beberapa istilah umum, dan memberikan pandangan umum tentang
aspek dasar subjek tersebut. Pembahasan yang lebih detil diberikan pada bab-bab
selanjutnya.
1 . 1 . T I P E K O M P UT E R
Marilah pertama-tama kita mendefinisikan istilah komputer digital, atau
cukup disebut komputer. Dalam istilah yang paling sederhana, suatu komputer
kontemporer adalah mesin hitung elektronik cepat yang menerima informasi input
terdigitalisasi, mengolahnya sesuai dengan daftar instruksi yang tersimpan secara
internal dan memberikan informasi output hasil. Daftar instruksi itu disebut program
komputer, dan penyimpanan internal-nya disebut memori komputer.
Terdapat banyak tipe komputer yang sangat bervariasi dalam hal ukuran,
biaya, daya komputasi, dan tujuan penggunaan. Komputer yang paling umum adalah
personal computer, yang banyak digunakan di rumah-rumah, sekolah-sekolah, dan
kantor-kantor bisnis. Personal computer merupakan bentuk paling umum dari
komputer desktop. Komputer desktop memiliki unit pengolahan dan penyimpanan,
display visual dan unit output audio, dan keyboard yang dapat ditempatkan secara
mudah di meja rumah dan kantor. Media penyimpanan tersebut termasuk harddisk,
1 D3 TKJ STMIK AUB SURAKARTA www.sutondo.co.cc
Modul 1
CD-ROM, dan disket. Komputer notebook portable adalah versi ringkas dari personal computer dengan semua komponen-nya terpaket dalam unit tunggal seukuran koper
tipis. Workstation dengan kemampuan input/output grafts resolusi tinggi, sekalipun
masih tetap memakai dimensi komputer desktop, namun memiliki daya komputasi
yang lebih signifikan daripada personal computer. Workstation seringkali digunakan
dalam aplikasi engineering, terutama untuk pekerjaan desain interaktif.
Di atas workstation, terdapat suatu rentang sistem komputer yang luas dan
sangat kuat yang di sebut sistem enterprise dan server pada rentang low-end, dan
superkomputer pada high-end. Sistem enterprise, atau mainframe, digunakan unhik
pengolahan data bisnis pada korporasi menengah hingga besar yang memerlukan
lebih banyak daya komputasi dan kapasitas penyimpanan dari yang dapat disediakan
oleh workstation. Server berisi unit penyimpanan basis data yang cukup besar dan
mampu menangani banyak volume permintaan untuk mengakses data. Pada banyak
kasus, server dapat diakses secara luas oleh komunitas pendidikan, bisnis, dan
pengguna personal. Permintaan dan respons biasanya ditransportasikan melalui
fasilitas komunikasi Internet. Tentu saja, Internet dan server yang berhubungan
dengannya telah menjadi sumber segala tipe informasi yang dominan di seluruh
dunia. Fasilitas komunikasi Internet terdiri dari suatu struktur kompleks hubungan
backbone serat optik kecepatan tinggi yang terinterkoneksi dengan kabel broadcast
dan koneksi telepon ke sekolah, perusahaan, dan rumahrumah.
Supercomputer digunakan untuk perhitungan numerik skala besar seperti
perkiraan cuaca dan desain dan simulasi pesawat terbang. Dalam sistem enterprise,
server, dan superkomputer, unit fungsionalnya, yang meliputi banyak prosesor, dapat
terdiri dari sejumlah unit besar dan seringkali terpisah.
