Beberapa bulan lalu,
secara perumpamaan saya telah gambarkan mengenai fungsi processor dalam artikelFungsi Processor, Memory, Motherboard
dan Hard Disk.Pada artikel tersebut tidak pengetahuan apa-apa yang saya
berikan, tetapi hanya pemahaman awal saja. Pada artikel ini barulah akan saya
berikan semua hal penting mengenai processor. Prosesor (CPU, Central Processing
Unit) adalah otak dari sebuah komputer.Komponen
computer ini memungkinkan pengolahan data angka, yang berupa informasi yang
dimasukkan dalam bentuk biner, dan eksekusi instruksi yang tersimpan dalam
memori.
Microprocessor pertama (Intel 4004) ditemukan pada tahun 1971.Microprocessor ini merupakan perangkat perhitungan 4-bit dengan kecepatan 108 kHz.Sejak itu, mikroprosesor telah tumbuh secara eksponensial. Jadi apa sebenarnya potongan-potongan kecil silikon yang menjalankan komputer kita ini? Itulah yang akan kita bahas.
Microprocessor pertama (Intel 4004) ditemukan pada tahun 1971.Microprocessor ini merupakan perangkat perhitungan 4-bit dengan kecepatan 108 kHz.Sejak itu, mikroprosesor telah tumbuh secara eksponensial. Jadi apa sebenarnya potongan-potongan kecil silikon yang menjalankan komputer kita ini? Itulah yang akan kita bahas.
Penjelasan Tentang Prosesor Intel 4004
Processor
Prosesor (CPUyang disebut juga Central Processing Unit) adalah
sebuah sirkuit elektronik yang beroperasi pada suatu kecepatan berkat clock
internal pada sebuah kristal kuarsa, yang mengalami sebuah kismis listrik, yang
disebut “peak”. Clock speed (juga disebut siklus), adalah jumlah kiriman
getaran per detik, ditulis dalam Hertz (Hz).Dengan demikian, komputer 200 MHz
memiliki clock yang mengirimkan getaran pulse 200.000.000 per detik.Clock
frekuensi umumnya merupakan kelipatan dari frekuensi sistem (FSB, Front-Side
Bus), yang berarti kelipatan dari frekuensi motherboard.
Pada setiap puncak clock, prosesor melakukan tindakan yang
sesuai untuk sebuah instruksi atau bagian daripadanya. Alat ukurnya disebut CPI
(Cycles Per Instruction) merupakan representasi dari rata-rata jumlah siklus
clock yang diperlukan oleh microprocessor untuk mengeksekusi instruksi. Daya
sebuah microprocess dapat dicirikan dari jumlah instruksi per detik yang ia
mampu kerjakan. MIPS (millions of instructions per second) adalah satuan yang
digunakan sesuai dengan frekuensi prosesor dibagi dengan CPI.
Sebuah instruksi adalah operasi dasar yang dapat diselesaikan
prosesor.Instruksi disimpan dalam memori utama, menunggu untuk diproses oleh
prosesor. Sebuah instruksi memiliki dua bidang:
§ Operation
code (Kode operasi), yang merupakan tindakan yang harus dieksekusi prosesor;
§ Operand
code (Kode operan), yang mendefinisikan parameter dari tindakan. Kode operan
tergantung pada operasi.
§ Operation
Code Operand Field
Jumlah bit dalam sebuah instruksi bervariasi menurut jenis data
(antara 1 dan 4 byte 8-bit). Instruksi dapat dikelompokkan berdasarkan
kategori, di mana yang utama adalah:
1. Memory
Access: mengakses memori atau mentransfer data antara register.
2. Arithmetic
Operations: melakukan operasi seperti penambahan, pengurangan pembagian, atau
perkalian.
3. Logic
Operations: seperti operasi AND, OR, NOT, EXCLUSIVE NOT, dll
4. Control:
urutan kontrol, koneksi kondisional, dll
Register
Ketika prosesor mengeksekusi instruksi, data disimpan sementara
dalam lokasi kecil di memori lokal bit 8, 16, 32 atau 64 disebut register.
