IKI20210 Pengantar Organisasi Komputer Kuliah Minggu ke-2: Arsitektur Set Instruksi

Transkripsi

1 IKI20210 Pengantar Organisasi Komputer Kuliah Minggu ke-2: Arsitektur Set Instruksi diadaptasikan dari materi kuliah CS61C/2000 & CS152/ /1997 UCB 11 September 2002 Bobby Nazief Johny Moningka bahan kuliah: 1 Outline Materi Kuliah (revisi) Pendahuluan (1) Set Instruksi ( ) Bahasa Rakitan AVR Assembler (AVR Assembler) Prosesor (3) Prosesor (3) Memori (5) Memori (5) I/O (4) Aritmatika (6) Aritmatika (6) Interupsi, Peripheral (9) Pipeline (7) Dukungan HLL/OS Reserve Tugas Pemrograman #1: Aritmatika & Logika #2: Branch #3: SubRutin #4: I/O (tanpa Interupsi) #5: Interupsi 2 Fasilkom UI IKI

2 Review: Machine Instructions Bagaimana memberikan instruksi ke mesin komputer? Beberapa bits untuk jenis instruksi/operasi Beberapa bits untuk alamat sumber dari operand Beberapa bits untuk alamat hasil operand Bits N-1 operation result addr op1 addr op2 addr 0 d = x + y -----> Add d x y jenis instruksi alamat operand / variabel Dimana bits instruksi harus disimpan? 3 Review: The Stored Program Computer data instruksi Memory menyimpan instruksi dan data sebagai bits. Instruksi diambil oleh prosesor dari memori, diartikan, dan, Operands (data) diambil, diolah, dan disimpan ke memori. Contoh Instruksi 4-digit Operasi: 0 => add, 1 => sub Alamat hasil Alamat op1 Alamat op2 Apa yang berada di lokasi 9 setelah eksekusi instruksi 0, 1, 2? instruksi 0: =add (jenis instruksi), 7=addr. result, 4=addr op1, 5=addr op2 4 Fasilkom UI IKI

3 Agenda Pengkodean Informasi: Data Pengalamatan Memori Register Pengkodean Informasi: Instruksi Pengeksekusian Instruksi Straight-line sequencing Branching Condition Codes Modus Pengalamatan Stacks SubRoutines 5 Pengkodean Informasi: Representasi Data Binary: 0, = 1x x x x x x2 + 0x2 0 = = 90 Decimal: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 90 = 9x x10 0 Hexa-Decimal: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F 5A = 5x x16 0 = = 90 Penulisan: 0x5A Bit String: 4 bits nibble 8 bits byte 16 bits half-word 32 bits word 64 bits double-word 6 Fasilkom UI IKI

4 Pengkodean Informasi: Angka & Huruf Angka: Sign-Magnitude - Bilangan positif/negatif ditentukan oleh MSB: sign bit; sisanya: magnitude Contoh: (101) = 5, 1101 = -(101) = -5 1 s Complement - Bilangan negatif = Komplemen-1 dari bilangan positifnya Contoh: -5 = 0101 = s Complement - Bilangan negatif = Komplemen-2 dari bilangan positifnya Contoh: -5 = = = 1011 Huruf ASCII 1 huruf direpresentasikan 7 bit atau 2 nibble/1 byte A 0x41, a 0x61 7 Pengalamatan Memori Alamat 0 1 i n bits Word 0 Word 1 Word i k menentukan besarnya ruang alamat (address space) memori: k = 16 ruang alamat = 2 16 (64536) lokasi k = 32 ruang alamaat = 2 32 (4 G) lokasi n menentukan besarnya suatu word (jumlah bit) n = 8, 16, 32, 64 2 k -1 Word 2k-1 Umumnya ukuran pengalamatan terkecil adalah dalam orde byte byte addressable 8 Fasilkom UI IKI

5 Pengalamatan Objek: Endianess Big Endian: address of most significant IBM 360/370, Motorola 68k, MIPS, Sparc, HP PA Word 0 msb lsb Word Little Endian: address of least significant Intel 80x86, DEC Vax, DEC Alpha (Windows NT) Word 0 Word lsb msb Operasi pada Memori 0745: Add (4),(5),(7) ; M[7] M[4] + M[5] Instruction Fetch Data Read 0078 Data Store (Write) Processor (active) Control ( brain ) Datapath ( brawn ) 10 Fasilkom UI IKI

6 Register General Purpose Registers: Memori terdekat dari Datapath Dipergunakan sebagai operand, seperti lokasi memori dengan alamat khusus: R0, R1,, R31 Special Registers Condition Code Register, Status Register, Program Counter (PC), Instruction Register (IR), dst. Processor Control Datapath Registers On-Chip Cache Second Level Cache (SRAM) Main Memory (DRAM) 11 AVR General Purpose Registers PC SP 12 Fasilkom UI IKI

