Arsitektur Instruksi dengan CPU dan Sistem Bus Dan ALU

ARSITEKTUR SET INSTRUKSI

 

Set Instruksi (bahasa Inggris: Instruction Set, atau Instruction Set Architecture (ISA)) didefinisikan sebagai suatu aspek dalam arsitektur komputer yang dapat dilihat oleh para pemrogram. Secara umum, ISA ini mencakup jenis data yang didukung, jenis instruksi yang dipakai, jenis register, mode pengalamatan, arsitektur memori, penanganan interupsi, eksepsi, dan operasi I/O eksternalnya (jika ada).

ISA merupakan sebuah spesifikasi dari Pullman semua kode-kode biner (opcode) yang diimplementasikan dalam bentuk aslinya (native form) dalam sebuah desain prosesor tertentu. Kumpulan opcode tersebut, umumnya disebut sebagai bahasa mesin (machine language) untuk ISA yang bersangkutan. ISA yang populer digunakan adalah set instruksi untuk chip Intel x86, IA-64, IBM PowerPC, Motorola 68000, Sun SPARC, DEC Alpha, dan lain-lain.

ELEMEN - ELEMEN DARI SET INSTRUKSI

a. Operation Code (opcode) : menentukan operasi yang akan dilaksanakan.

b. Source Operand Reference : merupakan input bagi operasi yang akan dilaksanakan.

c. Result Operand Reference : merupakan hasil dari operasi yang dilaksanakan.

d. Next Instruction Reference : memberitahu CPU untuk mengambil instruksi berikutnya setelah instruksi yang dijalankan selesai.

FORMAT INSTRUKSI 

Suatu instruksi terdiri dari beberapa field yang sesuai dengan elemen dalam instruksi tersebut. Layout dari suatu instruksi sering disebut sebagai Format Instruksi.
Contoh suatu Format Instruksi adalah sbb :

JENIS - JENIS INSTRUKSI

1. Data Processing / Pengolahan Data : instruksi-instruksi aritmetika dan logika. Instruksi aritmetika memiliki kemampuan untuk mengolahdata numeric, sedangkan instruksi logika beroperasi pada bit-bit word sebagai bit bukan sebagai bilangan. Operasi-operasi tersebut dilakukan terutama untuk data di register CPU.

2. Data Storage / Penyimpanan Data : instruksi-instruksi memori. Instruksi-instruksi memori diperlukan untuk memindah data yang terdapat di memori dan register.

3. Data Movement / Perpindahan Data : instruksi I/O. Instruksi-instruksi I/O diperlukan untuk memindahkan program dan data ke dalam memori dan mengembalikan hasil komputansi kepada pengguna.

4. Control / Kontrol : instruksi pemeriksaan dan percabangan. Instruksi-instruksi kontrol digunakan untuk memeriksa nilai data, status komputansi dan mencabangkan ke set instruksi lain.

TEKNIK PENGALAMATAN

Metode pengalamatan merupakan aspek dari set instruksi arsitektur disebagian unit pengolah pusat (CPU) desain yang didefinisikan dalam set instruksi arsitektur dan menentukan bagaimana bahasa mesin petunjuk dalam arsitektur untuk mengidentifikasi operan dari setiap instruksi. Sebuah mode pengalamatan menentukan bagaimana menghitung alamat memori yang efektif dari operand dengan menggunakan informasi yang diadakan di register dan / atau konstanta yang terkandung dalam instruksi mesin atau di tempat lain.

Jenis-jenis metode pengalamatan diantaranya :

1. Immediate Addressing Mode

 

2. Register Addressing Mode

 

3. Direct Addressing Mode

4. Indirect Addressing Mode

R0 atau R1 digunakan untuk menunjukkan Destination Address

MOV A,#30h   ; salin immediate data 30h ke Akumulator

MOV R0,#7Fh   ; salin immediate data 7Fh ke register R0

MOV @R0,A   ; salin the data in A ke alamat di R0

R0 atau R1 digunakan untuk menunjukkan Source Address

MOV R0,#7Fh   ; salin immediate data 7Fh ke register R0

MOV @R0,#30h  ; salin immediate data 30 ke alamat di R0

MOV A,@R0   ; salin isi dari alamat di R0 ke Akumulator

DESAIN SET INSTRUKSI

Desain set instruksi merupakan masalah yang sangat komplek yang melibatkan banyak aspek, diantaranya :

