Tugas Arsitektur Komputer

Tugas Mata Kuliah  "Arsitektur Komputer"  

 Elemen Elemen Instruksi Mesin 

Menurut Kamus Besar Bahasa Indonesia, Karakteristik adalah ciri-ciri khusus atau mempunyai sifat khas sesuai dengan perwatakan tertentu. Instruksi adalah perintah atau arahan (untuk melakukan suatu pekerjaan atau melaksanakan suatu tugas). Mesin adalah perkakas untuk menggerakkan, atau membuat sesuatu yang dijalankan dengan roda-roda dan digerakkan oleh tenaga manusia atau motor penggerak yang menggunakan bahan bakar minyak atau tenaga alam.

Jadi, karakteristik-karakteristik instruksi mesin adalah ciri-ciri khusus atau sifat khas yang dimiliki oleh instruksi-instruksi atau kode operasi dalam pemrograman komputer.. Operasi CPU ditentukan oleh instruksi-instruksi yang dieksekusinya. Instruksi-instruksi ini dikenal sebagai intruksi mesin atau instruksi computer. Set fungsi dari instruksi-instruksi yang berbeda yang dapat di eksekusi oleh CPU dikenal sebagai set instruksi CPU.

A. Elemen-elemen Instuksi Mesin

Setiap instruksi harus terdiri dari informasi yang diperlukan oleh CPU untuk dieksekusi. Gambar langkah-langkah yang terdapat dalam eksekusi instruksi dan bentuk elemen-elemen instruksi mesin, adalah sebagai berikut :

1.    Kode Operasi : menentukan operasi-operasi yang akan dilakukan (misalnya: ADD,I/O). Operasi itu dispesifilan oleh sebuah kode biner, dikenal sebagai kode operasi.

2.    Acuan Operand Sumber : Operasi dapat melibatkan satu atau lebih operand sumber, dengan kata lain, operand adalah input bagi operasi.

3.    Acuan Operand Hasil: Operasi dapat menghasilkan sebuah hasil.

4.    Acuan Instruksi Berikutnya: Elemen ini memberitahukan CPU posisi instruksi berikutnya yang harus diambil setelah menyelesaikan eksekusi suatu instruksi. Instuksi berikutnya yang akan diambil berada di memori utama atau pada system memori virtual, akan berada baik di dalam memori utama atau memori sekunder. Umumnya, instruksi yang akan segera diambil selanjutnya, berada setelah instruksi saat itu. Ketika acuan eksplisit dibutuhkan, maka alamat memori utama atau alamat memori virtual harus disiapkan. Operand sumber dan hasil dapat berada di salah satu dari ketiga daerah berikut ini:

·         Memori Utama atau Memori Virtual: Dengan adanya acuan instruksi berikutnya, maka alamat memori utama atau memori virtual harus diketahui.

·         Register CPU: Dengan suatu pengecualian yang jarang terjadi, CPU terdiri dari sebuah register atau lebih yang dapat diacu oleh instruksi-instruksi mesin. Bila hanya terdapat sebuah register saja, maka acuan ke instruksi tersebut dapat berbentuk implicit. Sedangkan jika terdapat lebih dari satu register, maka setiap register diberi nomor yang unik, dan instruksi harus terdiri dari nomor register yang dimaksud.

·         Perangkat I/O: Instruksi harus menspesifikan modul I/O dan perangkat yang diperlukan oleh operasi. Jika digunakan I/O memori terpetakan, maka perangkat ini merupakan memori utama atau memori virtual.

B. Representasi Instruksi

Di dalam computer, instruksi dipresentasikan oleh sehimpunan bit. Himpunan bit ini dibagi menjadi beberapa bidang, dengan bidang-bidang ini berkaitan dengan elemen-elemen yang akan memuat instruksi. Layout instruksi ini dikenal sebagai bentuk instruksi. Contoh yang sederhana ditunjukkan pada gambar. Pada sebagian besar set instruksi, dapat digunakan lebih dari satu bentuk. Selama berlangsungnya eksekusi instruksi, instruksi dibaca ke dalam register instruksi yang terdapat dalam CPU. Untuk melakukan operasi yang diperlukan, CPU harus dapat mengeluarkan data dari berbagai bidang instruksi. Opcode direpresentasikan dengan singkatan-singkatan, yang disebut mnemorik, yang mengindikasikan operasi, contohnya adalah:

-ADD Add (Menambahkan)

-SUB Substract (Pengurangan)

-MPY Multiply (Perkalian)

-DIV Divide (Pembagian)

-LOAD Muatkan data data dari memori

-STOR Simpan data ke memori

Operand-operand juga direpresentasikan secara simbolik. Misalnya instruksi ADD R,Y Berarti tambahkan niali yang terdapat pada lokasi Y ke isi register R. Dalam contoh ini, Y berkaitan dengan alamat lokasi di dalam memori, dan R berkaitan dengan register tertentu. Perlu dicatat bahwa operasi dilakukan terhadap isi alamat, bukan terhadap alamatnya.

