Blog Berbagi Informasi

Mikroprosesor

Apabila komputer diibaratkan sebagai tubuh manusia, maka mikroprosesor (prosesor) adalah otaknya. Kecepatan sebuah komputer sebagian besar bergantung kepada kecepatan prosesor yang terpasang didalamnya. Makin cepat prosesor yang digunakan oleh sebuah PC, makin kencang PC tersebut bekerja.

Salah satu faktor penentu kecepatan sebuah prosesor adalah jumlah transistor yang berada didalamnya. Pada komputer tempo doeloe seperti ENIAC, transistor yang digunakan berupa tabung-tabung hampa udara, sedangkan transistor pada komputer masa kini berupa rangkaian silikon yang tersusun sebagai sebuah IC (Integrated Circuit) yang berada dalam keping sebuah prosesor. Menariknya, keping IC ini cuma berukuran tidak lebih dari satu inchi persegi (kira-kira seukuran kuku ibu jari), tapi dapat menampung sampai jutaan transistor!




Jumlah transistor dalam keping sebuah prosesor terus meningkat dari waktu ke waktu seiring dengan kemajuan dalam bidang desain dan fabrikasi prosesor. Dalam sebuah prosesor 8088 (PC-XT) dengan clock speed 5 MHz yang diperkenalkan pada 1979, tertampung hingga 29.000 transistor dengan ukuran 3 mikron (sebagai bayangan, rambut manusia tebalnya 100 mikron). Peningkatan yang signifikan terjadi pada pada era prosesor 80286 (PC-AT) menjadi 134.000 transistor dengan ukuran 1,5 mikron yang bekerja pada clock speed 6 MHz. Berikutnya, pada era prosesor 80486, jumlah transistor meningkat lagi menjadi 1.200.000 dengan ukuran 1 mikron. Prosesor ini bekerja dengan clock speed 25 MHz. Era Pentium yang dimulai oleh Intel tahun 1993 melipatgandakan jumlah transistor menjadi 3.100.000 dengan ukuran 0.8 mikron pada 60 MHz. Jumlah ini meningkat gila-gilaan pada generasi prosesor keluaran Intel selanjutnya hingga pada keluarga prosesor Pentium 4, Intel berhasil menjejalkan 42.000.000 transistor seukuran 0,18 mikron kedalam keping chip yang luasnya masih cuma segitu-segitu saja! Jumlah transistor sedemikian mendongkrak clock speed prosesor tersebut hingga diatas 1.5 GHz.
Ada hubungan antara clock speed sebuah prosesor dengan jumlah instruksi yang bisa ditangani setiap detiknya (diukur dalam satuan MIPS, Million Instruction Per Second), dimana clock speed dalam sebuah prosesor berkaitan dengan fungsi pemrosesan dan waktu tunda (delay) dalam sebuah chip. Demikian pula, ada hubungan antara MIPS dengan jumlah transistor yang ada dalam keping prosesor. Sebagai contoh, prosesor 8088 dengan clock speed 5 MHz hanya dapat mengeksekusi 0,33 MIPS (sekitar 1 instruksi setiap 15 clock cycle). Karena desain multiplier pada tipe prosesor ini, maka dibutuhkan rata-rata 80 cycles hanya untuk melakukan fungsi perkalian (multiplication) pada 16 bit. Dengan lebih banyak transistor, dimungkinkan lebih banyak kapasitas multiplier dalam satu cycle speed. Saat ini, prosesor modern telah dapat mengeksekusi rata-rata 2 instruksi setiap clock cycle pada 64 bit!

Lebih banyak transistor juga memungkinkan berkembangnya teknologi pipelining. Dalam arsitektur pipeline, beberapa instruksi dapat dijalankan dalam waktu yang bersamaan. Dengan demikian, biarpun setiap instruksi dapat membutuhkan 5 clock cycle, setiap instruksi dapat dieksekusi secara simultan dalam tingkatan (stage) yang berbeda sehingga seolah-olah prosesor dapat menyelesaikan satu instruksi setiap satu clock cycle.