1. Kelengkapan set instruksi

2. Ortogonalitas (sifat independensi instruksi)

3. Kompatibilitas :

- Source code compatibility

- Object code compatibility

Selain ketiga aspek tersebut juga melibatkan hal-hal sebagai berikut :

a. Operation Repertoire, berapa banyak dan operasi apa saja yang disediakan dan berapa sulit operasinya.

b. Data Types, tipe / jenis data yang dapat diolah.

c. Instruction Format, panjangnya, banyaknya alamat, dsb.

d. Register, banyaknya register yang dapat digunakan.

e. Addressing, mode pengalamatan untuk operand.

Pengertian CPU

Central processing unit (CPU) dari sebuah komputer adalah bagian dari hardware yang melaksanakan instruksi dari program komputer. Ia melakukan aritmatika, logis, dan operasi input / output dasar dari sebuah sistem komputer. CPU adalah seperti otak dari komputer – setiap instruksi, tidak peduli seberapa sederhana, harus melalui CPU. Jadi katakanlah Anda menekan huruf ‘k’ pada keyboard Anda dan muncul di layar – CPU komputer Anda adalah apa yang membuat ini mungkin. CPU kadang-kadang disebut sebagai unit pusat prosesor, atau prosesor untuk singkatnya. Jadi, ketika Anda melihat spesifikasi komputer di toko elektronik lokal Anda, biasanya mengacu pada CPU sebagai prosesor.

Sistem BUS

Pena kali ini akan membahas apa itu sistem bus. Mungkin bahasan ini sangat bermanfaat bagi anda yang ingin mempelajari arsitektur dan organisasi komputer.

Sistem bus Merupakan penghubung bagi keseluruhan komponen komputer seperti CPU, memori dan I/O dalam menjalankan tugasnya. Data atau program yang tersimpan dalam memori dapat diakses dan dieksekusi CPU melalui perantara bus, begitu juga kita dapat melihat hasil eksekusi melalui monitor juga menggunakan sistem bus.

Secara fisik bus adalah konduktor listrik paralel yang menghubungkan modul – modul. Bila terlalu banyak modul atau perangkat  dihubungkan pada bus maka akan menyebabkan penurunan kinerja. Untuk modul I/O biasanya dibuat slot bus yang mudah dipasang dan dilepas, seperti slot VESA, ISA dan PCI. Sedangkan untuk chips akan terhubung melalui pinnya.

Sifat penting dan merupakan syarat utama  bus adalah media transmisi yang dapat digunakan bersama oleh sejumlah perangkat yang terhubung padanya. Meskipun digunakan secara bersama namun penggunaan jalur hanya diperuntukan oleh satu perangkat pada sekali waktu.   Sehingga diperlukan aturan dalam kerjanya untuk menghindari terjadinya tabrakan data yang sedang ditransmisikan.

Struktur Bus

Secara umum fungsi saluran bus dikatagorikan dalam tiga bagian, yaitu saluran data, saluran alamat dan saluran kontrol.

• Saluran data (data bus) adalah lintasan bagi perpindahan data antar modul. Umumnya jumlah saluran terkait dengan panjang word, Misal 16 ,32,64. Jumlah saluran dalam bus data dikatakan lebar bus, dengan satuan bit, misal lebar bus 16 bit.
• Saluran alamat (address bus) digunakan untuk menspesifikasi sumber dan tujuan data pada bus data. Setiap komponen yang terhubung dengan komputer harus memiliki alamat agar daat diakses.
• Saluran kontrol (control bus) digunakan untuk mengontrol bus data, bus alamat dan seluruh modul yang ada. Sinyal – sinyal kontrol terdiri :

1. Sinyal pewaktuan digunakan untuk   menandakan validitas data dan alamat.
2. Sinyal perintah berfungsi membentuk suatu operasi.

Secara umum saluran kontrol meliputi :

1. Memory Write, memerintahkan data pada bus akan dituliskan ke dalam lokasi alamat.
2. Momory Read memerintahkan data dari lokasi alamat ditempatkan pada bus data.
3. I/O Write, memerintahkan data pada bus dikirim ke lokasi port I/O.
4. I/O Read, memerintahkan data dari port I/O ditempatkan pada bus data.
5. Transfer ACK, menunjukkan data telah diterima dari bus atau data telah ditempatkan pada bus.
6. Bus Request, menunjukkan bahwa modul memerlukan kontrol bus.
7. Bus Grant, menunjukkan modul yang melakukan request telah diberi hak mengontrol bus.
8. Interrupt Request, menandakan adanya penangguhan interupsi dari modul.
9. Interrupt ACK, menunjukkan penangguhan interupsi telah diketahui CPU.
10. Clock, kontrol untuk sinkronisasi operasi antar modul.
11. Reset, digunakan untuk menginisialisasi seluruh modul.

