Central Processing Unit (CPU): Pengertian, Struktur, Spesifikasi, dsb

Pengertian Central Processing Unit

Central Processing Unit adalah bagian utama dari komputer yang bertugas untuk melaksanakan keseluruhan operasi yang dilakukan oleh komputer seperti operasi aritmatika, logika, pengendalian, dan input/ output dasar (Wijanto, dkk, 2021, hlm. 76). Seperti namanya, Central processing unit atau unit pusat pemrosesan ini merupakan pusat dari seluruh kegiatan komputer sehingga CPU ini juga sering disebut sebagai otak komputer.

Prosesor sering disebut sebagai otak dari sebuah komputer karena hampir seluruh proses pekerjaan atau penghitungan atau komputasi yang diproses oleh sistem komputer terjadi di perangkat keras ini (Suryawinata, 2018, hlm. 31). Dengan kata lain, central processing unit (CPU) adalah otak dari sebuah komputer yang berisi semua sirkuit yang dibutuhkan untuk memproses input, menyimpan data dan hasil keluaran (Natali, dkk, 2021, hlm. 89).

Bahkan, menurut Wijanto, dkk (2021, hlm. 76) CPU adalah otak dan jantung fisik dari sistem komputer yang menghubungkannya dengan berbagai peripheral lain, termasuk pheriperal input/output seperti keyboard dan monitor, serta unit penyimpanan sekunder seperti harddisk atau SSD. Di komputer modern, CPU bisa terdapat pada chip sirkuit terintegrasi yang disebut processor, main processor, central processor atau mikroprosesor seperti pada gawai ringkas smartphone atau laptop.

CU pada CPU selalu mengikuti instruksi program komputer yang memberitahukan data mana yang harus diproses dan bagaimana memprosesnya. Misalnya, program kalkulator sederhana mungkin memerintahkan CPU untuk mengambil dua angka, 2 dan 2, menambahkannya, dan mengirimkan kembali hasilnya. CPU dapat memproses setiap instruksi program komputer dengan mudah karena ada Control Unit (CU) dan arithmetic logic unit (ALU). CPU tahu bagaimana cara menafsirkan instruksi program, sedangkan ALU tahu bagaimana menambahkan angka. Dengan penggabungan CU dan ALU, CPU dapat memproses program yang jauh lebih kompleks daripada kalkulator sederhana.

CPU adalah sebuah sirkuit elektronik yang sangat kompleks, yang bertugas mengeksekusi instruksi yang disimpan sebagai program (Mushthofa, dkk, 2021, hlm. 80). Semua komputer, mulai yang kecil seperti ponsel pintar sampai yang besar dan canggih, harus mempunyai CPU. Secara fisik, central processing unit adalah sirkuit terintegrasi atau disebut juga dengan istilah chip. Dengan kata lain, central processing unit adalah sirkuit terpadu yang mengintegrasikan jutaan atau miliaran komponen listrik kecil, mengaturnya, dan menyesuaikan semuanya dalam sebuah kotak yang ringkas (Natali, dkk, 2021, hlm. 90).

Struktur/Komponen Central Processing Unit

CPU memiliki tiga komponen utama, di antaranya unit kendali/ Control Unit (CU), unit logika aritmatika/ Arithmetic logic unit (ALU), dan register atau memory management unit yang akan dijelaskan sebagai berikut (Mushthofa, dkk, 2021, hlm. 80).

1. Control Unit (CU)
   Control unit atau CU berfungsi sebagai pengarah arus aliran data di dalam prosesor (Suryawinata, 2018, hlm. 34). CU dari CPU akan mengatur dan mengintegrasikan kerja dari komputer. CU akan memilih dan mengambil instruksi dari memori utama/register sesuai urutan dan menerjemahkannya untuk mengaktifkan elemen fungsional lain dari sistem.
2. Arithmetic Logic Unit (ALU)
   Arithmetic logic unit tugasnya adalah melakukan operasi aritmatika di dalam prosesor (Suryawinata, 2018, hlm. 34). Semua data input ditransfer melalui memori utama ke ALU untuk diproses, yang melibatkan empat fungsi aritmatika dasar (yaitu penjumlahan, pengurangan, perkalian, dan pembagian) dan operasi logika tertentu seperti perbandingan data dan pemilihan.
3. Memory Management Unit (MMU/Register)
   Memory management unit merupakan bagian di dalam prosesor yang mengatur memori yang digunakan ketika prosesor sedang beroperasi.