1.2 UNIT FUNGSIONAL
Suatu komputer terdiri dari lima bagian utama yang mandiri secara
fungsional: unit input, memori, aritmatika dan logika, output, dan kontrol,
sebagaimana ditampilkan pada Gambar 1.1. Unit input menerima informasi terkode
dari operator manusia, dari peralatan elektromekanik seperti keyboard, atau dari
komputer lain melalui jalur komunikasi digital. Informasi yang diterima disimpan
dalam memori komputer untuk referensi selanjutnya atau segera digunakan oleh
sirkuit aritmatika dan logika untuk melakukan operasi yang diinginkan. Langkah
2 D3 TKJ STMIK AUB SURAKARTA www.sutondo.co.cc
Modul 1
pengolahan ditentukan oleh program yang tersimpan dalam memori. Akhirnya, hasil dikirim kembali ke dunia luar melalui unit output. Semua langkah ini
dikoordinasikan oleh unit kontrol. Gambar 1.1 tidak menampilkan koneksi di antara
unit fungsional. Koneksi tersebut, yang dapat dibuat dengan beberapa cara, dibahas
secara menyeluruh di dalam modul ini. Kita mengacu pada sirkuit aritmatika dan
logika, dalam hubungannya dengan sirkuit kontrol utama, yaitu prosesor dan
peralatan input dan output yang seringkali secara kolektif disebut sebagai unit input-
output (I/O).
Sekarang kita mengamati lebih detil informasi yang ditangani oleh suatu
komputer. Sangat memudahkan untuk mengkategorikan informasi ini baik sebagai
instruksi atau data. Instruksi, atau instruksi mesin, adalah perintah eksplisit yang
➢ Mengarahkan transfer informasi dalam komputer dan antar
komputer dan peralatan I/O-nya
➢ Menetapkan operasi aritmatika dan logika yang akan dilaksanakan
Gambar 1.1 Unit fungsional dasar suatu komputer. Daftar instruksi yang melakukan suatu tugas disebut program. Biasanya
program tersebut disimpan dalam memori. Prosesor kemudian mengambil instruksi
yang membentuk suatu program dari memori, satu demi satu, dan melaksanakan
operasi yang diinginkan. Komputer sepenuhnya dikontrol oleh program yang
tersimpan tersebut, kecuali adanya kemungkinan interupsi eksternal oleh operator
atau oleh peralatan I/O yang terhubung ke mesin tersebut.
Data adalah angka dan karakter ter-encode yang digunakan sebagai
operand oleh instruksi. Akan tetapi istilah data, sering digunakan untuk menyebut
informasi digital apapun. Dalam definisi data tersebut, seluruh program (yaitu daftar
instruksi) dapat dianggap sebagai data jika akan diolah oleh program lain.
3 www.sutondo.co.cc
Input | | Memnrl
Aritmatika Dan Lugika
Output
Ko ntrol
Prosessor
Modul 1
Contohnya adalah tugas untuk mengkompilasi program source bahasa tingkat tinggi menjadi daftar instruksi mesin yang merupakan suatu program bahasa mesin,
disebut program objek. Program source adalah data input ke program kompiler yang
mentranslasikan program source menjadi program bahasa mesin.
Informasi yang ditangani komputer harus di-encode dalam format yang
sesuai. Kebanyakan hardware saat ini menggunakan sirkuit digital yang hanya
memiliki dua kondisi stabil, ON dan OFF (lihat Apendiks A). Tiap bilangan,
karakter, atau instruksi di-encode sebagai string bitter yang disebut bit, masing-
masing memiliki dua kemungkinan nilai, 0 atau 1. Bilangan biasanya dinyatakan
dalam notasi biner posisi, sebagaimana yang akan dibahas secara detil dalam Bab 2.
Kadang-kadang digunakan format binary-coded decimal (BCD), di mana tiap digit
desimal di-encode menjadi empat bit.
Karakter alfanumerik juga dinyatakan dalam istilah kode biner. Telah
dikembangkan beberapa skema pengkodean. Dua skema yang paling banyak
digunakan adalah ASCII (American Standart Coded for Informasi Interchange), di
mana tiap karakter dinyatakan sebagai kode 7bit, dan EBCDIC (Extended Binary-
Coded Decimal Interchange Code), di mana digunakan 8 bit untuk menyatakan
suatu karakter
1.2.1 UNIT INPUT
Komputer menerima informasi terkodekan melalui unit input, yang
membaca data tersebut. Peralatan input yang paling terkenal adalah keyboard.
