Sistem Komputer: Arsitektur Von Neumann, Siklus CPU, dan Logika Gerbang Digital
Lampiran & File Job Sheet Praktikum:
1. Fondasi Arsitektur Komputer Von Neumann
Arsitektur Von Neumann (diperkenalkan oleh John von Neumann pada tahun 1945) mendasari hampir seluruh sistem komputer modern (PC, Server, Laptop, hingga Smartphone). Prinsip utamanya adalah konsep Stored-Program, di mana data dan instruksi program disimpan bersama di dalam memori utama yang dapat dialamati secara terpadu.
Arsitektur ini terdiri dari 4 blok komponen fungsional utama:
- Central Processing Unit (CPU):
- Arithmetic Logic Unit (ALU): Melakukan operasi aritmetika (penjumlahan, pengurangan) dan logika boolean (AND, OR, NOT, perbandingan).
- Control Unit (CU): Mengatur, menyinkronkan, dan mengarahkan seluruh aliran data serta siklus eksekusi instruksi di dalam komputer.
- Internal Registers: Memori berkecepatan paling tinggi di dalam inti CPU untuk menyimpan operan, alamat instruksi, dan status bit (contoh: Program Counter [PC], Instruction Register [IR], Accumulator [ACC]).
- Main Memory (Memory Unit): Menyimpan instruksi program yang sedang berjalan dan data aktif yang diproses oleh CPU (RAM).
- Input / Output (I/O) Subsystem: Antarmuka penghubung komputer dengan lingkungan eksternal (keyboard, mouse, monitor, storage disk, network adapter).
- System Bus (Interkoneksi Bus): Jalur kabel komunikasi paralel/serial yang menghubungkan CPU, Memori, dan I/O:
- Address Bus: Membawa alamat fisik lokasi memori atau port I/O (bersifat satu arah / unidirectional dari CPU ke komponen lain).
- Data Bus: Membawa data nyata atau instruksi biner (bersifat dua arah / bidirectional).
- Control Bus: Mengirimkan sinyal kendali clock, sinyal baca (Read), sinyal tulis (Write), dan interupsi (Interrupt).
2. Siklus Instruksi CPU (Machine Instruction Cycle)
Setiap instruksi program perangkat lunak yang dijalankan oleh prosesor melalui 4 tahapan siklus dasar yang berulang secara kontinu milyaran kali per detik:
- Fetch (Pengambilan): Control Unit mengambil kode biner instruksi berikutnya dari memori RAM berdasarkan alamat yang ditunjuk oleh Program Counter (PC), lalu meletakkannya ke dalam Instruction Register (IR). Nilai PC kemudian dinaikkan (increment) ke alamat instruksi berikutnya.
- Decode (Penerjemahan): Unit kontrol memecah instruksi biner menjadi Opcode (kode operasi tindakan) dan Operand (data atau alamat target data).
- Execute (Eksekusi): ALU memproses operasi aritmetika atau logika sesuai arahan Opcode. Jika diperlukan data tambahan dari memori, data dibaca melalui bus data.
- Store / Writeback (Penyimpanan): Hasil pemrosesan ALU ditulis kembali ke register kerja (Accumulator) atau disimpan ke alamat memori RAM yang ditentukan.
