Struktur Komputer

Adapun Struktur Sistem Komputer adalah :

§  Sistem Operasi Komputer

§  Struktur I/O

§  Struktur Penyimpanan

§  Storage Hierarchy

§  Proteksi Perangkat Keras

Sistem Operasi Komputer

Dewasa ini sistem computer multiguna terdiri dari CPU ( central processing unit) sejumlah device controller yang dihubungkan melalui bus yang menyediakan akses ke memori . Setiap device controller bertugas mengatur perangkat yang spesifik (contohnya disk drive, audio device, dan video display). CPU dan device controller dapat dijalankan secara bersamaan, namun demikian diperlukan mekanisme sinkronisasi untuk mengatur akses ke memori.

Pada saat pertama kali dijalankan atau di-reboot, terdapat sebuah program awal yang mesti dijalankan. Program awal ini disebut program bootstrap. Program ini berisi semua aspek dari sistem computer, mulai dari register CPU, device controller, sampai isi memori.

Interupsi merupakan bagian penting dari sistem arsitektur computer. Setiap sistem computer memiliki mekanisme yang berbeda-beda. Interupsi bisa terjadi apabila perangkat keras(hardware) atau perangkat lunak (software) minta “dilayani” oleh prosesor. Apabila terjadi interupsi maka prosesor menghentikan proses yang sedang dikerjakannya, kemudian beralih mengerjakan service routine untuk melayani interupsi tersebut. Setelah selesai mengerjakan service routine maka prosesor kembali melanjutkan proses yang tertunda.

Struktur I/O

Dalam bab ini kita berbicara tentang struktur I/O, interupsi I/O, dan DMA. Serta perbedaan dalam penanganan interupsi.

Interupsi I/O

Untuk memulai operasi I/O, CPU me-load register yang bersesuaian ke device controller. Sebaliknya device controller memeriksa isi register untuk kemudian menentukan opersasi apa yang harus dilakukan. Pada saat operasi I/O dijalankan ada dua kemungkinan, yaitu synchronous I/O dan asynchronous I/O. Pada synchronous I/O, kendali dikembalikan ke proses pengguna setelah proses I/O selesai dikerjakan. Sedangkan pada asynchronous I/O, kendali dikembalikan ke proses pengguna tanpa menunggu proses I/O selesai.Sehingga proses I/O dan proses pengguna dapat dijalankan secara bersamaan.

Direct Memory Acces (DMA) suatu metode penanganan I/O dimana device controller langsung berhubungan dengan memori tanpa campur tangan CPU. Setelah men-set buffers, pointers, dan counters untuk perangkat I/O, device controller mentransfer blok data langsung ke penyimpanan tanpa campur tangan CPU. DMA digunakan untuk perangkat I/O dengan kecepatan tinggi. Hanya terdapat satu interupsi setiap blok, berbeda dengan perangkat yang mempunyai kecepatan rendah dimana interupsi terjadi untuk setiap byte (word).

Struktur Penyimpanan

Program computer harus berada di main memory (biasanya RAM) untuk dapat dijalankan. Main memory adalah satu-satunya tempat penyimpanan yang dapat diakses secara langsung oleh prosesor. Idealnya program dan data secara keseluruhan dapat disimpan dalam main memory secara permanen . Namun demikian hal ini tidak mungkin karena:

§  Ukuran main memory relatif kecil untuk dapat menyimpan data dan program secara keseluruhan.

§  Main memory bersifat volatile, tidak bisa menyimpan secara permanen, apabila komputer dimatikan maka data yang tersimpan di main memory akan hilang.

Main Memory

Hanya main memory dan register merupakan tempat penyimpanan yang dapat diakses secara langsung oleh prosesor. Oleh karena itu instruksi dan data – data yang akan dieksekusi harus disimpan di main memory atau register.

Untuk mempermudah akses perangkat I/O ke memori, pada arsitektur komputer menyediakan fasilitas pemetaan memori ke I/O. Dalam hal ini sejumlah alamat di memori dipetakan dengan device register . Membaca dan menulis pada alamat memori ini menyebabkan data ditransfer dari dan ke device register. Metode ini cocok untuk perangkat dengan waktu respon yang cepat seperti video controller.

