Arsitektur Komputer

Arsitektur KomputerPertemuan ke-3

- Aritmatika Komputer (2)

>>> Sistem bilangan & Format Data

- Perkembangan Perangkat Keras Komputer

DATA FORMATS

Computers

Process and store all forms of data in binary

format

Human communication

Includes language, images and sounds

Data formats:

Specifications for converting data into computer-

usable form

Define the different ways human data may be

represented, stored and processed by a

computer3-2

SOURCES OF DATA

Binary input Begins as discrete input Example: keyboard input such as A 1+2=3 math Keyboard generates a binary number code for each key

Analog Continuous data such as sound or images Requires hardware to convert data into binary numbers

Chapter 3 Data Formats 3-3

Computer

1101000101010101…

Input

deviceA 1+2=3 math

Figure 3.1 with this

color scheme

COMMON DATA REPRESENTATIONS

Type of Data Standard(s)

Alphanumeric Unicode, ASCII, EDCDIC

Image (bitmapped) GIF (graphical image format)

TIF (tagged image file format)

PNG (portable network graphics)

Image (object) PostScript, JPEG, SWF (Macromedia

Flash), SVG

Outline graphics and fonts PostScript, TrueType

Sound WAV, AVI, MP3, MIDI, WMA

Page description PDF (Adobe Portable Document

Format), HTML, XML

Video Quicktime, MPEG-2, RealVideo, WMV


INTERNAL DATA REPRESENTATION

Reflects the Complexity of input source

Type of processing required

Trade-offs Accuracy and resolution

Simple photo vs. painting in an art book

Compactness (storage and transmission) More data required for improved accuracy and resolution

Compression represents data in a more compact form

Metadata: data that describes or interprets the meaning of data

Ease of manipulation:

Processing simple audio vs. high-fidelity sound

Standardization Proprietary formats for storing and processing data (WordPerfect vs. Word)

De facto standards: proprietary standards based on general user acceptance (PostScript)

3-5

Cha

pte

r 3 D

ata

Fo

rma

ts

DATA TYPES: ALPHANUMERIC

Alphanumeric: Characters: b T

Number digits: 7 9

Punctuation marks: ! ;

Special-purpose characters: $ &

Numeric characters vs. numbers Both entered as ordinary characters

Computer converts into numbers for calculationExamples: Variables declared as numbers by the

programmer (Salary$ in BASIC)

Treated as characters if processed as textExamples: Phone numbers, ZIP codes

3-6

Cha

pte

r 3 D

ata

Fo

rma

ts

REPRESENTING CHARACTERS

ASCII - most widely used coding scheme

EBCDIC: IBM mainframe (legacy)

Unicode: developed for worldwide use

3-7

Cha

pte

r 3 D

ata

Fo

rma

ts

ASCII

Developed by ANSI (American National Standards Institute)

