Fungsi Processor, Sejarah dan Penjelasannya

Beberapa bulan lalu, secara perumpamaan saya telah gambarkan mengenai fungsi processor dalam artikel Fungsi 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.

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.
2. 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.
3. 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.

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

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.