Struktur CPU

Komponen Utama CPU

CPU  merupakan komponen terpenting  dari  sistem  komputer. CPU  adalah komponenpengolah data berdasarkan instruksi – instruksi yang diberikan kepadanya. 

Dalam mewujudkan fungsi dan tugasnya, CPU tersusun atas beberapa komponen sebagaibagian dari struktur CPU, seperti terlihat pada gambar 3.1 dan struktur detail internal CPU terlihatpada gamber 3.2. CPU tersusun atas beberapa komponen, yaitu : 

•  Arithmetic  and Logic  Unit  (ALU), bertugas  membentuk  fungsi  – fungsi  pengolahan data komputer. ALU  sering  disebut    mesin bahasa   (machine  language)  karena  bagian ini mengerjakan instruksi  – instruksi  bahasa  mesin yang  diberikan padanya. Seperti  istilahnya, ALU  terdiri  dari  dua  bagian, yaitu unit  arithmetika  dan unit  logika  boolean, yang  masing – masing memiliki spesifikasi tugas tersendiri. 

• Control Unit, bertugas mengontrol operasi CPU dan secara keselurahan mengontrol komputer sehingga  terjadi  sinkronisasi  kerja  antar  komponen dalam  menjalankan fungsi  – fungsi operasinya. Termasuk  dalam  tanggung  jawab unit  kontrol  adalah mengambil  instruksi  – instruksi dari memori utama dan menentukan jenis instruksi tersebut. 

• Registers, adalah media penyimpan internal CPU yang digunakan saat proses pengolahan data. Memori ini bersifat sementara, biasanya digunakan untuk menyimpan data saat diolah ataupun data untuk pengolahan selanjutnya. 

• 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.

Fungsi CPU

Fungsi CPU adalah penjalankan program – program yang disimpan dalam memori utama dengan cara  mengambil  instruksi  – instruksi, menguji  instruksi  tersebut  dan mengeksekusinya satu persatu sesuai alur perintah. 

Untuk memahami fungsi CPU dan caranya berinteraksi dengan komponen lain, perlu kita tinjau lebih jauh proses eksekusi program. Pandangan paling sederhana proses eksekusi program adalah dengan mengambil  pengolahan instruksi  yang  terdiri  dari  dua  langkah, yaitu :  operasi pembacaan instruksi  (fetch)  dan operasi  pelaksanaan instruksi  (execute). Siklus  instruksi  yang terdiri dari siklus fetch dan siklus eksekusi diperlihatkan pada gambar 3.3 berikut.  

             

Siklus Fetch - Eksekusi

Pada setiap siklus instruksi, CPU awalnya akan membaca instruksi dari memori. Terdapat register  dalam  CPU  yang  berfungsi  mengawasi  dan menghitung  instruksi  selanjutnya, yang disebut Program Counter (PC). PC akan menambah satu hitungannya setiap kali CPU membaca instruksi. Instruksi  – instruksi  yang  dibaca  akan dibuat  dalam  register  instruksi  (IR). Instruksi  – instruksi ini dalam bentuk kode – kode binner yang dapat diinterpretasikan oleh CPU kemudian dilakukan aksi yang diperlukan. Aksi – aksi ini dikelompokkan menjadi empat katagori, yaitu :

• CPU – Memori, perpindahan data dari CPU ke memori dan sebaliknya.
• CPU –I/O, perpindahan data dari CPU ke modul I/O dan sebaliknya.  Pengolahan Data, CPU membentuk sejumlah operasi aritmatika dan logika terhadap data. 
•  Kontrol, merupakan instruksi  untuk  pengontrolan fungsi  atau kerja. Misalnya instruksi pengubahan urusan eksekusi.  Perlu diketahui  bahwa  siklus  eksekusi untuk suatu instruksi dapat melibatkan lebih dari sebuah referensi ke memori. Disamping itu juga, suatu instruksi dapat menentukan suatu operasi I/O. Perhatikan gambar 3.4 yang merupakan detail siklus operasi pada gambar 3.3, yaitu : 
• Instruction Addess  Calculation (IAC), yaitu mengkalkulasi  atau menentukan alamat  instruksi berikutnya  yang  akan dieksekusi. Biasanya  melibatkan penambahan bilangan tetap ke  alamat instruksi sebelumnya. Misalnya, bila panjang setiap instruksi 16 bit padahal memori memiliki panjang 8 bit, maka tambahkan 2 ke alamat sebelumnya. 
•  Instruction Fetch (IF), yaitu membaca atau pengambil instruksi dari lokasi memorinya ke CPU. 
• Instruction Operation Decoding (IOD), yaitu menganalisa  instruksi  untuk  menentukan jenis operasi yang akan dibentuk dan operand yang akan digunakan. 
• Operand Address  Calculation (OAC), yaitu menentukan alamat  operand, hal  ini  dilakukan apabila melibatkan referensi operand pada memori. 
•  Operand Fetch (OF), adalah mengambil operand dari memori atau dari modul I/O. 
• Data Operation (DO), yaitu membentuk operasi yang diperintahkan dalam instruksi. 
• Operand store (OS), yaitu menyimpan hasil eksekusi ke dalam memori.  