Fungsi Central Processing Unit

Menurut Suryawinata (2018, hlm. 33) secara umum, CPU memiliki beberapa fungsi yang akan dijelaskan sebagai berikut.

1. Fetch
   Instruksi disimpan pada memori dan memiliki alamatnya sendiri. Prosesor akan mengakses alamat ini dari counter program yang bertanggung jawab untuk melacak instruksi yang mana yang akan dieksekusi oleh CPU pada siklus berikutnya.
2. Decode
   Semua program yang akan dieksekusi akan diterjemahkan kepada instruksi assembly. Kode-kode assembly ini harus dikodekan menjadi kode-kode biner yang akan dimengerti oleh CPU. Proses ini dinamakan decoding. Mengapa harus menggunakan bilangan biner atau kode-kode biner? Karena prosesor merupakan komponen elektronik yang hanya mengenal dua kondisi yakni 0 dan 1 atau hidup dan mati.
3. Execute
   Ketika menjalankan perintah, CPU dapat menjalankan satu dari tiga hal. Melakukan kalkulasi dengan ALU, memindahkan data dari satu memori ke memori yang lain atau beralih mengakses data ke alamat yang lain.
4. Store
   CPU harus memberikan umpan balik setelah selesai melakukan eksekusi terhadap suatu perintah dan output datanya ditulis pada memori yang dituju.

Cara Kerja CPU

Bagaimana CPU menjalankan instruksi program? Sebelum instruksi dapat dieksekusi dalam CPU, instruksi program dan data harus ditempatkan ke dalam memori dari perangkat input atau perangkat penyimpanan sekunder. Setelah data dan instruksi yang diperlukan berada dalam memori, unit pemrosesan pusat melakukan empat langkah berikut untuk menjalankan setiap instruksi.

1. Unit kontrol mengambil (mendapat) instruksi dari memori.
2. Unit kontrol menerjemahkan instruksi (memutuskan apa artinya) dan memerintahkan agar data yang diperlukan dipindahkan dari memori ke ALU (unit aritmatika/logika). Dua langkah pertama ini bersama-sama disebut waktu instruksi, atau waktu-I.
3. Unit aritmatika/logika menjalankan instruksi aritmatika atau logika. Artinya, ALU diberikan kendali dan melakukan operasi aktual pada data.
4. Unit aritmatika/logika menyimpan hasil operasi ini dalam memori atau register. Langkah 3 dan 4 bersama-sama disebut waktu eksekusi, atau waktu-E (Mushthofa, dkk, 2021, hlm. 81).

Unit kontrol selanjutnya memerintahkan memori untuk mengirimkan hasilnya ke perangkat keluaran atau perangkat penyimpanan sekunder. Kombinasi waktu-I dan waktu-E disebut siklus mesin.

Secara abstraksi, dalam melakukan perhitungan, CPU mengombinasikan berbagai gerbang logika menjadi sebuah gerbang sirkuit. Gerbang logika bekerja pada bilangan biner (hanya terdapat 2 kode bilangan biner yaitu, angka 1 dan 0) dengan cara mengambil dua input biner, melakukan operasi pada mereka, dan mengembalikan output. Ada tujuh jenis Gerbang logika, yaitu OR, NOR, AND, NAND, XOR, XNOR, dan NOT seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini yang dilengkapi pula dengan tabel logikanya.

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, kita bisa menggabungkan beberapa gerbang logika untuk membentuk sebuah sirkuit. Sebagai contoh, di bawah ini adalah sirkuit yang terdiri atas gabungan dua buah gerbang logika yang kemudian diikuti dengan tabel logikanya.

Spesifikasi Central Processing Unit

Central processing unit memiliki beberapa istilah khusus yang menunjukkan seperti apa kekuatan atau kemampuan dari CPU tersebut. Misalnya, kita sering mendengar bahwa suatu smartphone memiliki CPU dengan clock speed 2 Ghz, laptop ini ditenagai oleh processor Core i3, dual core, quad core, dsb. Berikut ini adalah spesifikasi dan istilah-istilah yang sering ditemui di dalam prosesor atau perlu diketahui ketika kita akan membeli sebuah prosesor atau perangkat komputasi secara umum.