Sehingga adalah mungkin untuk menuliskan program bahasa mesin dalam bentuk simbolik. Setiap opcode simbolik memiliki representasi biner yang tetap, dan pemrograman dapat menetapkan masing-masing operand simbolik. Misalnya, pemrograman dapat memulainya dengan definisi-definisi:

-X=523

-Y=514

dan seterusnya. Sebuah program yang sederhana akan menerima input simbol ini, kemudian mengkonversiakn opcode dan acuan operand menjadi bentuk biner, dan akhirnya membentuk instruksi mesin biner.

C. Jenis-Jenis Instruksi

Sebuah instuksi yang dapat diekspresikan dalam bahasa BASIC atau FORTRAN. X = X+Y Pernyataan ini menginstruksiakna komputer untuk menambahkan nilai yang tersimpan di Y ke nilai yang tersimpan di X dan menyimpan hasilnya di X. Variabel X dan Y berkorespondensi dengan lokasi 513 dan 514. Jika kita mengasumsikan set instruksi mesin yang sederhana, maka operasi ini dapat dilakukan dengan tiga buah instruksi:

1. Muatkan sebuah register dengan isi lokasi memori 513

2. Tambahkan isi lokasi memori ke register

3. Simpan isi register di lokasi memori 513

Suatu komputer harus memiliki set instruksi yang memungkinkan pengguna untuk memformulasikan pengolahan data atau dengan memperhatikan kemampuan pemrograman bahasa tingkat tinggi. Agar dapat dieksekusi, setiap program yang ditulis dalam bahasa program tingkat tinggi harus diterjemahkan ke dalam bahasa mesin. Jadi, set instruksi mesin harus dapat mengekspresikan setiap instruksi bahas atingkat tinggi.

Adapun Jenis-jenis instrusi sebagai berikut:

- Pengolahan Data : Instrusi-instruksi aritmatika dan logika

- Penyimpanan Data : Instriksi-instruksi memori

- Perpindahan Data : Instruksi I/O

- Kontrol : Instruksi pemeriksaan dan percabangan

D. Jumlah Alamat

Salah satu cara tradisional dalam menjelaskan arsitektur prosesor adalah dengan memakai jumlah alamat yang terdapat pada masing-masing instruksi. Instruksi aritmatika dan logika memerlukan operand yang berjumlah banyak. Secara virtual, seluruh operasi eritmatika dan logika merupakan uner/unary (satu operand) atau biner (dua operand). Dengan demikian, memerlukan maksimum dua alamat untuk acuan operand. Hasil sebuah operasi akan memerlukan alamat ketiga.

Dengan demikian, instruksi perlu memiliki empat buah acuan alamat: dua buah operand, sebuah hasil operasi, dan sebuah alamat instruksi berikutnya. Sebagian besar CPU merupakan variasi satu, dua, atau tiga alamat dengan alamat instruksi berikutnya merupakan implisit (diperoleh dari pencacah program). Format tiga alamat tidak umum digunakan, karena instruksi-instruksi tersebut memerlukan bentuk instruksi yang lebih relatif lebih panjang untuk menampung acuan-acuan tiga alamat. Sedangkan bentuk dua alamat mengurangi kebuatuahan ruang akan tetapi menimbulkan kesulitan. Instruksi yang lebih sederhana adalah instruksi satu alamat. Agar alamat ini dapat berfungsi, alamat perlu diimplisitkan.

E. Rancangan Set Instruksi

Salah satu hal yang paling menarik tentang rancangan komputer adalah rancangan set instruksi. Karena rancangan ini mempengaruhi banak aspek sistem komputer, maka rancangan set instruksi sangat kompleks. Set instruksi menentukan banyak fungsi yang akan dilakukan oleh CPU dan karena itu memiliki efek yang sangat menentukan implementasi CPU. Set instruksi merupakan alat bagi pemrogram untuk mengontrol CPU. Dengan demikian, kebutuhan-kebutuhan pemrogram harus menjadi bahan pertimbangan dalam merancang set instruksi. Masalah rancangan fundamental yang paling signifikan meliputi:

1.    Repertoi Operasi: Berapa banyak dan opersai-operasi apa yang harus disediakan, dan sekompleks apakah operasi itu seharusnya.

