Seni bina komputer

Seni Bina Komputer

1.2

Seni Bina Komputer

Komponen Seni Bina Komputer

Unit Pemprosesan Pusat (UPP)

Seni bina komputer terbahagi kepada tiga komponen utama iaitu Unit Pemprosesan Pusat (UPP) atau dikenali sebagai Central Processing Unit (CPU), Unit Ingatan, serta Unit Peranti Input dan Peranti Output.
Unit Pemprosesan Pusat (UPP) juga dikenali sebagai Unit Pemprosesan Pusat (Central Processing Unit -CPU).
Merupakan “otak” bagi sistem komputer.
Terdiri daripada komponen-komponen:
- Unit Aritmetik dan Logik (ALU) – Melakukan operasi aritmetik dan operasi logik.
- Unit Kawalan – Unit yang mengawal operasi ingatan, pemprosesan dan peranti input dan output.
- Daftar (Register) – Berfungsi untuk menyimpan data secara sementara, menghantar arahan yang dicapai daripada ingatan utama sebelum diproses di ALU dan menerima hasil daripada ALU sebelum dihantar ke ingatan utama.

Unit Ingatan

Fungsi utama: Untuk menyimpan data dan arahan semasa komputer digunakan.
Hanya menyimpan atau memegang data dan arahan secara sementara iaitu selagi arahan yang merujuknya masih beroperasi.
Tidak digunakan untuk menyimpan data secara kekal kerana bersifat meruap dan akan hilang kandungannya jika bekalan elektrik terputus.
Ingatan utama terbahagi kepada 2 jenis:
- RAM (Random Access Memory/Ingatan Capaian Rawak).
- ROM (Read Only Memory/Ingatan Baca Sahaja) – Set arahan akan kekal selama-lamanya.

Peranti Input dan Output

Komponen yang digunakan untuk memastikan data dan memaparkan hasil daripada sistem komputer.
Peranti input – Menukar data luaran kepada 1 bentuk yang boleh difahami dan kemudian diproses oleh komputer.
- Contoh: Papan kekunci, skrin sentuh, pengimbas, perakam suara dan tetikus.
Peranti output – Memaparkan hasil yang diproses oleh komputer kepada bentuk yang boleh difahami oleh manusia.
- Contoh: Pencetak, monitor dan pembesar suara.

1.2.1 Kitaran Mesin (Capai-Nyahkod-Laksana)

Tugas utama CPU: Untuk melaksanakan arahan memproses data.
Pemprosesan data dan arahan mengikut kitaran mesin: Kitaran capai-nyahkod-laksana (FDE: Fetch-Decode- Execute Cycle).
FDE dikenali sebagai kitaran arahan (instruction cycle).
Pemproses menghantar isyarat supaya data dan arahan untuk dimasukkan melalui peranti input disalin ke dalam ingatan utama.
3 proses utama dalam kitaran mesin untuk menghasilkan output:
- Capai (Fetch) – Unit kawalan memberikan isyarat supaya pemproses mencapai data dan arahan dari ingatan utama dan disimpan dalam daftar sementara menunggu untuk diproses.
- Nyahkod (Decode) – Unit kawalan nyahkod atau menterjemah arahan bagi menentukan jenis operasi yang akan dilaksanakan oleh ALU.
- Laksana (Execute) – Pemproses melaksanakan operasi aritmetik dan logik terhadap data seperti yang dinyatakan oleh arahan.
Pemproses adalah mengulang proses capai-nyahkod-laksana sehingga data dan arahan selesai diproses.
Semasa proses ini diulang, hasil pemprosesan disimpan sementara di dalam daftar sehingga selesai dan hasil akhir adalah dihantar ke ingatan utama untuk dipamerkan melalui peranti output.

1.2.2 Konsep Asas Seni Bina Komputer (Von Neuman)

Sistem Bas

Pada tahun 1945: John Von Neuman mendapat idea mencipta kaedah untuk menyimpan atur cara komputer dalam sistem komputer.
Idea atur cara dan data disimpan dalam ingatan dan digerakkan dari unit ingatan ke pemproses.
3 komponen utama:
- CPU, ingatan, dan peranti input dan output.
Komponen-komponen ini dihubungkan dalam sistem bas.
Sistem bas terbahagi kepada 2 bahagian:
- Bas dalaman
  - Menghubungkan komponen-komponen dalaman pemproses dan membenarkan komponen tersebut bertukar-tukar maklumat.
- Bas luaran
  - Menghubungkan pemproses dengan komponen luaran seperti ingatan dan peranti input dan output.
  - Terbahagi kepada 3 jenis:
    - Bas data
      - Bas yang digunakan bagi memindahkan data.
      - Antara pemproses, ingatan dan peranti input/output.
      - Antara daftar, unit kawalan dan ALU.
    - Bas alamat
      - Bas yang digunakan bagi membawa alamat lokasi yang menempatkan data dan arahan dalam ingatan utama.
      - Mengandungi alamat peranti input/output.
    - Bas kawalan
      - Bas yang mengandungi isyarat kawalan yang digunakan bagi mengawal operasi keseluruhan sistem.