Prosesor RISC dan CISC

Faktor selanjutnya yang juga berpengaruh terhadap kinerja sebuah prosesor adalah Instruksi. Bahkan prosesor yang paling sederhana sekalipun memiliki set instruksinya sendiri. Kumpulan instruksi tersebut diimplementasikan dalam sebuah pola bit (bit adalah satuan penyimpanan data terkecil yang hanya terdiri dari pola “0” dan “1”) yang masing-masing memiliki arti dan fungsinya sendiri-sendiri saat dijalankan oleh instruction register. Karena komputer diprogram oleh seorang programmer manusia yang tentu punya keterbatasan untuk mengingat pola-pola bit yang panjang, maka pola tersebut direpresentasikan dalam sekumpulan kata kunci (disebut sebagai "word") yang mudah diingat. Kumpulan instruksi berbentuk kata kunci ini disebut bahasa Assembly (Assembly language). Selanjutnya, sebuah program yang disebut assembler dapat menterjemahkan kata-kata kunci tersebut menjadi pola bit dan menempatkannya dalam memori komputer untuk kemudian dijalankan oleh prosesor.

Berdasarkan set perintah didalamnya, prosesor dapat dibedakan menjadi 2 tipe, yaitu RISC (Reduced Instruction Set Computer) dan CISC (Complex Instruction Set Computer). Prosesor bertipe RISC dirancang untuk memiliki sedikit set instruksi, yaitu hanya instruksi-instruksi dasar yang dibutuhkan saja. Dengan sedikit instruksi, maka prosesor dapat bekerja dalam kecepatan yang lebih tinggi (menangani lebih banyak instruksi dalam satu waktu). Kita sudah belajar bahwa semakin banyak transistor, semakin banyak instruksi yang dapat diolah oleh sebuh prosesor. Sayangnya, makin banyak set instruksi membuat kerja prosesor semakin kompleks yang malahan mengurangi kecepatannya.

Konsep RISC pertama kali digagas oleh John Cocke, peneliti dari IBM di Yorktown, New York pada tahun 1974 saat ia membuktikan bahwa sekitar 20% instruksi pada sebuah prosesor ternyata menangani sekitar 80% dari keseluruhan kerjanya. Komputer pertama yang menggunakan konsep RISC adalah IBM PC/XT pada era 1980-an. Istilah RISC sendiri pertama kali dipopulerkan oleh David Patterson, pengajar pada University of California di Berkely. RISC memberikan banyak keuntungan dalam desain sebuah prosor berkaitan dengan sasaran perancangan sebuah prosesor yaitu: seberapa baik sebuah instruksi dapat dipetakan dalam clock speed tertentu; seberapa “sederhana” sebuah arsitektur sistem yang dibutuhkan; dan berapa banyak yang dapat dikerjakan sebuah prosesor sebelum diserahkan pada bantuan software.

Dewasa ini, konsep RISC digunakan pada proseor untuk komputer-komputer high-end, misalnya keluarga prosesor Sun SPARC buatan Sun Microsystems dan prosesor Power PC yang digunakan oleh workstation IBM RISC System/6000.

Berbeda dengan konsep RISC, prosesor dengan konsep CISC memiliki set instruksi yang jauh lebih kompleks. Konsep CISC lebih menekankan untuk menyediakan kapisatas yang dibutuhkan dengan cara yang lebih efisien. Banyaknya instruksi yang tersedia memudahkan para programmer untuk mengembangkan aplikasi untuk plattform CISC. Prosesor yang digunakan dalam komputer pribadi masa kini, Intel Pentium misalnya, umumnya berbasis CISC.

Lantas mana yang lebih baik, CISC atau RISC? Di atas kertas, dari segi kecepatan memang RISC lebih unggul, namun dari segi kinerja sesungguhnya belum tentu! Kenapa? Karena keluarga prosesor RISC hanya menyediakan instruksi untuk fungsi-fungsi dasar, maka untuk fungsi-fungsi lanjutan yang lebih kompleks, akan diambil alih oleh software, sementara untuk fungsi yang sama, prosesor berbasis CISC dapat memanfaatkan instruksinya sendiri. Padahal kita tahu bahwa instruksi berbasis prosesor lebih cepat dijalankan ketimbang instruksi berbasis software, walhasil diperoleh akumulasi kecepatan untuk prosesor CISC.