Register yang terdapat dalam prosesor dapat diakses dalam waktu 1 clock cycle. Hal ini menyebabkan register merupakan media penyimpanan dengan akses paling cepat bandingkan dengan main memory yang membutuhkan waktu relatif lama. Untuk mengatasi perbedaan kecepatan, dibuatlah suatu buffer penyimpanan yang disebut cache.

Magnetic Disk

Magnetic Disk berperan sebagai secondary storage pada sistem komputer modern. Magnetic Disk disusun dari piringan-piringan seperti CD. Kedua permukaan piringan diselimuti oleh bahan-bahan magnetik. Permukaan dari piringan dibagi-bagi menjadi track yang memutar, yang kemudian dibagi lagi menjadi sektor.

Storage Hierarchy

Dalam storage hierarchy structure,data-data yang sama bisa tampil dalam level berbeda dari sistem penyimpanan. Sebagai contoh integer A berlokasi pada file B yang ditambahkan 1,dengan asumsi file B terletak pada magnetic disk. Operasi penambahan diproses dengan pertama kali mengeluarkan operasi I/O untuk menduplikat disk block pada A yang terletak pada main memory. Operasi ini diikuti dengan kemungkinan penduplikatan A ke dalam cache dan penduplikatan A ke dalam internal register.Sehingga penduplikatan A terjadi di beberapa tempat. Pertama terjadi di internal register dimana nilai A berbeda dengan yang di sistem penyimpanan. Dan nilai di A akan kembali sama ketika nilai baru ditulis ulang ke magnetic disk

Pada kondisi multi prosesor, situasi akan menjadi lebih rumit. Hal ini disebabkan masing-masing prosesor mempunyai . Dalam kondisi seperti ini hasil duplikat dari A mungkin hanya ada di beberapa cache. Karena CPU(register-register) dapat dijalankan secara bersamaan maka kita harus memastikan perubahan nilai A pada satu cache akan mengubah nilai A pada semua cache yang ada. Hal ini disebut sebagai Cache Coherency.

Proteksi Perangkat Keras

Sistem komputer terdahulu berjenis programmer-operated systems. Ketika komputer dioperasikan dalam konsol mereka(pengguna) harus melengkapi sistem terlebih dahulu. Akan tetapi setelah sistem operasi lahir maka hal tersebut diambil alih oleh sistem operasi. Sebagai contoh pada monitor yang proses I/O sudah diambil alih oleh O/S, padahal dahulu hal ini dilakukan oleh pengguna.

Untuk meningkatkan utilisasi sistem, O/S akan membagi sistem sumber daya sepanjang program secara simultan. Pengertian spooling adalah suatu program dapat dikerjakan walaupun I/O masih mengerjakan proses lainnya dan disk secara bersamaan menggunakan data untuk banyak proses. Pengertian multi programming adalah kegiatan menjalankan beberapa program pada memori pada satu waktu.

Pembagian ini memang menguntungkan sebab banyak proses dapat berjalan pada satu waktu akan tetapi mengakibatkan masalah-masalah baru. Ketika tidak di sharing maka jika terjadi kesalahan hanyalah akan membuat kesalahan program. Tapi jika disharing jika terjadi kesalahan pada satu proses/program akan berpengaruh pada proses lainnya

Sehingga diperlukan pelindung(proteksi).Tanpa proteksi jika terjadi kesalahan maka hanya satu saja program yang dapat dijalankan atau seluruh output pasti diragukan

Banyak kesalahan pemprograman dideteksi oleh perangkat keras. Kesalahan ini biasanya ditangani oleh sistem operasi.Jika terjadi kesalahan program, perangkat keras akan meneruskan kepada sistem operasi dan sistem operasi akan menginterupsi dan mengakhirinya. Pesan kesalahan disampaikan, dan memori dari program akan dibuang. Tapi memori yang terbuang biasanya tersimpan pada disk agar programmer bisa membetulkan kesalahan dan menjalankan program ulang.