Unit Pemprosesan Pusat (CPU)

Ialah komponen yang paling penting dalam sistem komputer.
Nama lain: Pemproses (komponen untuk memproses data dan arahan).
3 komponen utama dalam pemproses:
- Unit Aritmetik dan Logik (ALU)
  - Melakukan operasi-operasi aritmetik (+, -, ÷, ×, nilai negatif dan sebagainya) dan operasi-operasi logik (DAN, ATAU, TAK, XATAU dan sebagainya).
  - Menerima input dari daftar-daftar dalam CPU dan menghasilkan maklumat untuk dihantar ke daftar sebelum disimpan dalam ingatan.
- Daftar
  - Komponen yang digunakan bagi menyimpan data dan arahan yang dicapai dari ingatan utama sebelum dihantar ke ALU untuk diproses dan menyimpan hasil pemprosesan sementara sebelum dihantar ke ingatan utama dan dipamerkan melalui peranti output.
  - Contoh jenis daftar dan fungsinya dalam kitar mesin pemprosesan data:
    - PC (Program Counter/Pembilang atur cara)
      - Digunakan bagi memegang alamat ingatan utama pada peringkat awal proses kitaran mesin selepas menerima arahan dari CPU.
      - PC akan menyalin alamat ke daftar MAR, nilai PC akan bertambah.
  - Daftar ini akan sentiasa menunjuk atau memegang alamat bagi arahan seterusnya yang akan dicapai.
  - ACC (Accumulator/Daftar pengumpuk)
    - Digunakan untuk menyimpan data yang menjadi input dan output semasa operasi ALU.
  - MAR (Memory Address Register/Daftar alamat ingatan)
    - Memegang alamat lokasi maklumat di dalam ingatan utama.
  - MDR (Memory Data Register/Daftar data ingatan)
    - Memegang data dan arahan yang dibaca dari ingatan atau yang akan ditulis ke ingatan.
  - IR (Instruction Register/Daftar arahan)
    - Mengandungi arahan terkini yang akan dilaksanakan.
- Unit Kawalan
  - Menerima dan menjana isyarat-isyarat bagi mengawal operasi keseluruhan sistem komputer.
  - Input utama ialah denyutan isyarat dari sistem jam.
  - Mengandungi penyahkod arahan dan logik pemasaan serta kawalan.

Sistem Jam (Clock system)

Merupakan 1 peranti cip dalam pemproses yang menjana denyutan elektronik pada kadar yang tetap bagi menyeragamkan semua operasi komputer.
Hertz digunakan bagi menghitung kadar kelajuan jam dalam pemproses (clock speed measurement).
1 hertz: 1 denyutan/kitaran per saat.
Pemproses adalah menggunakan denyutan ini semasa melaksanakan arahan dalam kitaran mesin.
1 arahan memerlukan 1 kitaran mesin untuk dilaksanakan.
Lebih tinggi kelajuan hertz, lebih laju komputer tersebut.

1.2.3 Perbezaan antara Pemproses Linear dengan Pemproses Semasa

2 Jenis Pemprosesan

Ukuran kelajuan komputer melaksanakan sesuatu tugasan bergantung kepada keupayaan pemprosesnya.
Terdapat dua jenis pemprosesan, iaitu pemprosesan linear dan pemprosesan tidak linear yang dilaksanakan dalam pemprosesan semasa.
- Pemprosesan linear
  - Dikenali sebagai pemprosesan bersiri.
  - Pemproses memproses data dan arahan secara berjujukan.
  - Pemproses memproses data dan arahan mengikut kitaran mesin iaitu capai(IF)-nyahkod(ID)-laksana(EX).
  - Sesuai untuk melaksanakan arahan yang ringkas.
- Pemproses tidak linear
  - Dikenali sebagai pemprosesan semasa atau pemprosesan selari.
  - Dikonfigurasikan bagi melakukan pelbagai tugas dalam 1 masa (multitasking).
  - Mampu melaksanakan beberapa arahan secara serentak dengan menggunakan teknik talian paip (pipelining).
  - Digunakan sebagai salah 1 kaedah untuk mempertingkatkan prestasi pemproses semasa.