Kapanpun suatu tombol ditekan, huruf atau digit yang sesuai secara otomatis
ditranslasikankan menjadi kode biner yang tepat dan ditransmisikan melalui suatu
kabel ke memori atau ke prosesor.
Tersedia banyak jenis peralatan input lain, termasuk joystick, trackball, dan
mouse. Peralatan tersebut seringkali digunakan sebagai peralatan input grafik dalam
hubungan dengan display. Mikrofon dapat digunakan untuk menangkap input audio
yang kemudian di-sample dan dikonversi menjadi kode digital untuk penyimpanan
dan pengolahan. Pembahasan yang lebih detil tentang peralatan input dan
operasinya terdapat dalam Bab 12.
4 D3 TKJ STMIK AUB SURAKARTA www.sutondo.co.cc
Modul 1
1.2.2 UNIT MEMORI
Fungsi unit memori adalah untuk menyimpan program dan data. Terdapat
dua kelas penyimpanan, primer dan sekunder.
Penyimpanan primer adalah memori cepat yang beroperasi pada kecepatan
elektronik. Program harus disimpan dalam memori tersebut pada saat dieksekusi.
Memori tersebut berisi sejumlah besar sel penyimpanan semikonduktor, yang
masing-masing mampu menyimpan satu bit informasi. Set-sel tersebut jarang dibaca
atau ditulis sebagai sel individual tetapi sebaliknya diolah dalam kelompok dengan
ukuran tetap yang disebut word. Memori tersebut terorganissasi sedemikian
sehingga isi satu word, yang terdiri dari n bit, dapat disimpan atau diambil dalam
satu operasi dasar.
Untuk menyediakan akses yang mudah ke tiap word yang terdapat dalam
memori, alamat yang berbeda dihubungkan ke tiap lokasi word. Alamat adalah
bilangan yang menyatakan lokasi yang berurutan. Suatu word diakses dengan
menyatakan alamatnya dan dengan menyatakan perintah kontrol yang memulai
proses penyimpanan atau pengambilan tersebut.
Jumlah bit dalam tiap word sering disebut sebagai panjang word suatu
komputer. Panjang word biasanya berkisar dari 16 hingga 64 bit. Kapasitas memori
adalah salah satu faktor yang menentukan ukuran komputer. Mesin kecil biasanya
hanya memiliki puluhan juta word, sedangkan mesin menengah dan besar biasanya
memiliki puluhan atau ratusan juta word. Data biasanya diolah di dalam mesin
dalam unit word, kelipatan word, atau pembagian word. Pada saat suatu memori
diakses, biasanya hanya satu word data yang dibaca atau ditulis.
Program harus berada di memori selama eksekusi. Instruksi dan data dapat
ditulis ke dalant memori atau dibaca dari memori di bawah kontrol prosesor.
Sangatlah penting untuk dapat mengakses tiap lokasi word dalam memori secepat
mungkin. Memori yang tiap lokasinya dapat dicapai dalam wakht cepat dan tertentu
setelah ditetapkan alamatnya disebut random-access memory (RAM). Waktu yang
diperlukan untuk mengakses satu word disebut memory access time (waktu akses
memori). Waktu tersebut tetap, dan tidak tergantung pada lokasi word yang diakses.
Biasanya berkisar dari beberapa nanosecond (ns) hingga sekitar 100 ns untuk unit
RAM modern. Memori suatu komputer biasanya diimplementasikan sebagai hierarki
memori dari tiga atau empat tingkat unit RAM semikonduktor dengan kecepatan
5
Modul 1
dan ukuran yang berbeda. Unit RAM yang cepat dan kecil disebut cache. Cache tersebut terangkai erat dengan prosesor dan seringkali termuat pada chip sirkuit
terintegrasi yang sama untuk mencapai performa tinggi. Unit yang terbesar dan
terlamban disebut sebagai memori utama. Kami akan memberikan deskripsi singkat
tentang bagaimana informasi diakses dalam hierarki memori pada bagian berikutnya
dari bab ini. Bab 11 membahas aspek operasi dan performa dari memori komputer
secara detil.
