CENTRAL PROCESSING UNIT ( CPU)

CENTRAL PROCESSING UNIT (CPU)

Arsitektur dasar mesin tipe von  neumann menjadi kerangka referensi pada komputer digital umum (general-purpose) modern. 3 bagian fundamental tersebut adalah:

Program disimpan dalam unit memori utama yang berhadapan dengan piranti I/O melalui CPU. CPU membaca dari atau menulis ke memori, dengan mengirimkan alamat word ke unit memori melalui   bus address kemudian menerima atau mengirimkan data melalui bus data. Data dipertukarkan antara CPU dan Unit I/O juga dengan menggunakan bus data. Operasi disinkronisasikan oleh dua bus control dengan sinyal kendali yang dikirimkan oleh CPU dan sinyal  acknowledgment serta sinyal interupsi yang diterima oleh CPU.

• Organisasi CPU 

Gambar diatas disebut jalur data dan berisi register-register  (terutama 1 sampai 32), ALU (Arithmetic Logic Unit) dan beberapa  bus yang menghubungkan bagian-bagian tersebut. Register-register  tersebut melengkapi dua register untuk input ALU, yang dalam  gambar diberi label A dan B. Register-register ini menyimpan input  ALU sementara ALU menjalankan fungsi perhitungan.

KUMPULAN REGISTER

Register dari sebuah komputer secara kolektif disebut sebagai  kumpulan register (register set).

pada gambar (a) diatas menunjukkan kumpulan register pada  mikroprosesor intel 8085. Pada CPU ini, register A berfungsi sebagai  sebuah akumulator 8 bit. CPU juga mencakup sebuah program  counter (PC), sebuah stack pointer (SP), sebuah flag register dan  enam register pengalamatan 8 bit. Pada gambar (b) diatas, register 8  bit biasanya digunakan secara berpasangan. Register A bersama sama dengan flag register, membentuk program status word (PSW).  Tiga pasangan lainnya digunakan untuk tujuan pengalamatan,  pasangan H merupakan pasangan yang sangat umum digunakan.  Pasangan ini bisa dirujuk secara bersama-sama atau terpisah, yang menyebabkan tersedianya berbagai variasi intruksi.

ARITHMETIC AND LOGIC UNIT (ALU)

Ide mengenai satu adder umum yang mampu menambahkan  dua register bersama-sama dan menyimpan hasilnya dalam register lainnya merupakan prinsip yang mendasar pada ALU. Sehingga ALU  didefinisikan sebagai sebuah unit yang berisi sirkuit untuk  menjalankan sekumpulan operasi mikro aritmatika dan logika.  Sebuah contoh dari dua fungsi ALU ditunjukkan sebagai berikut, 

Sejumlah n baris input dari A dan B dihubungkan dengan blok  fungsi f1 dan f2. Kemudian sejumlah n baris output pada blok tersebut  dihubungkan dengan sejumlah n multiplexer (MUX). Tergantung dari operasi mikro tertentu yang harus dijalankan maka baris seleksi akan  di-set untuk memilih baris output fungsi yang semestinya untuk  sejumlah n baris dari R1, yaitu hasil operasi ALU. Jumlah baris seleksi  yang diperlukan tergantung pada jumlah fungsi di dalam ALU, pada  bagian ini ada dua input n-bit, yaitu A dan B, dan sebuah output n-bit, yaitu R1.

Fungsi Aritmatika pada sebuah ALU biasanya mencakup integer, floating-point (real) dan desimal berkode biner. Disini operasi yang terjadi adalah penambahan, pengurangan, perkalian dan pembagian.

Fungsi Logika pada ALU lebih sederhana. Untuk segala operasi logika yang ingin diterapkan, maka hanya perlu memuat sejumlah n gerbang logika tertentu untuk operasi tersebut (satu untuk setiap pasangan bit input). Selain itu pula ALU dapat digunakan sebagai Pergeseran, dengan menerapkan sirkuit geser kombinasional yang dikenal sebagai skalar posisi. Karena kita ingin menjalankan pergeseran bersamaan dengan fungsi aritmatika atau logika, seperti pada perkalian atau pengepakan string, maka akan lebih efisien untuk men-set penggeser diluar ALU. Dengan cara ini dapat ditambahkan dua angka dan menggeser seluruh hasil dalam satu langkah daripada meneruskan hasilnya ke input  ALU lagi dan kemudian mensetup ALU untuk menggeser angka tersebut. Terlihat pada gambar dibawah ini:

CONTROL LOGIC UNIT (CLU)

CLU pada komputer memasukkan informasi tentang instruksi  dan mengeluarkan baris kendali yang diperlukan untuk mengaktifkan operasi-mikro yang semestinya. CLU terbentuk atas sebuah prosesor instruksi (IP atau instruction processor) yang berfungsi untuk mengendalikan fetch, perhitungan alamat dan siklus interupsi, kemudian prosesor aritmatika (AP atau arithmatic processor) yang berfungsi untuk mengendalikan siklus eksekusi bagi operasi aritmatika dan logika. 