Represents

Latin alphabet, Arabic numerals, standard punctuation characters

Plus small set of accents and other European special characters

ASCII

7-bit code: 128 characters

3-8

Cha

pte

r 3 D

ata

Fo

rma

ts

ASCII REFERENCE TABLE

MSD

LSD 0 1 2 3 4 5 6 7

0 NUL DLE SP 0 @ P p

1 SOH DC1 ! 1 A Q a W

2 STX DC2 “ 2 B R b r

3 ETX DC3 # 3 C S c s

4 EOT DC4 $ 4 D T d t

5 ENQ NAK % 5 E U e u

6 ACJ SYN & 6 F V f v

7 BEL ETB ‘ 7 G W g w

8 BS CAN ( 8 H X h x

9 HT EM ) 9 I Y i y

A LF SUB * : J Z j z

B VT ESC + ; K [ k {

C FF FS , < L \ l |

D CR GS - = M ] m }

E SO RS . > N ^ n ~

F SI US / ? O _ o DEL


7416

111 0100

EBCDIC

Extended Binary Coded Decimal Interchange

Code developed by IBM

Restricted mainly to IBM or IBM compatible

mainframes

Conversion software to/from ASCII available

Common in archival data

Character codes differ from ASCII

ASCII EBCDIC

Space 2016 4016

A 4116 C116

b 6216 8216


UNICODE

Most common 16-bit form represents 65,536 characters

ASCII Latin-I subset of Unicode Values 0 to 255 in Unicode table

Multilingual: defines codes for Nearly every character-based alphabet

Large set of ideographs for Chinese, Japanese and Korean

Composite characters for vowels and syllabic clusters required by some languages

Allows software modifications for local-languages

3-11

Cha

pte

r 3 D

ata

Fo

rma

ts

COLLATING SEQUENCE

Alphabetic sorting if software handles mixed

upper- and lowercase codes

In ASCII, numbers collate first; in EBCDIC, last

ASCII collating sequence for string of

characters

Letters Numeric Characters

Adam A d a m 1 011 0001

Adamian A d a m i a n 12 011 0001 011 0010

Adams A d a m s 2 011 0010


2 CLASSES OF CODES

Printing characters

Produced on the screen or printer

Control characters

Control position of output on screen or printer

Cause action to occur

Communicate status between computer and I/O

device

VT: vertical tab LF: Line feed

ESC: provides extensions by changing the meaning of a

specified number of contiguous following characters


BEL: bell rings DEL: delete current character

KEYBOARD INPUT

Scan code Two different scan codes on keyboard

One generated when key is struck and another when key is released

Converted to Unicode, ASCII or EBCDIC by software in terminal or PC

Advantage Easily adapted to different languages or

keyboard layout

Separate scan codes for key press/release for multiple key combinationsExamples: shift and control keys

3-14

Cha

pte

r 3 D

ata

Fo

rma

ts

OTHER ALPHANUMERIC INPUT

OCR (optical character reader) Scans text and inputs it as character data

Used to read specially encoded characters Example: magnetically printed check numbers

General use limited by high error rate

Bar Code Readers Used in applications that require fast, accurate and repetitive

input with minimal employee training

Examples: supermarket checkout counters and inventory control

Alphanumeric data in bar code read optically using wand

Magnetic stripe reader: alphanumeric data from credit cards

Voice Digitized audio recording common but conversion to

alphanumeric data difficult Requires knowledge of sound patterns in a language (phonemes) plus

rules for pronunciation, grammar, and syntax3-15

Cha

pte

r 3 D

ata

Fo

rma

ts

IMAGE DATA

Photographs, figures, icons, drawings, charts and graphs

Two approaches: Bitmap or raster images of photos and paintings with

continuous variation

Object or vector images composed of graphical objects like lines and curves defined geometrically

Differences include: Quality of the image

Storage space required

Time to transmit

Ease of modification

Specifications for graphics file formats The Graphics File Format Page

3-16

Cha

pte

r 3 D

ata

Fo

rma

ts

http://www.dcs.ed.ac.uk/home/mxr/gfx/index-hi.html

OBJECT IMAGES

Created by drawing packages or output from spreadsheet data graphs

Composed of lines and shapes in various colors

Computer translates geometric formulas to create the graphic

Storage space depends on image complexity number of instructions to create lines, shapes, fill

patterns

Movies Shrek and Toy Story use object images

3-17

Cha

pte

r 3 D

ata

Fo

rma

ts

DATA COMPRESSION

Compression: recoding data so that it requires fewer bytes of storage space.

Compression ratio: the amount file is shrunk

Lossless: inverse algorithm restores data to exact original form Examples: GIF, PCX, TIFF

Lossy: trades off data degradation for file size and download speed Much higher compression ratios, often 10 to 1

Example: JPEG

Common in multimedia

MPEG-2: uses both forms for ratios of 100:13-18

Cha

pte

r 3 D

ata

Fo

rma

ts

INTERNAL COMPUTER DATA FORMAT

All data stored as binary numbers

Interpreted based on

Operations computer can perform

Data types supported by programming language used to

create application

3-19

Cha

pte

r 3 D

ata

Fo

rma

ts

5 SIMPLE DATA TYPES

Boolean: 2-valued variables or constants with values of true or false

Char: Variable or constant that holds alphanumeric character

Enumerated User-defined data types with possible values listed in definition

Type DayOfWeek = Mon, Tues, Wed, Thurs, Fri, Sat, Sun

Integer: positive or negative whole numbers

Real Numbers with a decimal point

Numbers whose magnitude, large or small, exceeds computer’s capability to store as an integer