Tergantung pada jenis prosesor, jumlah keseluruhan dari register dapat
bervariasi dari sekitar sepuluh sampai ratusan.
Register utama adalah:
1. Register
akumulator (accumulator register atau ACC), yang menyimpan hasil operasi
aritmatika dan logika;
2. Register
status (PSW, Processor Status Word), yang memegang indikator status sistem
(membawa digit, overflow, dll);
3. Register
instruksi (RI, instruction register), yang berisi instruksi yang sedang
diproses saat ini;
4. Counter
ordinal atau ordinal counter (OC or PC for Program Counter), yang berisi alamat
dari instruksi berikutnya untuk proses;
5. Register
buffer, yang menyimpan data sementara dari memori.
Memori Cache
Memori cache (juga disebut memori buffer) yaitu memori lokal
yang mengurangi waktu tunggu untuk informasi yang tersimpan dalam RAM (Random
Access Memory). Jika waktu tunggu lama, maka memori utama komputer akan lebih
lambat dibandingkan dengan prosesor. Namun jenis memori yang lebih cepat
memmbutuhkan biaya yang sangat meningkat.Solusinya adalah menyertakan jenis
memori lokal pada prosesor dan menyimpan untuk sementara waktu data primer
untuk diproses. Model komputer terbaru memiliki tingkat yang berbeda-beda
tentang besarnya memori cache;
1. Cache
memori Level satu (disebut Cache L1, untuk Level 1 Cache) secara langsung
terintegrasi ke dalam prosesor. Level 1 cache dapat diakses dengan sangat
cepat. Bagian ini dibagi menjadi dua bagian:
1. Bagian
pertama adalah cache instruksi, yang berisi petunjuk dari RAM yang telah
diterjemahkan saat mereka datang melalui pipelines.
2. Bagian
kedua adalah data cache, yang berisi data dari RAM dan data terakhir digunakan
selama operasi prosesor.
Cache memori Level dua (disebut L2 Cache, untuk Level 2 Cache)
terletak dalam case bersama dengan prosesor (dalam chip). Level dua cache
perantara antara prosesor dengan cache internal, dan RAM. Bagian ini dapat
diakses lebih cepat daripada RAM, tetapi kurang cepat dari cache tingkat satu.
Tingkat tiga cache memori (disebut L3 Cache, untuk Level 3
Cache) terletak pada motherboard.
Semua tingkat cache mengurangi waktu latency berbagai jenis
memori saat memproses atau mentransfer informasi.Sementara prosesor bekerja,
pengendali cache tingkat satu dapat tukar-menukar dengan kontroler tingkat dua
untuk mentransfer informasi tanpa menghambat prosesor.Selain itu, antarmuka
cache tingkat dua dengan RAM (tingkat tiga cache) memungkinkan transfer tanpa
menghalangi operasi prosesor secara normal.
Sinyal Kontrol
Sinyal kontrol adalah sinyal elektronik yang mengatur berbagai
unit prosesor berpartisipasi dalam pelaksanaan sebuah instruksi.Sinyal kontrol
dikirim menggunakan elemen yang disebut sebuah sequencer. Misalnya, Read/Write
sinyal memungkinkan memori yang akan diberitahu bahwa prosesor ingin membaca
atau menulis informasi. Diagram di bawah ini memberikan representasi yang
disederhanakan dari unsur-unsur yang membentuk prosesor (layout fisik dari
elemen-elemen berbeda dari tata letak mereka yang sebenarnya):
Transistor
Untuk memproses informasi, mikroprosesor memiliki sekelompok
instruksi, yang disebut ” instruction set”, yang dimungkinkan oleh sirkuit
elektronik. Lebih tepatnya, set instruksi dibuat dengan bantuan semikonduktor,
“circuit switches” kecil yang menggunakan efek transistor, ditemukan pada tahun
1947 oleh John Barden, Walter H. Brattain dan William Shockley yang menerima
Hadiah Nobel pada tahun 1956 untuk itu.