Sekalipun penyimpanan primer sangat penting, namun cenderung mahal.
Jadi penyimpanan sekunder tambahan yang lebih murah digunakan pada saat
sejumlah besar data dan banyak program harus disimpan, terutama untuk informasi
yang jarang diakses. Terdapat banyak pilihan peralatan penyimpanan sekunder,
termasuk disk magnetik dan tape dan disk optikal (CDROM). Peralatan tersebut
juga dideskripsikan dalam Bab 15.
1.2.3 UNIT ARITMATIKA DAN LOGIKA
Kebanyakan operasi komputer dieksekusi dalam unit aritmatika dan logika
(ALU: arithme~o and logic unit) pada prosesor. Perhatikanlah suatu contoh umum:
Misalkan dua bilangan yang berada dalam memori ditambahkan. Bilangan tersebut
di bawa ke prosesor, dan penambahan yang sesungguhnya dilakukan oleh ALU.
Jumlah tersebut kemudian disimpan dalam memori atau tetap dalam prosesor untuk
segera digunakan.
Operasi aritmatika atau logika yang lain, misalnya, perkalian, pembagian,
atau perbandingan bilangan, diawali dengan membawa operand yang diperlukan ke
prosesor, di mana operasi tersebut dilakukan oleh ALU. Pada saat operand dibawa
ke prosesor, operand tersebut disimpan dalam elemen penyimpanan kecepatan tinggi
yang disebut register. Tiap register dapat menyimpan satu word data. Waktu akses
ke register lebih cepat daripada waktu akses ke unit cache tercepat dalam hierarki
memori.
Unit kontrol dan unit aritmatika dan logika jauh lebih cepat daripada
peralatan lain yang terhubung ke sistem komputer. Jadi memungkinkan satu
prosesor tunggal mengendalikan sejumlah peralatan eksternal seperti keyboard,
display, disk magnetik dan optikal, sensor, dan kontroler mekanik.
6 D3 TKJ STMIK AUB SURAKARTA www.sutondo.co.cc
Modul 1
1.2.4 UNIT OUTPUT
Unit output adalah pasangan unit input. Fungsinya untuk mengirimkan
hasil yang telah diproses ke dunia luar. Contoh yang paling umum dari peralatan
tersebut adalah printer. Printer menggunakan mechanical head impact, inkjet stream,
atau teknik fotokopi, seperti dalam printer laser. untuk melakukan pencetakan.
Sangat mungkin untuk menghasilkan tinta yang dapat mencetak sebanyak 10.000
baris per menit. Kecepatan ini luar biasa untuk peralatan mekanik tetapi masih
sangat lambatjika dibandingkan dengan kecepatan elektron pada unit prosesor.
Beberapa unit, seperti display grafik, menyediakau fungsi output dan
fungsi input. Peranar ganda unit tersebut merupakan alasan penggunaan istilah
tunggal unit I/O dalam banyak hal.
1.2.5 UNIT KONTROL
Unit memori, aritmatika dan logika, dan input dan output menyimpan dan
mengolah informasi dan melakukan operasi input dan output. Operasi unit-unit
tersebut harus dikoordinasi dengan beberapa cara. Kooordinasi adalah tugas dari
unit kontrol. Unit kontrol secara efektif merupakan pusat saraf yang mengirim
sinyal kontrol ke unit lain dan mengetahui keadaan unit tersebut.
