Tipe Instruksi. Data processing. Data storage. Data movement. Control. Instruksi aritmatika dan logika. Instruksi untuk Memory. Instruksi untuk I/O

Transkripsi

1 DASAR KOMPUTER CPU

2 FUNGSI CPU

3 Tipe Instruksi Data processing Instruksi aritmatika dan logika Data storage Instruksi untuk Memory Data movement Instruksi untuk I/O Control Instruksi test dan instruksi percabangan

4 Masih ingat??

5 STRUKTUR CPU

6 Struktur CPU

7 Register Tempat penyimpanan data pada CPU Memiliki mekanisme akses tersendiri Note : Setiap arsitektur CPU memiliki register yang berbeda-beda.

8 Register CPU Architecture Integer registers FP registers x x IBM/ Z/Architecture Itanium UltraSPARC POWER Alpha PIC microcontroller 1 0 AVR microcontroller 32 0 ARM 16 16

9 CPU Register (8086)

10 General Purposes Register (1) AX Accumulator register : Generates shortest machine code Arithmetic, logic and data transfer One number must be in AL or AX Multiplication & Division Input & Output BX Base address register CX Count register : Repetitive operations on strings with the REP command Count (in CL) of bits to shift and rotate DX Data register : DX:AX concatenated into 32-bit register for some MUL and DIV operations Specifying ports in some IN and OUT operations

11 General Purposes Register (2) SI - source index register: Can be used for pointer addressing of data Used as source in some string processing instructions Offset address relative to DS DI - destination index register: Can be used for pointer addressing of data Used as destination in some string processing instructions Offset address relative to ES BP - base pointer: Primarily used to access parameters passed via the stack Offset address relative to SS SP - stack pointer: Always points to top item on the stack Offset address relative to SS Always points to word (byte at even address) An empty stack will had SP = FFFEh

12 Segment Register CS - points at the segment containing the current program. DS - generally points at segment where variables are defined. ES - extra segment register, it's up to a coder to define its usage. SS - points at the segment containing the stack.

13 Special Purposes Register IP - the instruction pointer: Always points to next instruction to be executed Offset address relative to CS

14 Flag Register Carry Flag (CF) Parity Flag (PF) - 1 when there is even number of one bits in result Auxiliary Flag (AF) - set to 1 when there is an unsigned overflow for low nibble (4 bits). Zero Flag (ZF) - set to 1 when result is zero.. Sign Flag (SF) - set to 1 when result is negative Trap Flag (TF) - Used for on-chip debugging. Interrupt enable Flag (IF) - when this flag is set to 1 CPU reacts to interrupts from external devices. Direction Flag (DF) - this flag is used by some instructions to process data chains, when this flag is set to 0 - the processing is done forward, when this flag is set to 1 the processing is done backward. Overflow Flag (OF) - set to 1 when there is a signed overflow. For example, when you add bytes (result is not in range ).

15 ALU vs FPU ALU Arithmatic Logical Unit FPU Floating Point Logical Unit Perhitungan yang lebih kompleks

16 Control Unit Memberi instruksi kepada ALU/FPU Perpindahan data antara Register ALU/FPU Memory

17 SIKLUS EKSEKUSI INSTRUKSI

18 Fetch Execute Instruction Fetch instruksi dari memory. Decode opcode. Decode operand address Fetch operand. Execute instruction

19 Instruction Cycle State Diagram

20 Instruksi dan Data Dalam setiap siklus eksekusinya, CPU membutuhkan instruksi dan data Instruksi Sequence dari bit-bit Instruction Set Sekumpulan instruksi yang dapat dimengerti/dieksekusi oleh CPU Data

21 INSTRUKSI

22 Representasi Instruksi Oleh karena sulit menggunakan representasi biner, maka digunakan symbolic representation dari instruksi mesin begitu juga dengan operand Opcode sering disingkat dan disebut mnemonics. Muncul bahasa mesin Sangat memungkinkan untuk menuliskan bahasa mesin dalam bentuk symbolic. Program menerima input symbolic, mengkonversi opcode dan operand ke dalam bentuk biner, membentuk instruksi mesin Muncul bahasa tingkat tinggi Terbagi dalam field-field dan membentuk format tersendiri Kebanyakan dari Instruction Set menggunakan lebih dari 1 format