Sebuah transistor (kontraksi resistor transfer) adalah komponen
semi-konduktor elektronik yang memiliki tiga elektroda dan mampu memodifikasi
obyek saat melewatinya menggunakan salah satu elektrodanya (disebut kontrol
elektroda).Ini disebut sebagai “komponen aktif”, berbeda dengan “komponen
pasif”, seperti resistensi atau kapasitor yang hanya memiliki dua elektroda
(disebut sebagai “bipolar”).
MOS Transistor
Sebuah transistor MOS
(metal, oxide, silicone) adalah jenis yang paling umum dari
transistor digunakan untuk merancang sirkuit terpadu.MOS transistor memiliki
dua area bermuatan negatif, masing-masing disebut sumber (yang memiliki muatan
hampir nol) dan tiriskan (yang memiliki muatan 5V), dipisahkan oleh suatu
wilayah bermuatan positif, disebut substrat). Substrat memiliki kontrol lapis
elektroda, disebut gerbang, yang memungkinkan charge yang akan diterapkan pada
substrat.
Ketika tidak ada muatan pada elektroda kontrol, substrat yang
bermuatan positif bertindak sebagai penghalang dan mencegah gerakan
elektron.Namun, ketika charge diterapkan ke pintu gerbang, muatan positif
substrat ditolak dan saluran komunikasi yang bermuatan negatif dibuka antara
source and the drain.
Transistor dalam hal ini bertindak sebagai saklar program,
berkat kontrol elektroda. Ketika charge diterapkan ke elektroda kontrol, ia
bertindak sebagai interrupter tertutup dan ketika tanpa charge bertindak
sebagai interrupter terbuka.
Sirkuit Terpadu (IC, Integrate Circuit)
Setelah digabungkan,
transistor dapat membuat sirkuit logika, yang jika digabungkan, akhirnya
membentuk yang kita sebut sekarang sebagai prosesor.Sirkuit terpadu pertama
dibuat tahun 1958 dan dibangun oleh Texas Instruments.
MOS transistor merupakan kepingan dari silikon (disebut wafer) yang diperoleh setelah beberapa proses. Kepingan silikon ini dipotong menjadi elemen-elemen segi empat membentuk “circuit”.Sirkuit kemudian ditempatkan dalam case-case dengan konektor input-output dan jumlah dari bagian-bagian ini membuat sebuah “sirkuit terpadu”.Bisa terdapat jutaan transistor pada satu prosesor tunggal.
MOS transistor merupakan kepingan dari silikon (disebut wafer) yang diperoleh setelah beberapa proses. Kepingan silikon ini dipotong menjadi elemen-elemen segi empat membentuk “circuit”.Sirkuit kemudian ditempatkan dalam case-case dengan konektor input-output dan jumlah dari bagian-bagian ini membuat sebuah “sirkuit terpadu”.Bisa terdapat jutaan transistor pada satu prosesor tunggal.
Hukum Moore, ditulis pada tahun 1965 oleh Gordon E. Moore,
pendiri Intel, memprediksikan bahwa kinerja prosesor (dengan perluasan dari
jumlah transistor terintegrasi dalam silikon) akan berlipat ganda setiap dua
belas bulan. Hukum ini telah direvisi pada tahun 1975, membawa jumlah bulan
sampai dengan 18. Karena case persegi panjang berisi pin input-output yang
mirip kaki, “electronic flea” maka dalam bahasa Prancis digunakan untuk merujuk
ke sirkuit terpadu.
Prosesor dikelompokkan ke
dalam kluster berikut, sesuai dengan set instruksi yang unik:
1. 80×86: “x” mewakili keluarga. Oleh karena itu dibuat untuk 386, 486, 586, 686, dll
2.ARM
3.IA-64
4.MIPS
5.Motorola 6800
6.PowerPC
7. SPARC
1. 80×86: “x” mewakili keluarga. Oleh karena itu dibuat untuk 386, 486, 586, 686, dll
2.ARM
3.IA-64
4.MIPS
5.Motorola 6800
6.PowerPC
7. SPARC
Hal ini menjelaskan mengapa program diproduksi untuk jenis
prosesor tertentu hanya dapat langsung bekerja pada sistem dengan jenis
prosesor lain jika ada instruksi terjemahan, yang disebut emulasi. Istilah
“emulator” digunakan untuk merujuk pada program melakukan terjemahan ini.