Transfer I/O yang terdiri dari operasi input dan output, dikontrol oleh
instruksi progran I/O yang mengidentifikasi peralatan yang terlibat dan informasi
yang ditransfer. Akan tetapi sinyal timing aktual yang mengatur transfer
dibangkitkan oleh sirkuit kontrol. Sinyal timim adalah sinyal yang menentukan
kapan suatu aksi tertentu dilakukan. Transfer data antara proses set dan memori juga
dikontrol oleh unit kontrol melalui sinyal timing. Sangat beralasan untuk
memikirkan suatu unit kontrol sebagai unit yang terpisah secara fisik dan terdefinisi
dengan jelas yang berinteraksi dengan bagian lain dari mesin. Akan tetapi pada
prakteknya, hal tersebut jarang terjadi. Sejumlah besar jalur kontrol (kabel)
membawa sinyal yang digunakan untuk timing dan sinkronisasi kejadian disemua
unit.
Operasi suatu komputer dapat diringkas sebagai berikut:
➢ Komputer menerima informasi dalam bentuk program dan data
melalui unit input dan menyimpannya dalam memori.
7 D3 TKJ STMIK AUB SURAKARTA www.sutondo.co.cc
Modul 1
➢ Informasi yang disimpan dalam memori diambil, di bawah kontrol
program, ke unit aritmatika dan logika, di mana informasi tersebut
diproses.
➢ Informasi yang terproses meninggalkan komputer melalui unit
output.
➢ Semua kegiatan di dalam mesin tersebut diarahkan oleh unit
kontrol.
1.4 STRUKTUR BUS
Sejauh ini, kita telah membahas fungsi bagian-bagian individu dari suatu
komputer. Untuk membentuk suatu sistem operasional, maka bagian-bagian tersebut
harus dihubungkan dengan beberapa cara yang terorganisasi. Terdapat banyak cara
untuk melakukan hal ini. Disini, kita akan membahas cara yang paling sederhana
dan paling umum.
Untuk mencapai kecepatan operasi yang sesuai, komputer harus
diorganisasi sehingga semua unitnya dapat menangani satu word data penuh pada
waktu tertentu. Pada saat suatu word data ditransfer antar unit, semua bit-nya
dtransfer secara paralel, yaitu bit tersebut ditransfer secara simultan melalui banyak
kabel, atau jalur, satu bit per jalur. Sekelompok jalur yang berfungsi sebagai jalan
penghubung untuk beberapa peralatan disebut bus. Selain jalur yang membawa data,
bus harus memiliki jalur untuk alamat dan keperluan kontrol.
Cara yang paling sederhana untuk menginterkoneksikan unit fungsional
adalah dengan menggunakan bus tunggal, sebagaimana yang ditampilkan dalam
Gambar 1.2. Semua unit dikoneksikan ke bus ini. Karena bus tersebut hanya dapat
digunakan untuk satu transfer pada satu waktu, maka hanya dua unit yang dapat
secara aktif menggunakan bus tersebut pada tiap waktu tertentu. Jalur kontrol bus
digunakan untuk mempertimbangkan banyak permintaan terhadap penggunaan bus.
Sifat utama struktur bus tunggal adalah biaya rendah dan fleksibilitasnya pada
pemasangan peralatan periferal. Sistem yang terdiri dari banyak bus mencapai
konkurensi yang lebih dalam operasi dengan memungkinkan dua atau lebih
transfer dilakukan pada waktu yang sama. Hal ini menuju kepada performa yang
lebih baik tetapi dengan biaya yang lebih besar.
8 D3 TKJ STMIK AUB SURAKARTA www.sutondo.co.cc
Modul 1
Gambar 1.2. Struktur bus tunggal
Peralatan yang terhubung ke bus sangat bervariiasi dalam kecepatan operasinya. Beberapa peralatan elektromekanik, seperti keyboard dan printer,
relatif lambat. Peralatan lain, seperti disk magnetik dan optik, dianggap lebih
cepat. Memori dan unit prosesor beroperasi pada kecepatan elektronik,
menjadikannya sebagai bagian tercepat dalam komputer. Karena semua peralatan
tersebut harus berkomunikasi satu sama lain melalui bus, maka diperlukan
mekanisme transfer efisien yang tidak dibatasi oleh peralatan yang latnbat dan
yang dapat digunakan unhtk memperkecil perbedaan timing antar prosesor,
memori, dan peralatan ekstemal.