23 Elements Instruksi Operation code (Op code) Instruksi yang akan dilakukan Source Operand reference Data yang dibutuhkan Result Operand reference Lokasi memory tempat penyimpanan hasil Next Instruction Reference

24 Source dan Result Operand Main or Virtual Memory Alamat operand harus dijelaskan sebelum digunakan CPU Register Jika CPU memiliki lebih dari 1 register maka alamat dari masingmasing register harus digunakan I/O Device

25 Simple Instruction Format

26 Jumlah Addres (1) 3 addresses Operand 1, Operand 2, Result a = b + c; Kadang dibutuhkan yang keempat - next instruction (biasanya secara implicit) Tidak umum digunakan Butuh word yang panjang untuk mengakomodir semuanya

27 Jumlah Addres (2) 2 addresses Satu alamat berfungsi ganda (operand dan result) a = a + b Panjang instruksi bisa dikurangi Butuh kerja ekstra Butuh tempat penyimpanan sementara untuk menyimpan result

28 Jumlah Address (3) 1 address Alamat kedua dinyatakan secara Implicit Biasanya berupa register (accumulator) Umum digunakan pada komputer jaman dulu

29 Jumlah Addres (4) 0 (zero) addresses Semua address implicit Menggunakan stack e.g. push a push b add pop c c = a + b

30 Berapa Jumlah Address Semakin Banyak Instruksi lebih complex (powerful?) Lebih banyak registers Operasi Inter-register lebih cepat Lebih sedikit instruksi tiap program Sedikit Instruksi lebih sederhana (powerful?) More instructions per program Lebih cepat dalam mengambil instruksi

31 Pertimbangan Design Daftar Operation Berapa jumlah Opcode? Apa yg bisa dilakukan oleh Opcode tsb? Seberapa komplek? Tipe Data Format Instruksi Panjang field opcode Jumlah alamat Registers Jumlah register CPU yang ada Operasi yang mana pada register yang mana? Mode Addressing RISC v CISC

32 Tipe Operasi Data Transfer Arithmetic Logical Conversion I/O System Control Transfer of Control

33 Tipe Operand Address Angka Integer/floating point Karakter ASCII etc. Data Logical Bits or flags (Aside: Is there any difference between numbers and characters? Ask a C programmer!)

34 DATA

35 x86 Data Types 8 bit Byte 16 bit word 32 bit double word 64 bit quad word 128 bit double quadword Pengalamatan diberikan setiap 8 bit unit Data diakses melalui bus 32 bit bus dalam unit double word yang dibaca pada alamat-alamat yanb bisa dibagi dengan 4 Little endian

36 x86 Numeric Data Formats

37 Byte Order Urutan pembacaan angka jika kapasitasnya lebih dari 1 byte e.g (hexa) disimpan dalam lokasi 4x8bit seperti berikut Address Value (1) Value(2) i.e. dibaca dari atas ke bawah atau sebaliknya?

38 Penamaan Byte Order Penamaan byte order ini disebut Endian Big-Endian Sistem pada bagian kiri memiliki LSB pada alamat terendah Little-Endian Sistem pada bagian kanan memiliki LSB pada alamat tertinggi

39 Contoh Struktur Data pada C

40 Alternative View of Memory Map

41 Standard What Standard? Pentium (x86), VAX little-endian IBM 370, Motorola 680x0 (Mac), dan kebanyakan RISC : big-endian Internet : big-endian Membuat program Internet di PC lebih susah! WinSock menyediakan fungsi htoi & itoh (Host to Internet & Internet to Host) untuk konversi.

42 Mode Pengalamatan Immediate Direct Indirect Register Register Indirect Displacement (Indexed) Stack

43 Immediate Addressing Operand merupakan bagian dari instruksi Operand = address field e.g : ADD 5 Tambahkan 5 ke accumulator 5 adalah operand Tidak menggunakan referensi memory untuk mengambil data data Cepat Range Terbatas

44 Immediate Addressing Diagram Instruction Opcode Operand

45 Direct Addressing Address field berisi alamat operand Effective address (EA) = address field (A) e.g. ADD A Tambahkan isi dari cell A ke dalam accumulator Lihat di lokasi A pada memory untuk mengambil operand Single memory reference untuk mengakses data Tidak membutuhkan perhitungan khusus terhadap effective address Jumlah address terbatas