Instruction Set
Sebuah set instruksi adalah jumlah operasi dasar yang dapat
diselesaikan prosesor. Sebuah set instruksi processor adalah faktor yang
menentukan dalam arsitektur, bahkan meskipun arsitektur yang sama dapat
mengakibatkan implementasi yang berbeda oleh produsen yang berbeda. Prosesor
bekerja efisien berkat sejumlah instruksi, yang didesain untuk sirkuit
elektronik.Kebanyakan operasi dapat dilakukan dengan menggunakan fungsi dasar.
Arsitektur CISC
CISC (Complex Instruction Set Computer) berarti arsitektur
hardwiring prosesor dengan instruksi kompleks yang sulit untuk membuat
menggunakan petunjuk dasar.CISC sangat populer di tipe prosesor 80×86.Jenis
arsitektur processor ini memiliki biaya tinggi karena fungsi-fungsi lanjutan
tercetak pada silikon tersebut.
Variabel Instruksi panjang kadang-kadang membutuhkan lebih dari
satu siklus clock. Karena itu prosesor berbasis CISC hanya dapat memproses satu
instruksi pada satu waktu, waktu proses adalah ukuran dari fungsi instruksi.
Arsitektur RISC
Prosesor dengan RISC (Reduced Instruction Set Computer) adalah
teknologi yang tidak memiliki fungsi-fungsi lanjutan terprogram. Instruksi
dieksekusi hanya dalam satu siklus clock, yang mempercepat eksekusi program
bila dibandingkan dengan prosesor CISC. Akhirnya, prosesor ini bisa menangani
beberapa instruksi secara bersamaan dengan memproses mereka secara paralel.
Perbaikan Teknologi
Sepanjang waktu, produsen mikroprosesor (disebut pendiri) telah
mengembangkan sejumlah perbaikan yang mengoptimalkan kinerja prosesor.
Pengolahan Paralel yang diterapkan secara simultan melaksanakan instruksi dari
program yang sama pada prosesor yang berbeda. Ini melibatkan pembagian sebuah
program menjadi beberapa proses yang ditangani secara paralel untuk mengurangi
waktu tunggu eksekusi.
Pipelining
Pipelining adalah teknologi yang meningkatkan kecepatan eksekusi
instruksi dengan meletakkan langkah-langkah menjadi paralel.Untuk memahami
mekanisme pipelining, pertama-tama perlu untuk memahami fase eksekusi dari
sebuah instruksi. Pelaksanaan tahapan instruksi untuk prosesor dengan 5-langkah
adalah sebagai berikut:
§ FETCH:
(mengambil instruksi dari cache;
§ DeCODE:
decode instruksi dan terlihat untuk operan (mendaftar atau nilai-nilai
langsung);
§ EXECUTE:
melakukan instruksi (misalnya, jika itu adalah instruksi ADD, penambahan
dilakukan, jika instruksi SUB, pengurangan dilakukan, dll);
§ MEMORY:
mengakses memori, dan menulis data atau mengambil data;
§ WRITE
BACK (retire): mencatat nilai yang dihitung di register.
Instruksi diatur dalam baris dalam memori dan dimuat satu demi
satu. Berkat pipeline, pengolahan instruksi tidak memerlukan lebih dari lima
langkah sebelumnya. Namun urutan langkah ini tak berubah (FETCH, DECODE,
EXECUTE, MEMORY, WRITE BACK), adalah mungkin untuk membuat sirkuit khusus dalam
masing-masing prosesor.
HyperThreading
HyperThreading (ditulis HT) adalah teknologi yang menempatkan
dua prosesor logika dalam satu prosesor fisik.Dengan demikian, sistem mengakui
dua prosesor fisik dan berperilaku seperti sistem multitasking dengan
mengirimkan dua thread secara simultan, disebut sebagai SMT (Simultaneous Multi
Threading).Ini merupakan “manipulasi” yang memungkinkan sumber daya prosesor
menjadi lebih baik dengan kecepatan kerja lebih tinggi.