2.    Jenis data : berbagai jenis data pada saat operasi dijalankan

3.    Bentuk instruksi : Panjang instruksi (dalam bit), jumlah alamat, ukuran bidang, dan sebagainya.

4.    Register : Jumlah register CPU yang dapat diacu oleh instruksi, dan fungsinya.

5.    Pengalamatan: Mode untuk menspesifikasikan alamat suatu operand.

Masalah-masalah ini saling berkaitan dan harus diperhatikan dalam merancang set instruksi.

Kesimpulan

1.    Instruksi mesin (machine intruction) yang dieksekusi membentuk suatu operasi dan berbagai macam fungsi CPU.

2.    Kumpulan fungsi yang dapat dieksekusi CPU disebut set instruksi (istruction set) CPU.

3.    Karakteristik instruksi mesin, meliputi:

·         Elemen-elemen instruksi

·         Representasi instruksi

·         Jenis-jenis instruksi

·         Penggunaan alamat

·         Rancangan set instruksi

1.ELEMEN-ELEMEN DARI INSTRUKSI MESIN (SET INSTRUKSI)

·         Operation Code (opcode) : menentukan operasi yang akan dilaksanakan

·         Source Operand Reference : merupakan input bagi operasi yang akan dilaksanakan

·         Result Operand Reference : merupakan hasil dari operasi yang dilaksanakan

·         Next instruction Reference : memberitahu CPU untuk mengambil (fetch) instruksi berikutnya setelah instruksi yang dijalankan selesai.

·         Source dan result operands dapat berupa salah Satu diantara tiga jenis berikut ini:

1.     Main or Virtual Memory

2.    CPU Register

3.    I/O Device

2. DESAIN SET INSTRUKSI

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

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:

- Operation Repertoire: Berapa banyak dan operasi apa saja yang disediakan, dan berapa sulit operasinya

- Data Types: tipe/jenis data yang dapat olah  Instruction Format: panjangnya, banyaknya alamat, dsb.

- Register: Banyaknya register yang dapat digunakan.

- Addressing: Mode pengalamatan untuk operand.

3. FORMAT INSTRUKSI

Suatu instruksi terdiri dari beberapa field yang sesuai dengan elemen dalam instruksi tersebut. Layout dari suatu instruksi sering disebut sebagai Format Instruksi (Instruction Format).

4. JENIS-JENIS OPERAND

Addresses (akan dibahas pada addressing modes)

Numbers :  

- Integer or fixed point

- Floating point

- Decimal (BCD)

Characters :

- ASCII

- EBCDIC

Logical Data : Bila data berbentuk binary: 0 dan 1

5. JENIS INSTRUKSI

·         Data processing: Arithmetic dan  Logic Instructions

·         Data storage: Memory instructions

·         Data Movement: I/O instructions

·         Control: Test and branch instructions

6. TRANSFER DATA

·         Menetapkan lokasi operand sumber dan operand tujuan.

·         Lokasi-lokasi tersebut dapat berupa memori, register atau bagian paling atas daripada stack.

·         Menetapkan panjang data yang dipindahkan.

·         Menetapkan mode pengalamatan.

·         Tindakan CPU untuk melakukan transfer data adalah :

1.    Memindahkan data dari satu lokasi ke lokasi lain.

2.    Apabila memori dilibatkan :

·         Menetapkan alamat memori.

·         Menjalankan transformasi alamat memori virtual ke alamat memori aktual.

·         Mengawali pembacaan / penulisan memori

Operasi set instruksi untuk transfer data :

1.    MOVE : memindahkan word atau blok dari sumber ke tujuan

2.    STORE : memindahkan word dari prosesor ke memori.

3.    LOAD : memindahkan word dari memori ke prosesor.

4.    EXCHANGE : menukar isi sumber ke tujuan.

5.    CLEAR / RESET : memindahkan word 0 ke tujuan.

6.    SET : memindahkan word 1 ke tujuan.

7.    PUSH : memindahkan word dari sumber ke bagian paling atas stack.

8.    POP : memindahkan word dari bagian paling atas sumber

7. ARITHMETIC

Tindakan CPU untuk melakukan operasi arithmetic :

1. Transfer data sebelum atau sesudah.

2. Melakukan fungsi dalam ALU.

3. Menset kode-kode kondisi dan flag.

Operasi set instruksi untuk arithmetic :

1. ADD : penjumlahan                          5. ABSOLUTE

2. SUBTRACT : pengurangan              6. NEGATIVE

3. MULTIPLY : perkalian                    7. DECREMENT

4. DIVIDE : pembagian                        8. INCREMENT

Nomor 5 sampai 8 merupakan instruksi operand tunggal.