Pendekatan yang umum adalah dengan menyertakan register buffer pada
peralatan yang menyimpan informasi selama transfer. Untuk mengilustrasikan
teknik tersebut, perhatikanlah transfer karakter ter-encode dari prosesor ke printer
karakter. Karena buffer adalah register elektronik, maka transfer tersebut
memerlukan waktu yang relatif sebentar. Pada saat buffer telah di-load, printer
dapat mulai mencetak tanpa intervensi lebih lanjut dari prosesor. Bus dan prosesor
tidak lagi diperlukan dan dapat dibebaskan untuk aktifitas yang lain. Printer terus
mencetak karakter yang terdapat dalam buffer-nya dan tidak tersedia untuk
transfer selanjutnya hingga proses ini selesai. Jadi, register buffer memperhalus
perbedaan timing antar prosesor, memori, dan peralatan I/O. Register buffer
tersebut mencegah prosesor kecepatan tinggi terhalangi oleh peralatan I/O yang
lambat selama suatu rangkaian transfer data. Hal ini memungkinkan prosessor
untuk berpindah dengan cepat dari satu peralatan ke peralatan yang lain,
merangkaikan aktifitas pengolahannya dengan transfer data yang melibatkan
beberapa peralatan L/O.
9
Modul 1
1.5. SOFTWARE
Agar user dapat memasukkan dan menjalankan program aplikasi, maka
komputer harus sudah berisi beberapa software sistem dalam memori-nya.
Software sistem adalah kumpulan program yang dieksekusi seperlunya untuk
menjalankan fungsi seperti
➢ Menerima dan menginterpretasikan perintah user
➢ Memasukkan dan tnengedit program aplikasi dan rnenyimpannya
sebagai file dalam peralatan penyimpanan sekunder
➢ Mengatur penyimpanan dan pengambilan file dalam peralatan
penyimpanan sekunder
➢ Menjalankan program aplikasi standar seperti word processor,
spreadsheet, atau game, dengan data yang disediakan oleh user
➢ Mengontrol unit I/O untuk menerima informasi input dan
menghasilkan output
➢ Mentranslasikan program dari bentuk source yang disediakan oleh
user menjadi bentuk objek yang berisi instruksi mesin
➢ Menghubungkan dan menjalankan program aplikasi user-written
dengan rutin library standar yang ada, seperti paket komputasi
numerik
Software sistem-lah yang bertanggungjawab untuk koordinasi semua
aktifitas dalam sistem komputasi. Tujuan bagian ini adalah untuk memperkenalkan
beberapa aspek dasar software sistem.
Program aplikasi biasanya ditulis dalam bahasa pemrograman tingkat
tinggi seperti C, C++, Java, atau Fortran, di mana programer yang menentukan
operasi matematis atau pengolahan teks-nya. Operasi tersebut dideskripsikan
dalam format yang lepas dari penggunaan komputer tertentu untuk mengeksekusi
program. Seorang programer yang menggunakan bahasa tingkat tinggi tidak perlu
mengetahui detil instruksi program mesin. Suatu software sistem yang disebut
kompiler mentranslasikan bahasa pemrograman tingkat tinggi menjadi program
bahasa mesin yang sesuai yang berisi instruksi seperti instruksi Add dan Load.
Program sistem penting lainnya yang digunakan semua programer adalah
editor teks. Program tersebut digunakan untk memasukkan dan mengedit program
aplikasi. User program ini secara interaktif mengeksekusi perintah yang
10 D3 TKJ STMIK AUB SURAKARTA www.sutondo.co.cc