Konfigurasi CPU

Komponen CPU dapat tersusun dalam berbagai cara, sangat  tergantung pada jumlah bus data internal yang digunakan. Dua contoh  diantaranya adalah Organisasi bus tunggal dan organisasi triple bus.

Organisasi triple bus

Penggunaan tiga bus data internal, seperti gambar diatas akan melonggarkan beberapa batasan yang dibebankan oleh susunan bus-tunggal. Dalam hal ini, bus-bus yang terpisah dapat digunakan untuk dua input ALU termasuk juga untuk output ALU. Jika register dari kumpulan register adalah edge-trigerred, maka akan mungkin untuk menjalankan jenis operasi-mikro R1 ← (R2) + (R3) pada satu sinyal waktu.

 Organisasi Bus-Tunggal

ALU memerlukan input register Y dan register Z secara  bersamaan. Dengan hanya sebuah bus data tunggal, sebuah  operand akan disimpan dalam Y dan yang lainnya dapat disimpan dalam bus. Sewaktu ALU menghitung hasilnya, input tersebut harus tetap konstan pada bus. Karena itu, kadang-kadang hasilnya disimpan dalam Z sampai operasi selesai dan kemudian ditransfer  melalui bus ke tempat dimana harus disimpan. Dalam hubungan  yang sama, CLU memerlukan informasi dari register khusus (special purpose) secara bersamaan untuk menghasilkan fungsi  pengendalian yang tepat. Oleh karena itu, register-register tersebut  dihubungkan secara langsung ke CLU selain dihubungkan dengan  bus data untuk komunikasi umum.

MEMORI

CPU hanya dapat menyimpan data dan instruksi di register yang berukuran kecil sehingga tidak dapat menyimpan semua informasi yang dibutuhkan untuk keseluruhan proses program. Untuk mengatasi hal ini, maka CPU harus dilengkapi dengan alat penyimpan yang berkapasitas lebih besar yaitu memori utama. Unit ini dapat dibayangkan sebagai sekumpulan kotak-kotak yang masing-masing dapat menyimpan sepenggal informasi baik berupa data maupun instruksi. Tiap-tiap lokasi dari kotak ditunjukkan oleh suatu alamat (address), yaitu berupa nomor yang menunjukkan lokasi tertentu dari kotak memori.

Ukuran memori ditunjukkan oleh satuan byte, misalnya 1 Mb, 4 Mb, 8 Mb, atau bahkan adayang sampai 256 Mb. Pada umumnya 1 byte memori terdiri dari 8 – 32 bit (binary digit), yaitu banyaknya digit biner (0 atau 1) yang mampu disimpan dalam satu kotak memori.

Random Access Memory (RAM)

Semua data dan program yang dimasukkan melalui alat input akan disimpan terlebih dahulu di memori utama, khususnya RAM, yang dapat diakses secara acak (dapat diisi/ditulis, diambil, atau dihapus isinya) oleh pemrogram. Struktur RAM terbagi menjadi empat bagian utama, yaitu:

1. Input storage, digunakan untuk menampung input yang dimasukkan melalui alat input.
2. Program storage, digunakan untuk menyimpan semua instruksi-instruksi program yang akan diakses.
3. Working storage, digunakan untuk menyimpan data yang akan diolah dan hasil pengolahan.
4. Output storage, digunakan untuk menampung hasil akhir dari pengolahan data yang akan ditampilkan ke alat output.

Input yang dimasukkan melalui alat input akan ditampung terlebih dahulu di input storage. Bila input tersebut berupa program maka akan dipindahkan ke program storage, dan bila berbentuk data maka akan dipindahkan ke working storage. Hasil dari pengolahan juga ditampung terlebih dahulu di working storage dan bila akan ditampilkan ke alat output maka hasil tersebut dipindahkan ke output storage.

SUMBER 

https://gerypata21.wordpress.com/cpu-central-prossecing-unit/

homepage.cs.uri.edu/faculty/wolfe/book/.../Reading04.htm

 file:///C:/Users/Hana/Downloads/Documents/handout5Central%20Processing%20Unit.pdff

file:///C:/Users/Hana/Downloads/Documents/handout6Input%20Output.pdf

Set Instruksi

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

1. Operation Code (opcode) : menentukan operasi yang akan dilaksanakan.
2. Source Operand Reference : merupakan input bagi operasi yang akan dilaksanakan.
3. Result Operand Reference : merupakan hasil dari operasi yang dilaksanakan.
4.  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 :

Ilustrasi Format Instruksi Sederhana

Data procecessing: Arithmetic dan Logic Instructions

Data processing adalah jenis pemrosesan yang dapat mengubah data menjadi informasi atau pengetahuan.Setelah diolah, data ini biasanya mempunyai nilai yang informative, maka istilah pemrosesan data sering dikatakan sebagai sistem informasi.