3. Tabel Hierarki Memori Komputer
Hierarki memori dirancang berdasarkan trade-off antara kecepatan akses, biaya per gigabyte, dan kapasitas penyimpanan:
| Tingkatan Memori | Lokasi Fisik | Kecepatan Akses Tipikal | Kapasitas Tipikal | Sifat Penyimpanan |
|---|---|---|---|---|
| CPU Registers | Di dalam inti CPU | 0.2 - 0.5 nanodetik (1 cycle) | 1 KB - 8 KB | Volatile (Hilang saat mati) |
| L1 / L2 Cache | Di dalam silikon inti CPU | 1 - 4 nanodetik | 64 KB - 1 MB per core | Volatile |
| L3 Cache | Terbagi antar-core CPU | 10 - 20 nanodetik | 16 MB - 64 MB | Volatile |
| Main Memory (RAM) | Slot motherboard DIMM | 50 - 80 nanodetik | 8 GB - 128 GB | Volatile |
| SSD NVMe (PCIe 4.0) | Slot M.2 / PCIe bus | 10 - 50 mikrodetik | 512 GB - 4 TB | Non-Volatile (Tetap tersimpan) |
| Harddisk (HDD) | Port SATA kabel mekanik | 5 - 15 milidetik | 1 TB - 16 TB | Non-Volatile |
4. Representasi Bilangan Digital & Konversi
Sistem komputer hanya memahami sinyal listrik biner: tegangan tinggi mewakili logika 1 dan tegangan rendah mewakili logika 0.
| Format Bilangan | Basis Angka | Karakter Simbol | Contoh Nilai Identik | Penggunaan Praktis di TKJ |
|---|---|---|---|---|
| Biner | Basis 2 | 0, 1 |
11000000 |
Subnet Masking, Bitwise Filtering |
| Desimal | Basis 10 | 0 sampai 9 |
192 |
Notasi IPv4 dotted-decimal (192.168.1.1) |
| Heksadesimal | Basis 16 | 0-9, A, B, C, D, E, F |
C0 |
MAC Address (00:1A:2B:C0:...), IPv6, Port |
Contoh Konversi Cepat 1 Byte (8-bit) Biner ke Desimal:
Nilai bobot bit biner dari kanan (LSB) ke kiri (MSB): 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1.
Biner: 1 0 1 0 1 0 0 0
Kalkulasi: (1×128) + (0×64) + (1×32) + (0×16) + (1×8) + (0×4) + (0×2) + (0×1) = 128 + 32 + 8 = 168 (Oktet ke-2 IP Private kelas C!).
5. Tabel Kebenaran Gerbang Logika Digital Dasar
Gerbang logika adalah sirkuit elektronik dasar penyusun jutaan transistor di dalam prosesor:
| Gerbang Logika | Simbol Persamaan Boolean | Input A = 0, B = 0 | Input A = 0, B = 1 | Input A = 1, B = 0 | Input A = 1, B = 1 | Penjelasan Logika |
|---|---|---|---|---|---|---|
| AND | Y = A · B |
0 | 0 | 0 | 1 | Output bernilai 1 HANYA JIKA semua input 1 |
| OR | Y = A + B |
0 | 1 | 1 | 1 | Output bernilai 1 jika MINIMAL salah satu input 1 |
| NOT | Y = A' |
Input 0 -> 1 | Input 1 -> 0 | - | - | Inverter (membalik kondisi logika) |
| NAND | Y = (A · B)' |
1 | 1 | 1 | 0 | Kebalikan dari gerbang AND (Universal Gate) |
| NOR | Y = (A + B)' |
1 | 0 | 0 | 0 | Kebalikan dari gerbang OR (Universal Gate) |
| XOR | Y = A ⊕ B |
0 | 1 | 1 | 0 | Output bernilai 1 JIKA kedua input BERBEDA |
| XNOR | Y = (A ⊕ B)' |
1 | 0 | 0 | 1 | Output bernilai 1 JIKA kedua input SAMA |
6. Studi Kasus Kejuruan: Gerbang Logika AND dalam Subnetting IP
Di dalam router, ketika paket jaringan tiba, router menentukan apakah host berada di jaringan lokal yang sama atau harus dilempar ke gateway dengan melakukan operasi Bitwise AND antara IP tujuan dan Subnet Mask:
IP Address: 192.168.10.25 -> 11000000 . 10101000 . 00001010 . 00011001
Subnet Mask: 255.255.255.192 -> 11111111 . 11111111 . 11111111 . 11000000
------------------------------------------------------------------------------- (Operasi AND)
Network ID: 192.168.10.0 -> 11000000 . 10101000 . 00001010 . 00000000