8. LOGICAL

Tindakan CPU sama dengan arithmetic

Operasi set instruksi untuk operasi logical :

1. AND, OR, NOT, EXOR

2. COMPARE   : melakukan perbandingan logika.

3. TEST             : menguji kondisi tertentu.

4. SHIFT           : operand menggeser ke kiri atau kanan menyebabkan konstanta pada ujung bit.

5. ROTATE       : operand menggeser ke kiri atau ke kanan dengan ujung yang terjalin.

9. CONVERSI

Tindakan CPU sama dengan arithmetic dan logical.

Instruksi yang mengubah format instruksi yang beroperasi terhadap format data.

Misalnya pengubahan bilangan desimal menjadi bilangan biner.

Operasi set instruksi untuk conversi :

 1. TRANSLATE : menterjemahkan nilai-nilai dalam suatu bagian memori berdasrkan tabel   korespodensi.

 2. CONVERT : mengkonversi isi suatu word dari suatu bentuk ke bentuk lainnya.

10. INPUT / OUPUT

Tindakan CPU untuk melakukan INPUT /OUTPUT :

1. Apabila  memory mapped I/O maka menentukan alamat memory mapped.

2. Mengawali perintah ke modul I/O

Operasi set instruksi Input / Ouput :

1. INPUT : memindahkan data dari pernagkat I/O tertentu ke tujuan

2. OUTPUT : memindahkan data dari sumber tertentu ke perangkat I/O

3. START I/O : memindahkan instruksi ke prosesor I/O untuk mengawali operasi I/O

4. TEST I/O : memindahkan informasi dari sistem I/O ke tujuan

11.TRANSFER CONTROL

Tindakan CPU untuk transfer control :

Mengupdate program counter untuk subrutin , call / return.

Operasi set instruksi untuk transfer control :

·         JUMP (cabang) : pemindahan tidak bersyarat dan memuat PC dengan alamat tertentu.

·         JUMP BERSYARAT : menguji persyaratan tertentu danmemuat PC dengan alamat tertentu atau tidak melakukan apa tergantung dari persyaratan.

·         JUMP SUBRUTIN : melompat ke  alamat tertentu.

·         RETURN : mengganti isi PC dan register lainnya yang berasal dari lokasi tertentu.

·         EXECUTE : mengambil operand dari lokasi tertentu dan mengeksekusi sebagai instruksi

·         SKIP : menambah PC sehingga melompati instruksi berikutnya.

·         SKIP BERSYARAT : melompat atau tidak melakukan apa-apa berdasarkan pada persyaratan

·         HALT : menghentikan eksekusi program.

·         WAIT (HOLD) : melanjutkan eksekusi pada saat persyaratan dipenuhi.

·         NO OPERATION : tidak ada operasi yang dilakukan.

12. CONTROL SYSTEM

Hanya dapat dieksekusi ketika prosesor berada dalam keadaan khusus tertentu atau sedang mengeksekusi suatu program yang berada dalam area khusus, biasanya digunakan dalam sistem operasi.

Contoh : membaca atau mengubah register kontrol.

13.       JUMLAH ALAMAT (NUMBER OF ADDRESSES)

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 :

1.  Empat Alamat ( dua operand, satu hasil, satu   untuk alamat instruksi berikutnya)

2. Tiga Alamat (dua operand, satu hasil)

3. Dua Alamat (satu operand merangkap hasil, satunya lagi operand)

4. Satu Alamat (menggunakan accumulator untuk menyimpancoperand dan hasilnya)

14. Macam-macam instruksi menurut jumlah operasi yang dispesifikasikan

1. Memori To Register Instruction

2.  Memori To Memori Instruction

3.  Register To Register Instruction

15. ADDRESSING MODES

Jenis-jenis addressing modes (Teknik Pengalama-tan) yang paling umum:

-     Immediate

-     Direct

-     Indirect

-     Register

-     Register Indirect

-     Displacement

-     Stack

Pengenalan Mode Pengalamatan

Mode pengalamatan adalah bagaimana cara menunjuk dan  mengalamati suatu lokasi memori pada  sebuah alamat di mana operand akan diambil. Mode pengalamatan diterapkan pada set instruksi, dimana pada umumnya instruksi terdiri dari opcode (kode operasi) dan alamat. Setiap mode pengalamatan memberikan fleksibilitas khusus yang sangat penting. Mode pengalamatan ini meliputi direct addressing, indirect addressing, dan immediate addressing.