 Data storage: Memory instructions

Sering disebut sebagai memori komputer, merujuk kepada komponen komputer, perangkat komputer, dan media perekaman yang mempertahankan data digital yang digunakan untuk beberapa interval waktu. Dalam penggunaan kontemporer, memori komputer merujuk kepada bentuk media penyimpanan berbahan semikonduktor, yang dikenal dengan sebutan Random Access Memory (RAM).Akan tetapi, istilah “computer storage” sekarang secara umum merujuk kepada media penyimpanan massal seperti halnya hard disk.

 Data Movement: I/O instructions

Proses data movement ini adalah memindahkan (dapat dikatakan membackup juga) data – data dari database yang berupa data, indeks, grand, schema, dan lain – lain ketempat baru. Data movement terdiri dari 2 bagian besar yaitu: Load & Upload dan Export & Import. Load berfungsi untuk memasukan data / transaksi ke sebuah table. Sedangkan upload berfungsi untuk membuat dari data table ke fisik / file.

Control: Test and branch instructions

CU diimplementasikan sebagai sebuah microprogram yang disimpan di dalam tempat penyimpanan kontrol (control store).Control Unit – CU) adalah salah satu bagian dari CPU yang bertugas untuk memberikan arahan/kendali/ kontrol terhadap operasi yang dilakukan di bagian ALU (Arithmetic Logical Unit) di dalam CPU tersebut.

Teknik Pengalamatan

Metode pengalamatan merupakan aspek dari set instruksi arsitekturdi sebagian unit pengolah pusat(CPU) desain yang didefinisikan dalam set instruksi arsitektur dan menentukan bagaimana bahasa mesinpetunjuk 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 registerdan / atau konstanta yang terkandung dalam instruksi mesin atau di tempat lain.

Jumlah Alamat

Salah satu cara tradisional untuk menggambarkan arsitektur prosessor adalah dengan melihat jumlah alamat yang terkandung dalam setiap instruksinya.

Jumlah alamat maksimum yang mungkin diperlukan dalam sebuah instruksi :

• Empat Alamat ( dua operand, satu hasil, satu untuk alamat instruksi berikutnya)
• Tiga Alamat (dua operand, satu hasil)
• Dua Alamat (satu operand merangkap hasil, satunya lagi operand)
• Satu Alamat (menggunakan accumulator untuk menyimpan operand dan hasilnya)

Macam-macam instruksi menurut jumlah operasi yang dispesifikasikan :

           a) – Address Instruction

           b) 1 – Addreess Instruction

           c) N – Address Instruction

           d) M + N – Address Instruction

Macam-macam instruksi menurut sifat akses terhadap memori atau register

           a) Memori To Register Instruction

           b) Memori To Memori Instruction

           c)  Register To Register Instruction

Jenis – jenis pengalamatan

A.Immediate Addressing (Pengalamatan Segera)

Adalah bentuk pengalamatan yang paling sederhana.

Penjelasan :

• Operand benar-benar ada dalam instruksi atau bagian dari intsruksi
• Operand sama dengan field alamat
• Umumnya bilangan akan disimpan dalam bentuk complement dua 
• Bit paling kiri sebagai bit tanda
• Ketika operand dimuatkan ke dalam register data, bit tanda digeser ke kiri hingga maksimum word data

Keuntungan :

Tidak adanya referensi memori selain dari instruksi yang diperlukan untuk memperoleh operand

Menghemat siklus instruksi sehingga proses keseluruhanakan akan cepat

Kekurangan :

Ukuran bilangan dibatasi oleh ukuran field

Contoh :

ADD 7 ; tambahkan 7 pada akumulator

Direct Addressing (Pengalamatan Langsung)

 Penjelasan :

• Teknik ini banyak digunakan pada komputer lama dan komputer kecil
• Hanya memerlukan sebuah referensi memori dan tidak memerlukan kalkulus khusus

Kelebihan :

Field alamat berisi efektif address sebuah operand

Kekurangan :

Keterbatasan field alamat karena panjang field alamat biasanya lebih kecil dibandingkan panjang word

Contoh :

ADD A ; tambahkan isi pada lokasi alamat A ke akumulator

Indirect Addressing (Pengalamatan tak langsung)