Operasi Dual Mode

Untuk memastikan operasi berjalan baik kita harus melindungi O/S, program, dan data dari program-program yang error. Proteksi ini memerlukan share resources. Hal ini bisa dilakukan O/S dengan cara menyediakan pendukung perangkat keras yang mengijinkan kita membedakan mode pengeksekusian program.

Mode yang kita butuhkan ada dua mode operasi yaitu

§  Mode Monitor

§  Mode Pengguna

Pada perangkat keras akan ada bit atau Bit Mode yang berguna untuk membedakan mode apa yang sedang digunakan dan apa yang sedang dikerjakan. Jika Mode Monitor maka akan benilai 0, dan jika Mode Pengguna maka akan bernilai 1.

Pada saat boot time, perangkat keras bekerja pada mode monitor dan setelah sistem operasi di-load maka akan mulai masuk ke mode pengguna. Ketika terjadi trap atau interupsi, perangkat keras akan men-switch lagi keadaan dari mode pengguna menjadi mode monitor (terjadi perubahan state menjadi bit 0). Dan akan kembali menjadi mode pengguna jikalau O/S mengambil alih proses dan kontrol komputer (state akan berubah menjadi bit 1)

Proteksi I/O

Pengguna bisa mengacaukan sistem operasi dengan melakukan instruksi I/O ilegal dengan mengakses lokasi memori untuk O/S atau dengan cara hendak melepaskan diri dari prosesor. Untuk mencegahnya kita menganggap semua instruksi I/O sebagai privaladge instruction sehingga mereka tidak bisa mengerjakan instruksi I/O secara langsung ke memori tapi harus lewat O/S terlebih dahulu. Proteksi I/O dikatakan selesai jika pengguna dapat dipastikan tidak akan menyentuh mode monitor. Jika hal ini terjadi proteksi I/O dapat dikompromikan.

Proteksi Memori

Salah satu proteksi perangkat keras adalah dengan proteksi memori yaitu dengan pembatasan penggunaan memori. Disini diperlukan beberapa istilah yaitu:

§  Base Base Register Register yaitu alamat memori fisik awal yang dialokasikan/boleh digunakan oleh pengguna

§  Limit Register yaitu nilai batas dari alamat memori fisik awal yang dialokasikan/boleh digunakan oleh pengguna

§  Proteksi Perangkat Keras

Sebagai contoh sebuah pengguna dibatasi mempunyai base register 300040 dan mempunyai limit register 120900 maka pengguna hanya diperbolehkan menggunakan alamat memori fisik antara 300040 hingga 420940 saja

Struktur CPU (Central Processing Unit)