3-20

Cha

pte

r 3 D

ata

Fo

rma

ts

KUIS KE-2

Ubah 6 angka desimal pada

NIM anda menjadi bilangan

biner, oktal, dan heksa

Untuk masing-masingnya,

tunjukkan mana nilai MSB dan

mana nilai LSB

PERKEMBANGAN

PERANGKAT KERAS

KOMPUTER

Materi :

Stallings, bab 2

Minggu III 23

ENIAC

Electronic Numerical Integrator And Computer

Eckert and Mauchly

University of Pennsylvania

Tabel lintasan peluru

Mulai dibuat tahun 1943

Selesai tahun 1946

Terlambat digunakan dalam perang dunia

Dipakai sampai 1955

Minggu III 24

Detail dari ENIAC

Menggunakan sistem Decimal (bukan binary)

Memiliki 20 accumulators untuk 10 digitsDiprogram secara manual melalui saklar (

switches )Berisi 18,000 tabung vakumBerat 30 tonsVolume 15,000 kaki persegiDaya listrik 140 kW Kecepatan operasi 5,000 per detik

Minggu III 25

von Neumann/Turing

Konsep : program tersimpan (Stored Program)Memori Utama, untuk menyimpan data maupun

instruksi Arithmetic Logic Unit (ALU), untuk mengolah

data binner Control Unit, untuk melakukan interpretasi

instruksi - instruksi di dalam memori sehingga adanya eksekusi instruksi tersebut

I/0, untuk berinteraksi dengan lingkungan luar Computer of Institute for Advanced Studies

(IAS)Diselesaikan tahun 1952

26

Struktur Mesin Von Nuemann

Main

Memory

Arithmetic and

Logic Unit

Program Control Unit

Input

Output

Equipment

Minggu III 27

Detail - IAS

Kapasitas memori : 1000 x 40 bit words

Menggunakan sistem bilangan Binary

Panjang instruksi 2 x 20 bit instruksi 20 bit

Register-register dalam CPU :

Memory Buffer Register = MBR

Memory Address Register = MAR

Instruction Register = IR

Instruction Buffer Register = IBR

Program Counter = PC

Accumulator = AC

Multiplier Quotient = MQ

Structure of IAS - detail

Main

Memory

Arithmetic and Logic Unit

Program Control

Unit

Input

Output

Equipment

MBR

Arithmetic & Logic Circuits

MQAccumulator

MAR

Control

Circuits

IBR

IR

PC

Address

Instructions

& Data

Central Processing Unit

Minggu III 29

Memory Buffer Register (MBR), berisi sebuah word yang akan disimpan di dalam memori atau digunakanuntuk menerima word dari memori.

Memory Address Register (MAR), untuk menentukan alamat word di memori untuk dituliskan dari MBR atau dibaca oleh MBR.

Instruction Register (IR), berisi instruksi 8 bit kode operasi yang akan dieksekusi.

Instruction Buffer Register (IBR), digunakan untuk penyimpanan sementara instruksi sebelah kanan word di dalam memori.

Program Counter (PC), berisi alamat pasangan instruksi berikutnya yang akan diambil dari memori.

Accumulator (AC) dan Multiplier Quotient (MQ),digunakan untuk penyimpanan sementara operand dan hasil ALU. Misalnya, hasil perkalian 2 buah bilangan 40 bit adalah sebuah bilangan 80 bit; 40 bit yang paling berarti MSB disimpan dalam AC dan 40 bit lainnya LSB disimpan dalam MQ.

Keterangan Gambar

Minggu III 30

Keterangan Gambar ……Lanjutan

IAS beroperasi secara berulang membentuk siklus instruksi. Komputer IAS memiliki 21 instruksi, yang dapat dikelompokkan seperti berikut ini :

◦ Data tranfer, memindahkan data di antara memori dengan register – register ALU atau antara dua register ALU sendiri.