Clock Speed

Clock speed atau biasa juga disebut sebagai clock rate merupakan frekuensi di mana sebuah chip atau prosesor berjalan yang biasa digunakan sebagai ukuran utama kecepatan prosesor (Suryawinata, 2018, hlm. 35). Clockspeed ini biasanya diukur dengan siklus gelombang tiap detik dengan standar Internasional satuannya adalah Hz. Frekuensi pada prosesor generasi pertama diukur dalam satuan Hz atau khz namun pada teknologi yang baru mulai tahun 90-an frekuensi pada prosesor sudah diukur dengan satuan giga hertz.

Hal ini dimungkinkan karena prosesor sudah mengalami perkembangan yang sangat cepat. Fakta menarik dari clock speed adalah semakin tinggi clock speed yang digunakan oleh sebuah prosesor, maka performanya juga akan semakin tinggi. Akan tetapi, frekuensi yang tinggi ini menyebabkan panas yang tinggi pula. Tingkat panas yang tinggi ini dapat menyebabkan kerusakan pada komponen prosesor yang digunakan.

Oleh karena itu, dapat kita lihat bahwa perkembangan kecepatan prosesor atau clockspeed mengalami kondisi yang relatif stagnan sejak awal tahun 2000-an. Hal tersebut disebabkan oleh produsen prosesor yang tidak berani berspekulasi untuk menciptakan prosesor yang sangat tinggi frekuensinya karena terhalang oleh panas yang ditimbulkan. Namun hal ini dapat diatasi dengan teknologi multi core yang mulai diterapkan oleh produsen prosesor sejak tahun 2004.

Core

Jika prosesor bisa dibilang sebagai inti dari sebuah komputer, maka core ini bisa dibilang inti dari sebuah prosesor (Suryawinata, 2018, hlm. 35). Prosesor yang diciptakan dari tahun 1990-an hingga akhir atau 2000an awal masih memiliki arsitektur single core. Single core berarti satu prosesor hanya memiliki satu buah core di dalamnya.

Dengan berkembangnya teknologi, maka dimungkinkan di dalam satu prosesor terdapat beberapa core yang bekerja secara bersama-sama atau biasa dikenal dengan istilah multi core processor. Teknologi ini diawali dengan teknologi Dual Core yang dikembangkan oleh masing-masing vendor prosesor yakni Intel dan AMD pada tahun 2004.

Prosesor prosesor yang menggunakan teknologi single core maka kemampuan komputasinya hanya sebatas kecepatan maksimal dari core tersebut. Untuk meningkatkan kecepatan dari sebuah single core prosesor jalan satu-satunya adalah menambah frekuensi dari core tersebut. Namun hal ini terhalang oleh panas yang dihasilkan ketika frekuensinya dijadikan semakin tinggi.

Ketika sebuah prosesor menggunakan teknologi multi core, misalnya kita ambil contoh Quad Core dengan masing-masing core memiliki kecepatan pemrosesan 1,5 gigahertz. Clock speed maksimal yang dimiliki oleh prosesor quadcore tersebut adalah 1,5 kali 4 core sehingga totalnya menjadi 6 giga hertz.

Thread

Thread atau utas dalam bahasa Indonesia, merupakan sebuah aliran di dalam sebuah sistem komputer (Suryawinata, 2018, hlm. 37). Aliran yang dimaksud adalah aliran instruksi dari sebuah proses yang dijalankan. Dengan kata lain, thread merupakan satuan terkecil dari sebuah instruksi atau proses yang dijalankan di dalam komputer pada sistem single core atau single thread processor.

Dalam satu waktu, prosesor hanya dapat menjalankan proses secara bergantian satu persatu. Namun perkembangan teknologi melahirkan istilah multithreading yang memungkinkan prosesor dalam 1 core dapat memproses beberapa instruksi atau thread dalam satu waktu yang bersamaan. Istilah ini dikenalkan oleh Intel dengan nama Hyper Threading.

Referensi

1. Mushthofa, dkk. (2021). Informatika sma kelas X. Jakarta: Pusat Kurikulum dan Perbukuan Kemdikbudristek.
2. Natali, dkk. (2021). Informatika smp Kelas VIII. Jakarta: Pusat Kurikulum dan Perbukuan Kemdikbudristek.
3. Suryawinata, M. (2018). Arsitektur dan organisasi komputer. Sidoarjo: UMSIDA Press.
4. Wijanto, dkk. (2021). Informatika smp kelas VII. Jakarta: Pusat Kurikulum dan Perbukuan Kemdikbudristek.