Unit Pengolah Pusat (UPP) (bahasa Inggris: CPU, singkatan dari Central Processing Unit), merujuk kepada perangkat keras komputer yang memahami dan melaksanakan perintah dan data dari perangkat lunak. Istilah lain, prosesor (pengolah data), sering digunakan untuk menyebut CPU. Adapun mikroprosesor adalah CPU yang diproduksi dalam sirkuit terpadu, seringkali dalam sebuah paket sirkuit terpadu-tunggal. Sejak pertengahan tahun 1970-an, mikroprosesor sirkuit terpadu-tunggal ini telah umum digunakan dan menjadi aspek penting dalam penerapan CPU.
Komponen CPU terbagi menjadi beberapa macam, yaitu sebagai berikut.
• Unit kontrol yang mampu mengatur jalannya program. Komponen ini sudah pasti terdapat dalam semua CPU.CPU bertugas mengontrol komputer sehingga terjadi sinkronisasi kerja antar komponen dalam menjalankan fungsi-fungsi operasinya. termasuk dalam tanggung jawab unit kontrol adalah mengambil intruksi-intruksi dari memori utama dan menentukan jenis instruksi tersebut. Bila ada instruksi untuk perhitungan aritmatika atau perbandingan logika, maka unit kendali akan mengirim instruksi tersebut ke ALU. Hasil dari pengolahan data dibawa oleh unit kendali ke memori utama lagi untuk disimpan, dan pada saatnya akan disajikan ke alat output. Dengan demikian tugas dari unit kendali ini adalah:
o Mengatur dan mengendalikan alat-alat input dan output.
o Mengambil instruksi-instruksi dari memori utama.
o Mengambil data dari memori utama (jika diperlukan) untuk diproses.
o Mengirim instruksi ke ALU bila ada perhitungan aritmatika atau perbandingan logika serta mengawasi kerja dari ALU.
o Menyimpan hasil proses ke memori utama.
• Register merupakan alat penyimpanan kecil yang mempunyai kecepatan akses cukup tinggi, yang digunakan untuk menyimpan data dan/atau instruksi yang sedang diproses. Memori ini bersifat sementara, biasanya di gunakan untuk menyimpan data saat di olah ataupun data untuk pengolahan selanjutnya. Secara analogi, register ini dapat diibaratkan sebagai ingatan di otak bila kita melakukan pengolahan data secara manual, sehingga otak dapat diibaratkan sebagai CPU, yang berisi ingatan-ingatan, satuan kendali yang mengatur seluruh kegiatan tubuh dan mempunyai tempat untuk melakukan perhitungan dan perbandingan logika.
• ALU unit yang bertugas untuk melakukan operasi aritmetika dan operasi logika berdasar instruksi yang ditentukan. ALU sering di sebut mesin bahasa karena bagian ini ALU terdiri dari dua bagian, yaitu unit arithmetika dan unit logika boolean yang masing-masing memiliki spesifikasi tugas tersendiri. Tugas utama dari ALU adalah melakukan semua perhitungan aritmatika (matematika) yang terjadi sesuai dengan instruksi program. ALU melakukan semua operasi aritmatika dengan dasar penjumlahan sehingga sirkuit elektronik yang digunakan disebut adder.
Tugas lain dari ALU adalah melakukan keputusan dari suatu operasi logika sesuai dengan instruksi program. Operasi logika meliputi perbandingan dua operand dengan menggunakan operator logika tertentu, yaitu sama dengan (=), tidak sama dengan (¹ ), kurang dari (<), kurang atau sama dengan (£ ), lebih besar dari (>), dan lebih besar atau sama dengan (³ ).
• CPU Interconnections adalah sistem koneksi dan bus yang menghubungkan komponen internal CPU, yaitu ALU, unit kontrol dan register-register dan juga dengan bus-bus eksternal CPU yang menghubungkan dengan sistem lainnya, seperti memori utama, piranti masukan /keluaran.

• Cara Kerja CPU
Saat data dan/atau instruksi dimasukkan ke processing-devices, pertama sekali diletakkan di RAM (melalui Input-storage); apabila berbentuk instruksi ditampung oleh Control Unit di Program-storage, namun apabila berbentuk data ditampung di Working-storage). Jika register siap untuk menerima pengerjaan eksekusi, maka Control Unit akan mengambil instruksi dari Program-storage untuk ditampungkan ke Instruction Register, sedangkan alamat memori yang berisikan instruksi tersebut ditampung di Program Counter. Sedangkan data diambil oleh Control Unit dari Working-storage untuk ditampung di General-purpose register (dalam hal ini di Operand-register). Jika berdasar instruksi pengerjaan yang dilakukan adalah arithmatika dan logika, maka ALU akan mengambil alih operasi untuk mengerjakan berdasar instruksi yang ditetapkan. Hasilnya ditampung di Accumulator. Apabila hasil pengolahan telah selesai, maka Control Unit akan mengambil hasil pengolahan di Accumulator untuk ditampung kembali ke Working-storage. Jika pengerjaan keseluruhan telah selesai, maka Control Unit akan menjemput hasil pengolahan dari Working-storage untuk ditampung ke Output-storage. Lalu selanjutnya dari Output-storage, hasil pengolahan akan ditampilkan ke output-devices.