◦ Unconditional branch, perintah – perintah eksekusi percabangan tanpa syarat tertentu.

◦ Conditional branch, perintah – perintah eksekusi percabangan yang memerlukan syarat tertentu agar dihasilkan suatu nilai dari percabangan tersebut.

◦ Arithmetic, kumpulan operasi – operasi yang dibentuk oleh ALU.

◦ Address Modify, instruksi – instruksi yang memungkinkan pengubahan alamat saat di komputasi sehingga memungkinkan fleksibilitas alamat yang tinggi pada program.

Minggu III 31

Komputer Komersial

1947 - Eckert-Mauchly Computer Corporation

UNIVAC I (Universal Automatic Computer)

Untuk kalkulasi sensus 1950 oleh US Bureau

Menjadi divisi dari Sperry-Rand Corporation

Dipasarkan akhir tahun 1950 - UNIVAC II

Lebih cepat

Kapasitas memory lebih besar

Minggu III 32

IBM

Pabrik peralatan Punched-card

1953 - IBM 701

Komputer pertama IBM ( stored program computer )

Untuk keperluan aplikasi Scientific

1955 - IBM 702

Untuk aplikasi Business

Merupakan awal dari seri 700/7000 yang membuat IBM menjadi pabrik komputer yang dominan

Minggu III 33

Transistor

Menggantikan vacuum tubes

Lebih kecil

Lebih murah

Disipasi panas sedikit

Merupakan komponen Solid State

Dibuat dari Silicon (Sand)

Ditemukan pada tahun 1947 di laboratorium

Bell

Oleh William Shockley dkk.

Minggu III 34

Komputer Berbasis Transistor

Mesin generasi II

NCR & RCA menghasilkan small transistor machines

IBM 7000

DEC - 1957

Membuat PDP-1

Minggu III 35

Microelectronics

Secara harafiah berarti “ elektronika kecil”

Sebuah komputer dibuat dari gerbang logika

(gate), memory cells and interconnections

Sejunlah gate dikemas dalam satu keping semi

konduktor

Misal silicon wafer

Beberapa Generasi Komputer

Vacuum tube - 1946-1957

Transistor - 1958-1964

Small scale integration - 1965 on

◦ Up to 100 devices on a chip

Medium scale integration - to 1971

◦ 100-3,000 devices on a chip

Large scale integration - 1971-1977

◦ 3,000 - 100,000 devices on a chip

Very large scale integration - 1978 to date

◦ 100,000 - 100,000,000 devices on a chip

Ultra large scale integration

◦ Over 100,000,000 devices on a chip

Minggu III 37

Hukum Moore

Meningkatkan kerapatan komponen dalam chip

Gordon Moore - cofounder of Intel

Jumlah transistor/ chip meningkat 2x lipet per tahun

Sejak tahun 1970 pengembangan sedikit agak

lambat

Jumlah transistor 2x lipat setiap 18 bulan

Harga suatu chip tetap/ hampir tidak berubah

Kerapatan tinggi berarti jalur pendek, menghasilkan

kinerja yang meningkat

Ukuran semakin kecil, fleksibilitas meningkat

Daya listrik lebih hemat, panas menurun

Sambungan sedikit berarti semakin handal

Minggu III 38

Perkembangan Jumlah Transistor

dalam CPU

Minggu III 39

IBM Seri 360

1964

Pengganti (& not compatible with) seri 7000

Rancangan awal suatu “family” computer

Memiliki set instruksi yang sama atau identik

Menggunakan O/S yang sama atau identik

Kecepatan meningkat

Jumlah port I/O meningkat (i.e. Terminal banyak)

Kapasitas memory bertambah besar

Harga meningkat

Struktur pensaklarannya Multiplexed

Minggu III 40

DEC PDP-8

1964

Minicomputer pertama (after miniskirt!)