1. Direct Addresing

Dalam mode pengalamatan direct addressing, harga yang akan dipakai diambil langsung dalam alamat memori lain. Contohnya: MOV A,30h. Dalam instruksi ini akan dibaca data dari RAM internal dengan alamat 30h dan kemudian disimpan dalam akumulator. Mode pengalamatan ini cukup cepat, meskipun harga yang didapat tidak langsung seperti immediate, namun cukup cepat karena disimpan dalam RAM internal. Demikian pula akan lebih mudah menggunakan mode ini daripada mode immediate karena harga yang didapat bisa dari lokasi memori yang mungkin variabel.

Kelebihan dan kekurangan dari Direct Addresing antara lain :

-Kelebihan

   ----Field alamat berisi efektif address sebuah operand

-  Kelemahan

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

2. Indirect Addresing

Mode pengalamatan indirect addressing sangat berguna karena dapat memberikan fleksibilitas tinggi dalam mengalamati suatu harga. Mode ini pula satu-satunya cara untuk mengakses 128 byte lebih dari RAM internal pada keluarga 8052. Contoh: MOV A,@R0. Dalam instruksi tersebut, 89C51 akan mengambil harga yang berada pada alamat memori yang ditunjukkan oleh isi dari R0 dan kemudian mengisikannya ke akumulator. Mode pengalamatan indirect addressing selalu merujuk pada RAM internal dan tidak pernah merujuk pada SFR. Karena itu, menggunakan mode ini untuk mengalamati alamat lebih dari 7Fh hanya digunakan untuk keluarga 8052 yang memiliki 256 byte spasi RAM internal.

Kelebihan dan kekurangan dari Indirect Addresing antara lain :

-  Kelebihan

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

-  Kekurangan

    ---Diperlukan referensi memori ganda dalam satu fetch sehingga memperlambat preoses operasi

3. Immediate Addresing

Mode pengalamatan immediate addressing sangat umum dipakai karena harga yang akan disimpan dalam memori langsung mengikuti kode operasi dalam memori. Dengan kata lain, tidak diperlukan pengambilan harga dari alamat lain untuk disimpan. Contohnya: MOV A,#20h. Dalam instruksi tersebut, akumulator akan diisi dengan harga yang langsung mengikutinya, dalam hal ini 20h. Mode ini sangatlah cepat karena harga yang dipakai langsung tersedia.

Kelebihan dan kekurangan dari Immedieate Addresing antara lain :

-  Keuntungan

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

    ---Menghemat siklus instruksi sehingga proses keseluruhan akan cepat

-  Kekurangan

    ---Ukuran bilangan dibatasi oleh ukuran field alamat

B. Pengenalan pada Register Addressing

Register adalah merupakan sebagian memori dari mikro prosessor yang dapat diakses dengan kecepatan tinggi. Metode pengalamatan register ini  mirip dengan mode pengalamatan langsung. Perbedaannya 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.

Kelebihan dan kekurangan Register Addressing :

- Keuntungan pengalamatan register

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

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

Kerugian

- Ruang alamat menjadi terbatas

Register Indirect Addressing

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 Kelebihanan dan kekurangan pengalamatan register tidak langsung adalah 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

C. Pengenalan Displacement Addressing dan Stack Addresing

Displacement Addressing adalah menggabungkan kemampuan pengalamatan langsung dan pengalamatan register tidak langsung. Mode ini mensyaratkan instruksi memiliki dua buah field alamat, sedikitnya sebuah field yang eksplisit

Field eksplisit bernilai A dan field implisit mengarah pada register.

Ada tiga model displacement : Relative addressing, Base register addressing, Indexing

-  Relative addressing

   Register yang direferensi secara implisit adalah program counter (PC)

-  Alamat efektif relative addresing didapatkan dari alamat instruksi saat itu ditambahkan ke field alamat

- Relativ addressing memanfaatkan konsep lokalitas memori untuk menyediakan operand-operand                  berikutnya

-  Base register addresing, 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 adalah 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-program iterative

Stack adalah array lokasi yang linier = pushdown list = last-in-first-out. Stack merupakan blok lokasi yang terbalik. Butir ditambakan ke puncak stack sehingga setiap saat 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.