Fungsi CPU
CPU berfungsi seperti kalkulator, hanya saja CPU jauh lebih kuat daya pemrosesannya. Fungsi utama dari CPU adalah melakukan operasi aritmatika danlogika terhadap data yang diambil dari memori atau dari informasi yang dimasukkan melalui beberapa perangkat keras, seperti papan ketik, pemindai, tuas kontrol, maupun tetikus. CPU dikontrol menggunakan sekumpulan.

Percabangan instruksi
Pemrosesan instruksi dalam CPU dibagi atas dua tahap, Tahap-I disebut Instruction Fetch, sedangkan Tahap-II disebut Instruction Execute. Tahap-I berisikan pemrosesan CPU dimana Control Unit mengambil data dan/atau instruksi dari main-memory ke register, sedangkan Tahap-II berisikan pemrosesan CPU dimana Control Unit menghantarkan data dan/atau instruksi dari register ke main-memory untuk ditampung di RAM, setelah Instruction Fetch dilakukan. Waktu pada tahap-I ditambah dengan waktu pada tahap-II disebut waktu siklus mesin (machine cycles time).
Penghitung program dalam CPU umumnya bergerak secara berurutan. Walaupun demikian, beberapa instruksi dalam CPU, yang disebut dengan instruksi lompatan, mengizinkan CPU mengakses instruksi yang terletak bukan pada urutannya. Hal ini disebut juga percabangan instruksi (branching instruction). Cabang-cabang instruksi tersebut dapat berupa cabang yang bersifat kondisional (memiliki syarat tertentu) atau non-kondisional. Sebuah cabang yang bersifat non-kondisional selalu berpindah ke sebuah instruksi baru yang berada di luar aliran instruksi, sementara sebuah cabang yang bersifat kondisional akan menguji terlebih dahulu hasil dari operasi sebelumnya untuk melihat apakah cabang instruksi tersebut akan dieksekusi atau tidak. Data yang diuji untuk percabangan instruksi disimpan pada lokasi yang disebut dengan flag.

S T A C K ( T U M P U K A N )

LINIER LIST

Suatu struktur data umum yang berisi suatu kumpulan terurut dari elemen;

jumlah elemen di dalam list dapat berubah-ubah.

Linier list A yang terdiri dari T elemen pada waktu t, dinotasikan sebagai :

A = [ A1, A2, ..., AT]

Jika T = 0, maka A disebut “Empty List” atau “Null List”

Suatu elemen dapat dihilangkan/dihapus dari sembarang posisi dalam linier list,

dan dapat pula dimasukkan elemen baru sebagai anggota list.

Contoh :

1. File, dengan elemennya berupa record

2. Buku telepon

3. Stack

4. Queue

5. Linear link list

STACK

Stack adalah suatu bentuk khusus dari linier list, dengan operasi penyisipan dan

penghapusan dibatasi hanya pada satu sisinya, yaitu puncak stack (TOP).

Elemen teratas dari stack dinotasikan sebagai TOP(S).

Untuk stack S, dengan S = [S1, S2, S3, ..., ST] maka TOP(S) = ST

Jumlah elemen di dalam stack kita notasikan dengan NOEL(S).

NOEL(S) menghasilkan nilai integer.

Untuk stack S = [S1, S2, S3, ..., ST] maka NOEL (S) = T.

Operator penyisipan (insertion) : PUSH

Operator penghapusan (deletion) : POP

Operasi stack : LIFO (Last In First Out), yaitu : yang terakhir masuk yang pertama keluar.

Jika ada NOEL elemen didalam stack, maka elemen ke NOEL merupakan

elemen puncak (TOP).

Stack Secara Umum :

S = [S1, S2, ..., SNOEL]

bahwa : SI berada di atas elemen SJ, untuk I > J

SI akan dikeluarkan lebih dulu dari elemen di bawahnya.

Contoh stack : Tumpukan baki dalam cafetaria

Empat operasi dasar yang berlaku pada stack :

1. CREATE(stack)

2. ISEMPTY(stack)

3. PUSH(elemen, stack)

4. POP(stack)

1. CREATE

Adalah operator yang menunjukkan suatu stack kosong dengan nama S.

