Arsitektur Komputer. Pertemuan ke-3 - Aritmatika Komputer (2) >>> Sistem bilangan & Format Data - Perkembangan Perangkat Keras Komputer

(1)

Arsitektur Komputer

Pertemuan ke-3

- Aritmatika Komputer (2)

>>> Sistem bilangan & Format Data

(2)

D

ATA

F

ORMATS



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

(3)

S

OURCES OF

D

ATA

 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 device

A 1+2=3 math

Figure 3.1 with this color scheme

(4)

C

OMMON

D

ATA

R

EPRESENTATIONS

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

(5)

I

NTERNAL

D

ATA

R

EPRESENTATION

 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 p te r 3 Da ta F o rm a ts

(6)

D

ATA

T

YPES

: A

LPHANUMERIC



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 calculation

 Examples: Variables declared as numbers by the

programmer (Salary$ in BASIC)

 Treated as characters if processed as text

 Examples: Phone numbers, ZIP codes

Cha p te r 3 Da ta F o rm a ts

(7)

R

EPRESENTING

C

HARACTERS

 ASCII - most widely used coding scheme  EBCDIC: IBM mainframe (legacy)

 Unicode: developed for worldwide use

3-7 Cha p te r 3 Da ta F o rm a ts

(8)

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

(9)

ASCII R

EFERENCE

T

ABLE 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

(10)

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

(11)

U

NICODE



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

(12)

C

OLLATING

S

EQUENCE



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

(13)

2 C

LASSES OF

C

ODES



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

(14)

K

EYBOARD

I

NPUT



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 combinations

 Examples: shift and control keys

(15)

O

THER

A

LPHANUMERIC

I

NPUT

 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 syntax

(16)

I

MAGE

D

ATA

 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

(17)

O

BJECT

I

MAGES



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

(18)

D

ATA

C

OMPRESSION

 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 100:1

(19)

I

NTERNAL

C

OMPUTER

D

ATA

F

ORMAT

 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 p te r 3 Da ta F o rm a ts

(20)

5 S

IMPLE

D

ATA

T

YPES

 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

(21)

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

(22)

PERKEMBANGAN

PERANGKAT KERAS

KOMPUTER

Materi :

(23)

Minggu III 23

ENIAC



E

lectronic

N

umerical

I

ntegrator

A

nd

C

omputer

Eckert and Mauchly

University of Pennsylvania

Tabel lintasan peluru

Mulai dibuat tahun 1943

Selesai tahun 1946

Terlambat digunakan dalam perang dunia

Dipakai sampai 1955

(24)

Detail dari ENIAC



Menggunakan sistem Decimal (bukan

binary)



Memiliki 20 accumulators untuk 10 digits



Diprogram secara manual melalui saklar (

switches )



Berisi 18,000 tabung vakum



Berat 30 tons



Volume 15,000 kaki persegi



Daya listrik 140 kW

(25)

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)

(26)

Struktur Mesin Von Nuemann

Main Memory

Arithmetic and Logic Unit

Program Control Unit Input

Output Equipment

(27)

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

(28)

Structure of IAS - detail

Main Memory Arithmetic and Logic Unit

Program Control Unit Input Output Equipment MBR

Arithmetic & Logic Circuits MQ Accumulator MAR Control Circuits IBR IR PC Address Instructions & Data

(29)

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.

(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.

(31)

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

(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

(33)

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

(34)

Komputer Berbasis Transistor

Mesin generasi II

NCR & RCA menghasilkan small transistor machines

IBM 7000

DEC - 1957

(35)

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

(36)

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

(37)

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

(38)

Perkembangan Jumlah Transistor

dalam CPU

(39)

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

(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

(41)

Minggu III 41

Struktur BUS DEC - PDP-8

OMNIBUS Console

Controller

CPU Main Memory I/O_Module I/O Module

(42)

Memori Semiconductor

1970

Fairchild

Ukuran kecil sebesar 1 sel core memory

Dapat menyimpan 256 bits

Non-destructive read

Lebih cepat dari core memory

(43)

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

(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.

(45)

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.

(46)

Meningkatkan Kecepatan



Pipelining



_{On board cache}



On board L1 & L2 cache



_{Branch prediction}



Data flow analysis

(47)

Minggu III 47

Peningkatan Kinerja



Kecepatan Processor meningkat



_{Kapasitas Memory meningkat}



Kecepatan Memory tertinggal dari kecepatan

processor

(48)

DRAM and Processor

Characteristics

(49)

Minggu III 49

(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