Tidak mengharuskan ruangan ber-AC

Ukurannya kecil

Harga $16,000

$100k+ untuk IBM 360

Embedded applications & OEM

Menggunakan struktur BUS

Minggu III 41

Struktur BUS DEC - PDP-8

OMNIBUS

Console

ControllerCPU Main Memory I/O

ModuleI/O

Module

Minggu III 42

Memori Semiconductor 1970

Fairchild

Ukuran kecil sebesar 1 sel core memory

Dapat menyimpan 256 bits

Non-destructive read

Lebih cepat dari core memory

Kapasitas meningkat 2x lipat setiap tahun

Minggu III 43

Intel

1971 - 4004

First microprocessor

All CPU components on a single chip

4 bit

Followed in 1972 by 8008

8 bit

Digunakan untuk aplikasi khusus

1974 – 8080 , Mikroprosesor pertama Inte

1978 – 8086, 80286

1985- 80386

1989 - 80486

Minggu III 44

8080, keluar tahun 1972 merupakan mikroprosesor pertama keluaran Intel dengan mesin 8 bit dan bus data ke memori juga 8 bit. Jumlah instruksinya 66 instruksi dengan kemampuan pengalamatan 16KB.

8086, dikenalkan tahun 1974 adalah mikroprosesor 16 bit dengan teknologi cache instruksi. Jumlah instruksi mencapai 111 dan kemampuan pengalamatan ke memori 64KB.

80286, keluar tahun 1982 merupakan pengembangan dari 8086, kemampuan pengalamatan mencapai 1MB dengan 133 instruksi.

80386, keluar tahun 1985 dengan mesin 32 bit. Sudah mendukung sistem multitasking. Dengan mesin 32 bitnya, produk ini mampu menjadi terunggul pada masa itu.

80486, dikenalkan tahun 1989. Kemajuannya pada teknologi cache memori dan pipelining instruksi. Sudah dilengkapi dengan math co-processor.

Minggu III 45

Pentium, dikeluarkan tahun 1993, menggunakan teknologi superscalar sehingga memungkinkan eksekusi instruksi secara paralel.

Pentium Pro, keluar tahun 1995. Kemajuannya pada peningkatan organisasi superscalar untuk proses paralel, ditemukan sistem prediksi cabang, analisa aliran data dan sistem cache memori yang makin canggih.

Pentium II, keluar sekitar tahun 1997 dengan teknologi MMX sehingga mampu menangani kebutuhan multimedia. Mulai Pentium II telah menggunakan teknologi RISC.

Pentium III, terdapat kemampuan instruksi floating point untuk menangani grafis 3D SSE

Pentium IV, kemampuan floating point dan multimedia semakin canggih

Itanium, memiliki kemampuan 2 unit floating point, 4 unit integer, 3 unit pencabangan, internet streaming, 128 interger register.

Minggu III 46

Meningkatkan Kecepatan

Pipelining

On board cache

On board L1 & L2 cache

Branch prediction

Data flow analysis

Speculative execution

Minggu III 47

Peningkatan Kinerja

Kecepatan Processor meningkat

Kapasitas Memory meningkat

Kecepatan Memory tertinggal dari kecepatan

processor

Minggu III 48

DRAM and Processor

Characteristics

Minggu III 49

Tren Penggunaan DRAM

Minggu III 50

Solusi

Meningkatkan jumlah bit per akses

Make DRAM “wider” rather than “deeper”

Mengubah interface DRAM

Cache

Mengurangi frequency akses memory

cache yang lebih komplek dan cache on chip

Meningkatkan interkoneksi bandwidth

Bus kecepatan tinggi - High speed buses

Hierarchy of buses

TUGAS – Kelas A

Apakah Hukum Moore masih relevan

dengan kondisi saat ini?

Buat sebuah paper / makalah yang

merepresentasikan hal tersebut.

Sertakan pula daftar pustaka.

1 kelompok 3 orang.

Dikumpulkan via email, paling lambat

tanggal 18 maret 2009 pukul 23.00

TUGAS – kelas B

Buat sebuah paper / makalah yang

berisikan tentang perkembangan

teknologi (evolusi) microprocessor

(IBM, Intel, AMD, VIA)

Sertakan pula daftar pustaka.

1 kelompok 3 orang.

Dikumpulkan via email, paling lambat

tanggal 18 maret 2009 pukul 23.00

Documents

Arsitektur Komputer