Jadi : NOEL(CREATE(S)) = 0

TOP(CREATE(S)) adalah TIDAK TERDEFINISI.

2. ISEMPTY

adalah operator yang menentukan apakah  stack S kosong.

Operandnya terdiri dari type data stack. Hasilnya merupakan type data Boolean:

ISEMPTY(S) = True. Jika S hampa, yakni bila NOEL(S) = 0.

3. PUSH

adalah operator yang menambahkan elemen E pada puncak stack S.

Hasilnya merupakan stack yang lebih besar.

PUSH(E,S). E ditempatkan sebagai TOP(S).

4. POP(stack)

adalah operator yang menghapus sebuah elemen dari puncak stack S.

Hasilnya merupakan stack yang lebih kecil.

• POP(S) mengurangi NOEL(S)

• POP(CREATE(S)) → kondisi error

• POP(PUSH(E,S)) = S

DEKLARASI STACK DALAM COBOL DAN PASCAL

TOP-PTR

→ 100 S Keterangan :

•

• STACK S

• TOP-PTR : subskrip dari elemen TOP(S) dari stack 1.

COBOL

01 STACK-STRUCT → kombinasi dari array dan indikator untuk TOP

02 S OCCURS 100 TIMES PIC 9(5)

02 TOP-PTR PIC 9(3)

PASCAL

TYPE STACKSTRUCT = RECORD

STACK : ARRAY [1..10] of integer;

TOPPTR : integer;

END;

VAR S : STACKSTRUCT;

NOEL(S) = TOP-PTR, ISEMPTY(S) = true, bila TOP-PTR = 0.

OPERASI PUSH & POP

PUSH

IF TOP-PTR <>

THEN COMPUTE TOP-PTR = TOP-PTR + 1

MOVE EON TO S(TOP-PTR)

ELSE Overflow condition

POP

IF TOP-PTR > 0

THEN MOVE S(TOP-PTR) TO EOFF

COMPUTE TOP-PTR = TOP-PTR - 1

ELSE Underflow condition

EON : elemen yang di PUSH ke dalam S.

EOFF : elemen yang di POP ke luar S.

NOEL-MAX : panjang max stack.

PUSH

Procedure PUSH (eon: integer);

Begin

if (s.topptr <>

then

Begin

s.topptr := s.topptr + 1;

s.stack [s.topptr] := eon;

End;

else Overflow-condition

End;

POP

Procedure POP (var eoff : integer);

Begin

if (s.topptr > 0)

then

Begin

eoff := s.stack [s.topptr];

s.topptr := s.topptr - 1;

End;

else Underflow Condition

End;

APLIKASI STACK

1. Penjodohan Tanda Kurung/Matching Parantheses

ALGORITMA

a. Amati barisan elemen dari kiri ke kanan

b. • bila bertemu ‘(‘, maka ‘(‘ di push ke dalam stack.

• bila bertemu ‘)’, maka periksa stack hampa atau tidak.

bila hampa → ada ‘)’ dan tidak ada ‘(‘ (error)

bila tidak hampa → ada sepasang ‘(‘ & ‘)’ & POP elemen keluar

2. NOTASI POSTFIX

ALGORITMA

Amati barisan dari kiri ke kanan

1. Jika ‘(‘, maka PUSH ke dalam stack.

2. Jika ‘)’, POP elemen dalam stack sampai simbol ‘(‘. Semua di POP

merupakan output kecuali ‘(‘ tadi.

3. Jika simbol operand, langsung merupakan output.

4. Jika simbol operator, maka :

Jika elemen TOP stack dengan level >= maka POP sebagai output

teruskan sampai ‘(‘.

elemen TOP <, operator yang diamati di PUSH ke dalam stack.

5. Bila ‘;’ kita POP semua elemen dalam stack hingga hampa.

APLIKASI STACK

Notasi Postfix

Contoh :

Notasi Infix : ((A+B) * C/D+E^F)/G;