Fungsi Interrupt

Fungsi  interupsi  adalah mekanisme  penghentian atau pengalihan pengolahan instruksi dalam  CPU  kepada  routine  interupsi. Hampir  semua  modul  (memori  dan I/O)  memiliki mekanisme yang dapat menginterupsi kerja CPU. 

Tujuan interupsi  secara  umum  untuk  menejemen pengeksekusian routine  instruksi  agar efektif  dan efisien antar  CPU  dan modul  – modul  I/O  maupun memori. Setiap komponen komputer  dapat  menjalankan tugasnya  secara  bersamaan, tetapi  kendali  terletak  pada CPU disamping  itu kecepatan eksekusi  masing  – masing  modul  berbeda  sehingga  dengan adanya  fungsi  interupsi  ini  dapat  sebagai  sinkronisasi  kerja  antar  modul. Macam – macam kelas sinyal interupsi :

• Program, yaitu interupsi  yang  dibangkitkan dengan beberapa  kondisi  yang  terjadi  pada hasil eksekusi program. Contohnya: arimatika overflow, pembagian nol, oparasi ilegal. 
• Timer, adalah interupsi yang dibangkitkan pewaktuan dalam prosesor. Sinyal ini memungkinkan sistem operasi menjalankan fungsi tertentu secara reguler. 
•  I/O, sinyal interupsi yang dibangkitkan oleh modul I/O sehubungan pemberitahuan kondisi error dan penyelesaian suatu operasi. 
• Hardware  failure,        adalah interupsi  yang  dibangkitkan oleh kegagalan daya  atau kesalahan paritas memori. 

Dengan adanya  mekanisme  interupsi, prosesor  dapat  digunakan untuk  mengeksekusi

instruksi – instruksi lain. Saat suatu modul telah selesai menjalankan tugasnya dan siap menerima

tugas berikutnya maka modul ini akan mengirimkan permintaan interupsi ke prosesor. Kemudian

prosesor  akan menghentikan eksekusi  yang  dijalankannya  untuk  menghandel  routine  interupsi. Setelah program interupsi selesai maka prosesor akan melanjutkan eksekusi programnya kembali. Saat  sinyal  interupsi  diterima  prosesor  ada  dua  kemungkinan tindakan, yaitu interupsi diterima/ditangguhkan dan interupsi  ditolak. Apabila  interupsi ditangguhkan, prosesor  akan melakukan hal – hal dibawah ini :

1. Prosesor  menangguhkan eksekusi  program  yang  dijalankan dan menyimpan konteksnya. Tindakan ini adalah menyimpan alamat instruksi berikutnya yang akan dieksekusi dan data lain yang relevan. 
2.  Prosesor menyetel program counter (PC) ke alamat awal routine interrupt handler. 

Gambar 3.5 berikut menjelaskan siklus eksekusi oleh prosesor dengan adanya fungsi interupsi.

Untuk  sistem  operasi  yang  kompleks  sangat  dimungkinkan adanya  interupsi  ganda

(multiple  interrupt). Misalnya  suatu komputer  akan menerima  permintaan interupsi  saat  proses

pencetakan dengan printer  selesai, disamping  itu dimungkinkan dari  saluran komunikasi  akan

mengirimkan permintaan interupsi setiap kali data tiba. Dalam hal ini prosesor harus menangani

interupsi ganda. 

             Dapat diambil dua buah pendekatan untuk menangani interupsi ganda ini. Pertamaadalah menolak atau tidak mengizinkan interupsi lain saat suatu interupsi ditangani prosesor. Kemudian setelah prosesor  selesai  menangani  suatu interupsi  maka  interupsi  lain baru di  tangani. Pendekatan ini disebut  pengolahan interupsi berurutan / sekuensial. Pendekatan ini cukup baik dan sederhana karena interupsi ditangani dalam ututan yang cukup ketat. Kelemahan pendekatan ini  adalah metode  ini  tidak  memperhitungkan prioritas  interupsi. Pendekatan ini  diperlihatkan pada gambar 3.6a. 

Pendekatan kedua  adalah dengan mendefinisikan prioritas  bagi  interupsi  dan interrupt

handler mengizinkan interupsi  berprioritas  lebih tinggi ditangani terlebih dahulu. Pedekatan ini disebut pengolahan interupsi bersarang. Metode ini digambarkan pada gambar 3.6b.  

Sebagai  contoh untuk  mendekatan bersarang, misalnya  suatu sistem  memiliki  tiga

perangkat  I/O:  printer, disk, dan saluran komunikasi, masing  – masing  prioritasnya  2, 4 dan 5. Pada awal  sistem  melakukan pencetakan dengan printer, saat itu terdapat pengiriman data pada saluran komunikasi  sehingga  modul  komunikasi  meminta  interupsi. Proses  selanjutnya  adalah pengalihan eksekusi interupsi mudul komunikasi, sedangkan interupsi printer ditangguhkan. Saat pengeksekusian modul komunikasi terjadi interupsi disk, namun karena prioritasnya lebih rendah maka  interupsi disk ditangguhkan. Setelah interupsi modul komunikasi selesai akan dilanjutkan interupsi  yang  memiliki  prioritas  lebih tinggi, yaitu disk. Bila  interupsi  disk  selesai  dilanjutkan eksekusi interupsi printer. Selanjutnya dilanjutkan eksekusi program utama.