Arsitektur berbasis CISC juga memungkinkan para perancang prosesor untuk menambahkan set instruksi tambahan untuk keperluan tertentu disamping set instruksi standar yang sudah ada, misalnya set instruksi MMX (Multimedia Extension) yang ditambahkan pada prosesor buatan Intel, dan 3Dnow! pada prosesor keluaran AMD. Karena itulah maka keluarga prosesor CISC lebih banyak digunakan dalam komputer pribadi dimana aplikasinya lebih luas, sementara keluarga prosesor RISC hanya digunakan pada workstation yang biasanya memiliki lingkup aplikasi yang lebih sempit.

Penanganan Instruksi

Berdasarkan instruksi yang masuk, maka prosesor akan melakukan tiga hal dasar. Pertama, Menggunakan ALU (Arithmetic/Logic Unit), sebuah prosesor dapat melakukan operasi matematika sederhana seperti penjumlahan, pengurangan, perkalian, dan pembagian. Prosesor modern mengandung sejumlah besar fungsi-fungsi floating point untuk menjalankan fungsi matematika yang lebih kompleks. Fungsi kedua, prosesor dapat memindahkan data dari satu lokasi memori ke lokasi memori lainnya, dan yang ketiga, prosesor juga dapat mengambil keputusan dan berpindah ke set instruksi yang baru berdasarkan keputusan tersebut.

Sebenarnya dalam hal memproses sebuah instruksi, prosesor melakukan berbagai hal yang sangat rumit dan kompleks, namun semuanya bermuara kepada ketiga aktifitas dasar tersebut. Untuk itu, sebuah prosesor akan terdiri dari bagian-bagian pokok sebagai berikut:

Address bus (selebar 8, 16, 32, atau 64 bit) yang mengirimkan sebuah alamat ke memori
Data bus (selebar 8, 16, 32 atau 64 bit) yang dapat mengirimkan data ke memori atau menerima data dari memori
Line RD (read) dan WR (write) untuk memberitahukan memori apakah ia perlu mengeset atau mendapatkan sebuah alamat lokasi pada memori
Clock line yang mengatur sekuens clock pulse pada prosesor
Reset line yang bertugas mereset counter pada program ke nol (atau berapapun) dan memulai eksekusi perintah dari awal.
Dari sini kita dapat sedikit memahami spesifikasi sebuah prosesor yang sering ditulis di iklan-iklan itu. Misalnya, prosesor Pentium 4 yang bekerja pada 1,5 GHz menunjukkan bahwa clock line pada prosesor tipe Pentium 4 diset pada kecepatan 1,5 GHz (1536 MHz), sedangkan prosesor tersebut memiliki 32 bit data dan 64 bit address bus.

Industri Mikroprosesor

Industri mikroprosesor saat ini hanya menjadi monopoli segelintir perusahaan kelas dunia, masing-masing dengan spesialisasinya sendiri-sendiri. Khusus untuk pangsa komputer pribadi (PC), masih menjadi rebutan dua perusahaan raksasa, Intel dan AMD (Advanced Micro Devices). Pernah tercatat pemain lain dalam industri ini seperti Cyrix dan IBM, namun pangsanya kurang signifikan.

Intel masih mengembangkan aneka varian dari prosesor Pentium, termasuk generasi terbarunya, Pentium 4 sementara AMD masih terus mengembangkan produk prosesor Athlon dan Duron. Secara teknis, prosesor buatan kedua perusahaan ini cukup kompatibel dengan kebanyakan perangkat lunak masa kini, jadi bagi user yang ingin memilih untuk menggunakan satu diantara keduanya, akan lebih mempertimbangkan faktor harga dan performanya.

Sementara itu, sebagai alternatif ada PowerPC yang dikembangkan oleh IBM, dan processor G4 untuk Apple Macintosh, sedangkan untuk pengguna kelas high-end (untuk mainframe, misalnya) bisa memilih keluarga UltraSPARC dari SUN Microsystems atau keluarga AS/400 dari IBM.