STATISTICS: Central Processing Unit (CPU)

Central Processing Unit (CPU)

Dalam kehidupan sehari-hari, istilah CPU ini lebih sering digunakan untuk menyatakan perangkat komputer yang berupa kotak (casing) yang di dalamnya terdapat beberapa perangkat keras (hardware), seperti motherboard, hardisk, memori (RAM card), VGA card, sound card, LAN card, modem, power suplay, dan perangkat-perangkat keras lainnya. Akan tetapi, yang dimaksud dengan CPU sebenarnya adalah perangkat keras yang terdapat di dalam casing komputer tersebut dan biasanya terdapat pada bagian motherboard.

Central processing unit atau disingkat dengan CPU merupakan bagian terpenting dari sebuah komputer. Karena di bagian inilah semua aktivitas kerja komputer dikendalikan. Apa yang disebut dengan kecerdasan komputer sebenarnya ada di bagian ini. Inilah otaknya komputer.

CPU adalah perangkat komputer yang menerima berbagai input dan kemudian menghasilkan output tertentu. Mayoritas komputer mampu melaksanakan beberapa perintah dalam satu waktu. Perlu diketahui bahwa kebanyakan komputer sekarang ini mampu melakukan perintah dalam kecepatan cahaya. CPU bisa melakukan perintah satu milyar per detik!

Setiap bagian-bagian CPU bekerja bersama-sama atau kolektif. Kecepatan dan keakuratan kerja CPU merupakan salah satu keunggulan dari sebuah komputer. Kecepatan kerja CPU dilambangkan dengan satuan hertz.

Chip CPU terdiri dari beberapa bagian atau fungsi. Bagian-bagian CPU antara lain adalah sebagai berikut.

1. Control Unit (CU)

Unit kontrol mengarahkan aliran data dan instruksi di dalam komputer. Unit kontrol ini dapat digambarkan sebagai manajernya CPU. Ia mengawasi atau memantau seluruh fungsi atau sistem komputer yang diatur oleh program-program. Program ini terdiri dari sirkuit elektronik yang mengirimkan sinyal ke komponen lain dalam komputer. Tugas dari unit kendali ini adalah:

· Mengatur dan mengendalikan alat-alat input dan output.

· Mengambil instruksi-instruksi dari memori utama.

· Mengambil data dari memori utama (jika diperlukan) untuk diproses.

· Mengirim instruksi ke ALU bila ada perhitungan aritmatika atau perbandingan logika serta mengawasi kerja dari ALU.

· Menyimpan hasil proses ke memori utama.

2. Arithmetic Logical Unit (ALU)

Bagian CPU ini merupakan salah satu bagian yang terpenting. Unit aritmetik logika (ALU) terdiri dari sirkuit elektronik yang membuatnya mampu melaksanakan operasi aritmatika dan logika. Ia mengeksekusi instruksi dan melakukan perhitungan (tambah, kali, kurang, dan bagi) dan perbandingan.

ALU bekerja dengan register yang berbeda untuk menyimpan data atau informasi tentang tindakan terakhir yang dilakukan oleh unit logika. ALU mampu membandingkan huruf, angka, atau karakter khusus.

3. Register

Bagian CPU berikutnya adalah register. Register merupakan perangkat memori sementara yang menyimpan data. Register membantu CPU dalam melaksanakan instruksi. Mereka dikelola oleh unit kontrol.

Register berfungsi untuk tempat penyimpanan yang berisi data dan informasi lainnya yang sering dibutuhkan ketika sebuah program sedang berjalan. Register dimaksudkan untuk dapat diakses dengan sangat cepat.

Yang termasuk register di antaranya adalah register uji dan instruksi. Register instruksi berisi instruksi CPU sedangkan register uji dimaksudkan untuk menyimpan hasil kerja yang dilakukan oleh CPU.

4. CPU Interconnections

CPU Interconnec 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.

Gambar 3.1 Komponen internal CPU

Gambar 3.2 Struktur detail internal CPU

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.

Sementara itu, untuk CPU atau prosesor yang lebih rumit dan canggih terdapat bagian yang disebut Cache Memory, yaitu bagian CPU yang dirancang untuk mempercepat akses data dari dan ke peralatan penyimpanan data luar (external data-storage device).

Pada dasarnya, fungsi dari masing-masing bagian CPU tersebut didukung dan diatur oleh. sejumlah perintah software yang masuk ke dalam memori komputer (RAM). Secara sederhana, alur kerja komputer yang melibatkan fungsi CPU dapat dijelaskan sebagai berikut.Data masuk ke dalam komputer melalui perangkat masukan, seperti keyboard, mouse, dan lain-lain.Data mengalir menuju ke memori komputer melalui CPU melalui kabel antarmuka (interface) dan kembali ke CPU.Data yang kembali ke CPU dari RAM diterjemahkan oleh unit pengolahan yang disebut dekoder perintah yang kemudian diteruskan pada bagian ALU untuk mengalami proses selanjutnya dan disimpan dalam register. Data yang telah diolah dalam ALU dapat dikirim kembali ke memori atau disimpan pada register yang lain untuk penggunaan tertentu, misalnya diakses melalui perangkat 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.

Gambar 3.3 Siklus instruksi dasar

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.

Gambar 3.4 Diagram siklus instruksi

3.2.2 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.