46 Direct Addressing Diagram Instruction Opcode Address A Memory Operand

47 Indirect Addressing Memory cell menunjukkan alamat dari operand. EA = (A) Lihat dalam A, cari alamat yang ditunjukkan dalam (A) dan cari operand disana e.g. ADD (A) Tambahkan isi dari cell yang ditunjukkan oleh A ke dalam accumulator Butuh address space yang besar 2 n dimana n = panjang word Bisa jadi tersarang, multilevel, bertingkat e.g. EA = (((A))) Multiple akses memory untuk menemukan operand Lebih lambat

48 Indirect Addressing Diagram Instruction Opcode Address A Memory Pointer to operand Operand

49 Register Addressing Operand disimpan dalam register pada address field EA = R Jumlah register terbatas address field yang dibutuhkan sangat sedikit Instruksi lebih singkat Pengambilan instruksi lebih cepat Tidak membutuhkan akses ke memory Eksekusi sangat cepat Address space sangat terbatas Multiple registers meningkatkan kinerja Butuh kemampuan assembly programming atau kemampuan compiler N.B. pada pemograman C register int a; c.f. Direct addressing

50 Register Addressing Diagram Instruction Opcode Register Address R Registers Operand

51 Register Indirect Addressing C.f. indirect addressing EA = (R) Operand berada dalam memory cell yang ditunjukkan oleh register R Butuh address space yang besar (2 n ) Akses memory 1 tingkat lebih sedikti daripada indirect addressing

52 Register Indirect Addressing Diagram Instruction Opcode Register Address R Memory Registers Pointer to Operand Operand

53 Displacement Addressing EA = A + (R) Address field berisi 2 buah nilai A = base value R = register yang berisi penggantinya Atau sebaliknya

54 Displacement Addressing Diagram Instruction Opcode Register R Address A Memory Registers Pointer to Operand + Operand

55 Relative Addressing Bentuk lain dari displacement addressing R = Program counter, PC EA = A + (PC) i.e. ambil operand dari cell A dari lokasi yang sedang ditunjukkan oleh PC saat ini

56 Base-Register Addressing A berisi pengganti/displacement R berisi pointer ke address R bisa jadi explicit atau implicit e.g. segment registers pada 80x86

57 Indexed Addressing A = base R = displacement EA = A + R Cocok digunakan untuk mengakses array EA = A + R R++

58 Stack Addressing Operand (implicitly) berada pada stack bagian atas e.g. ADD keluarkan 2 item dari stack kemudian jumlahkan

59 Contoh : x86 Addressing Mode Terdapat 12 mode addressing Immediate Register operand Displacement Base Base with displacement Scaled index with displacement Base with index and displacement Base scaled index with displacement Relative

60 Contoh : 8051 Addressing Mode Immediate Addressing MOV A,#20h Direct Addressing MOV A,30h Indirect Addressing MOV A,@R0 External Direct MOVX A,@DPTR Code Indirect MOVC A,@A+DPTR

61 Assembler Mesin hanya menyimpan dan mengerti binary instructions E.g. N= I + J + K inisialisasi I=2, J=3, K=4 Program program dimulai pada alamat 101 Data dimulai dari alamat 201 Kode: Load isi memory pada alamat 201 ke dalam AC Tambahkan isi pada alamat 202 ke dalam AC Tambahkan isi dari alamat 203 ke dalam AC Simpan isis AC pada 204 Sulit dalam membuat programnya

62 Improvements Menggunakan hexadecimal daripada binary Kode sebagai urutan dari baris Hex address dan memory address Butuh translasi secara otomatis untuk menjalankan program Menggunakan nama symbolic atau mnemonics untuk instruksi 3 field/line Location : address 3 karakter :opcode Jika menggunakan referensi memory: address Butuh penerjemah program yang lebih komplek

63 Program in: Binary Hexadecimal Address Contents Address Contents

64 Symbolic Addresses Field pertama disimbolkan Memory references pada ketiga field disimbolkan Sekarang jadi bahasa assembly language dan butuh assembler untuk menerjemahkannya translate Assembler digunakan pada beberapa systems programming Compilers I/O routines

65 Symbolic Program Address Contents Address Instruction 101 LDA ADD ADD STA DAT DAT DAT DAT 0

66 Assembler Program Label Operation Operand FORMUL LDA I ADD J ADD STA K N I DATA 2 J DATA 3 K DATA 4 N DATA 0