Prinsip operasi bus adalah sebagai berikut :

Operasi pengiriman data ke modul lainnya

• Meminta penggunaan bus.
• Apabila telah disetujui, modul akan memindahkan data yang diinginkan ke modul yang dituju.

Operasi meminta data modul lainnya

• Meminta penggunaan bus.
• Mengirim request ke modul yang dituju melalui saluran kontrol dan alamat yang sesuai.
• Menunggu modul yang dituju mengirimkan data yang diinginkan.

Multiple Bus

Bila terlalu banyak modul atau perangkat dihubungkan pada bus maka akan terjadi penurunan kinerja, yang disebabkan oleh :

1. Semakin besar delay propagasi untuk mengkoordinasikan penggunaan bus.
2. Antrian penggunaan bus semakin panjang.
3. Dimungkinkan habisnya kapasitas transfer bus sehingga memperlambat data.

Arsitektur Bus Jamak Tradisional

Arsitektur Bus Jamak Kinerja Tinggi

 

Solusi

Penggunaan bus jamak yang hierarkis. Modul – modul dikalasifikasikan berdasarkan kebutuhan terhadap lebar dan kecepatan bus. Bus biasanya terdiri atas bus lokal, bus sistem, dan bus ekspansi.

Sistem Kerja Bus

Modul dengan transfer data berkecepatan tinggi disambungkan dengan bus berkecepatan tinggi, selain itu disambungkan pada bus ekspansi. Keuntungan hierarki bus jamak kinerja tinggi adalah terintegrasi dengan prosesor. Perubahan pada arsitektur prosesor tidak begitu mempengaruhi kinerja bus.

Unit aritmatika dan logika

Simbol umum ALU.

ALU, singkatan dari Arithmetic And Logic Unit (bahasa Indonesia: unit aritmatika dan logika), adalah salah satu bagian dalam dari sebuah mikroprosesor yang berfungsi untuk melakukan operasi hitungan aritmatika dan logika. Contoh operasi aritmatika adalah operasi penjumlahan dan pengurangan, sedangkan contoh operasi logika adalah logika AND dan OR. tugas utama dari ALU (Arithmetic And Logic Unit)adalah melakukan semua perhitungan aritmatika atau matematika yang terjadi sesuai dengan instruksi program. ALU melakukan operasi arithmatika dengan dasar pertambahan, sedang operasi arithmatika yang lainnya, seperti pengurangan, perkalian, dan pembagian dilakukan dengan dasar penjumlahan. sehingga sirkuit elektronik di ALU yang digunakan untuk melaksanakan operasi arithmatika ini disebut adder. Tugas lalin dari ALU adalah melakukan keputusan dari operasi logika sesuai dengan instruksi program. Operasi logika (logical operation) meliputi perbandingan dua buah elemen logika dengan menggunakan operator logika, yaitu:

a. sama dengan (=)

b. tidak sama dengan (<>)

c. kurang dari (<)

d. kurang atau sama dengan dari (<=)

e. lebih besar dari (>)

f. lebih besar atau sama dengan dari (>=)

Fungsi-fungsi yang didefinisikan pada ALU adalah Add (penjumlahan), Addu (penjumlahan tidak bertanda), Sub (pengurangan), Subu (pengurangan tidak bertanda), and, or, xor, sll (shift left logical), srl (shift right logical), sra (shift right arithmetic), dan lain-lain.

https://id.wikipedia.org/wiki/Unit_aritmatika_dan_logika
https://penawikara.wordpress.com/2013/05/30/sistem-bus/
http://www.sridianti.com/pengertian-cpu-fungsi-dan-bagian.html
http://irfan-abet.blogspot.co.id/2015/01/arsitektur-set-instruksi.html
(sumber: Buku Pengenalan Komputer, Hal 154-155, karangan Prof.Dr.Jogiyanto H.M, M.B.A.,Akt.)