Perbandingan Perlaksanaan Arahan antara Pemproses Linear dengan Pemproses Semasa

Perbezaan antara pemprosesan linear dan pemprosesan semasa:
- Pemprosesan linear
  - Kurang efektif dalam pemprosesan data dan arahan yang panjang dan kompleks.
  - Hanya boleh melakukan 1 tugas pada 1 masa dan lebih perlahan.
- Pemprosesan semasa
  - Lebih efektif bagi perlaksanaan arahan yang panjang dan kompleks.
  - Lebih efektif kerana arahan-arahan dibahagikan kepada beberapa bahagian dan dilaksanakan secara berasingan.

1.2.4 Penterjemah Bahasa Pengaturcaraan

Komputer akan melaksanakan tugas dengan mengikut arahan atau set.
Kumpulan arahan yang ditulis oleh pengatur cara dengan menggunakan pelbagai jenis bahasa pengaturcaraan.
Komputer hanya faham bahasa dalam bentuk kod mesin (digit perduaan 0,1).

Bahasa Pengaturcaraan

Bahasa pengaturcaraan aras tinggi
- Menggunakan penyataan yang mudah difahami oleh pengatur cara kerana bahasanya hampir sama dengan bahasa tabii manusia.
- Bahasa aras tinggi boleh dikategorikan kepada dua jenis, iaitu bahasa pengaturcaraan berasaskan objek dan bahasa berstruktur.
- Contoh bahasa berasaskan objek:
  - JAVA, Visual Basic, PHP, Python.
- Contoh bahasa berstruktur:
  - C, PASCAL, COBOL dan FORTRAN.
- Kebaikan bahasa pengaturcaraan aras tinggi adalah seperti di bawah:

Bahasa Pengaturcaraan Aras Rendah:
- Ialah pernyataan yang digunakan untuk membina arahan bagi komputer, dalam bentuk simbol yang ringkas seperti yang ditunjukkan di bawah:

Simbol	Arahan
ADD	Tambah
MUL atau MPY	Darab
SUB	Tolak
DIV	Bahagi
OR, NOT, AND	Fungsi logik dalam Boolean
LOAD	Mencapai data dari ingatan
STORE	Menyimpan hasil ke ingatan

Tidak banyak pengatur cara menulis atur cara dalam bahasa himpunan (assembly language) kecuali untuk sebab-sebab tertentu seperti menggunakan perkakasan khas dan melakukan tugas dengan cepat.
Pengatur cara perlu memahami seni bina pemproses dan fungsi setiap perkakasan dalam sistem komputer.

Bahasa Mesin

Bahasa yang sukar difahami dan dimanipulasi.
Bentuknya bergantung pada jenis komputer.
Atur cara dalam bahasa mesin dibina daripada jujukan digit perduaan (01011100).

Penterjemah (Translator) Bahasa Pengaturcaraan

Tugas penterjemahan adalah untuk menukarkan arahan dalam bentuk yang difahami manusia kepada bentuk yang difahami mesin.
Proses penterjemahan bahasa aras tinggi dilakukan sama ada oleh pengkompil (compiler) atau pentafsir (interpreter).
Pengkompil menukarkan seluruh kod sumber atur cara ke kod mesin sebelum dilaksanakan.
Pentafsir menukar kod sumber atur cara mengikut baris demi baris dengan 1 baris dalam 1 masa.
Pentafsir adalah lebih interaktif berbanding dengan pengkompil manakala bahasa himpunan diterjemahkan kepada bahasa mesin oleh Assembler.
Contoh bahasa pengaturcaraan yang melibatkan 2 proses (dikompil dan ditafsir) semasa terjemahan ialah JAVA.

1.2.5 Rumusan Perlaksanaan Atur Cara dalam Sebuah Pemproses

Pengkompil (Compiler): Menukarkan bahasa pengaturcaraan aras tinggi kepada bahasa mesin dan dihantar ke ingatan untuk disimpan sementara sedang proses.
Unit kawalan adalah memberikan syarat untuk mencapai data dan memberi arahan dari ingatan utama.
Data dan arahan akan dihantar ke daftar ingatan dalam pemproses melalui bas data.
Data dan arahan akan melalui kitaran mesin (capai-nyahkod-laksana) di dalam CPU sehingga selesai dan menyimpan hasil pemprosesan ke ingatan utama melalui bas data untuk dipamerkan di peranti output.