Penjelasan :

• Merupakan mode pengalamatan tak langsung
• Field alamat mengacu pada alamat word di alamat memori, yang pada gilirannya akan berisi alamat operand yang panjang

Kelebihan :

Ruang bagi alamat menjadi besar sehingga semakin banyak alamat yang dapat referensi

Kekurangan :

Diperlukan referensi memori ganda dalam satu fetch sehingga memperlambat proses operasi

Contoh :

ADD (A) ; tambahkan isi memori yang ditunjuk oleh isi alamat A ke akumulator

Register addressing (Pengalamatan Register)

Penjelasan :

• Metode pengalamatan register mirip dengan mode pengalamatan langsung
• Perbedaanya terletak pada field alamat yang mengacu pada register, bukan pada memori utama
• Field yang mereferensi register memiliki panjang 3 atau 4 bit, sehingga dapat mereferensi 8 atau 16 register general purpose

Keuntungan :

Diperlukan field alamat berukuran kecil dalam instruksi dan tidak diperlukan referensi memori

Akses ke register lebih cepat daripada akses ke memori, sehingga proses eksekusi akan lebih cepat

Kerugian :

Ruang alamat menjadi terbatas

 Register indirect addressing (Pengalamatan tak-langsung register)

Penjelasan :

• Metode pengalamatan register tidak langsung mirip dengan mode pengalamatan tidak langsung
• Perbedaannya adalah field alamat mengacu pada alamat register
• Letak operand berada pada memori yang dituju oleh isi register

Keuntungan dan keterbatasan pengalamatan register tidak langsung pada dasarnya sama dengan pengalamatan tidak langsung

Keterbatasan field alamat diatasi dengan pengaksesan memori yang tidak langsung sehingga alamat yang dapat direferensi makin banyak

Dalam satu siklus pengambilan dan penyimpanan, mode pengalamatan register tidak langsung hanya menggunakan satu referensi memori utama sehingga lebih cepat daripada mode pengalamatan tidak langsung.

Displacement addressing

Penjelasan :

• Menggabungkan kemampuan pengalamatan langsung dan pengalamatan register tidak langsung.
• Mode ini mensyaratkan instruksi memiliki dua buah field alamat, sedikitnya sebuah field yang eksplisit.
• Operand berada pada alamat A ditambahkan isi register.

Tiga model displacement :-Relative addressing : register yang direferensi secara implisit adalah Program Counter (PC)-Alamat efektif didapatkan dari alamat instruksi saat itu ditambahkan ke field alamat-Memanfaatkan konsep lokalitas memori untuk menyediakan operand-operand berikutnya.

Base register addressing : register yang direferensi berisi sebuah alamat memori dan field alamat berisi perpindahan dari alamat itu :-Referensi register dapat eksplisit maupun implisit-Memanfaatkan konsep lokalitas memori

Indexing  : field alamat mereferensi alamat memori utama, dan register yang direferensikan berisi pemindahan positif dari alamat tersebut.Merupakan kebalikan dari mode base register Field alamat dianggap sebagai alamat memori dalam indexing Manfaat penting dari indexing adalah untuk eksekusi program-pprogram iteratif.

Contoh :

Field eksplisit bernilai A dan field imlisit mengarah pada register

Stack addressing

Penjelasan :

Stack adalah array lokasi yang linier = pushdown list = last-in-firs-out .Stack merupakan blok lokasi yang terbaik ,Btir ditambahkan ke puncak stack sehingga setiap blok akan terisi secara parsial Yang berkaitan dengan stack adalah pointer yang nilainya merupakan alamat bagian paling atas stack

Dua elemen teratas stack dapat berada di dalam register CPU, yang dalam hal ini stack pointer mereferensi ke elemen ketiga stack Stack pointer tetap berada dalam register Dengan demikian, referensi-referensi ke lokasi stack di dalam memori pada dasarnya merupakan pengalamatan register tidak langsung.

DESAIN SET INSTRUKSI

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

1.  kelengkapan set instruksi
2. ortogonalitas (sifat indepedensi instruksi)
3.  kompatibilitas :

          - source code compatibility

          - object code compatibility.

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

1.  Operation Repertoire: Berapa banyak dan operasi apa saja yang disediakan, dan berapa sulit    operasinya 
2.  Data Types : tipe/jenis data yang dapat diolah.
3.  Instruction Format : panjangnya, banyaknya alamat, dsb. 
4. Register : Banyaknya register yang dapat digunakan .
5. Addressing : Mode pengalamatan untuk operand.

SUMBER 

http://irfan-abet.blogspot.co.id/2015/01/arsitektur-set-instruksi.html

topan_sukma.staff.gunadarma.ac.id