7 Set Instruksi (Bahasa Mesin) «Bahasa Rakitan Bahasa Mesin kumpulan bit yang merepresentasikan Operasi & Operand Bahasa Rakitan representasi dari Bahasa Mesin dalam bahasa (kumpulan huruf & angka) yang lebih mudah dimengerti oleh manusia mnemonic 0745: Add (4),(5),(7) ; M[7] M[4] + M[5] 13 Pengkodean Informasi: Instruksi m bit Kode Operasi n bit Informasi Lokasi Operand: dimana data masukan bersumber dan/atau dimana hasil operasi disimpan Format Ukuran Instruksi: Variable: Fixed: Hybrid: 14 Fasilkom UI IKI

8 Jenis-jenis Operasi (tidak banyak berubah sejak 1960) Data Transfer Arithmetic Shift Logical Control (Jump/Branch) Subroutine Linkage Interrupt Synchronization String Graphics (MMX) Load (from memory) Store (to memory) memory-to-memory move register-to-register move input (from I/O device) output (to I/O device) push, pop (to/from stack) integer (binary + decimal) or FP Add, Subtract, Multiply, Divide shift left/right, rotate left/right not, and, or, set, clear unconditional, conditional call, return trap, return test & set (atomic r-m-w) search, translate parallel subword ops (4 16bit add) 15 Set Instruksi Intel 80x86 1. Integer Instructions 1. Data Transfer Instructions 2. Binary Arithmetic Instructions 3. Decimal Arithmetic 4. Logic Instructions 5. Shift and Rotate Instructions 6. Bit and Byte Instructions 7. Control Transfer Instructions 8. String Instructions 9. Flag Control Instructions 10.Segment Register Instructions 11.Miscellaneous Instructions 2. MMX Technology Instructions 3. Floating-Point Instructions 4. System Instructions 5. Streaming SIMD Extensions 16 Fasilkom UI IKI

9 Top 10 80x86 Instructions Rank Instruction Integer Average Percent total executed 1 load 22% 2 conditional branch 20% 3 compare 16% 4 store 12% 5 add 8% 6 and 6% 7 sub 5% 8 move register-register 4% 9 call 1% 10 return 1% Total 96% Simple instructions dominate instruction frequency 17 Set Instruksi AVR 18 Fasilkom UI IKI

10 13 September a-Pendahuluan.ppt 10-Sep :39 218k 01b-Basic Operations..> 10-Sep :26 371k 02-Set Instruksi.ppt 11-Sep :46 470k AT90S8515.pdf 28-Jun :00 751k ATMELAVR.PDF 28-Jun :00 142k AVR Assembler.PDF 28-Jun :00 518k AVR Instruction Set.PDF 28-Jun :00 1.2M AVR Simulator.PDF 28-Jun :00 882k AVR Studio.PDF 28-Jun :00 188k 20 Fasilkom UI IKI

11 Endianess Alamat Big Endian Alamat Little Endian i i 2 k -1 2 k Kelas-kelas Pengalamatan Operand 3 address Add A,B,C ; [C] [A][ + [B] Operation atau Operation Source1,Source2,Destination Destination,Source1,Source2 2 address Add A,B ; [B] [B][ + [A] Operation Source,Destination 1 address Add A ; acc acc + [A] 0 address Add ; tos tos + next Load/Store + General Purpose Register: 2 address Load A,R1 ; R1 [B] Load B,R2 ; R2 [A] Add R1,R2 ; R2 R2 + R1 Store R2,C ; [C] R2 22 Fasilkom UI IKI

12 Perbandingan Jumlah Instruksi Perintah HLL: C = A + B Stack Accumulator Register Register (reg-mem) (load-store) Push A Load A Load A,R1 Load A,R1 Push B Add B Add B,R1 Load B,R2 Add Store C Store R1,C Add R1,R2,R3 Pop C Store R3,C 23 Control Flow: Straight-Line Sequencing PC PC PC Alamat i i+1 i+2 Move A,R0 Add B,R0 Move R0,C PC (Program Counter): Register yang menyimpan lokasi memori tempat instruksi berikutnya disimpan A B C 24 Fasilkom UI IKI

13 Control Flow: Branching Alamat i i+1 i+2 Move Num1,R0 Add Num2,R0 Add Num3,R0 Alamat LOOP Move N,R1 Clear R0 Determine address of next number and add Next number to R0 i+n-1 i+n Add NumN,R0 Mov R0,SUM Decrement R1 Branch>0 LOOP Move R0,SUM SUM Num1 Num2 SUM N Num1 Num2 n NumN NumN 25 Condition Codes Informasi yang berkaitan dengan hasil operasi (terutama Aritmatika & Logika) disimpan dalam Condition Code Flags Kumpulan CC Flags Register CC/Status Masing-masing bit dari Register CC/Status merepresentasikan: N (negative): perhitungan sebelumnya menghasilkan bilangan negatif Z (zero): perhitungan sebelumnya menghasilkan bilangan 0 V (overflow): perhitungan sebelumnya menyebabkan overflow C (carry): perhitungan sebelumnya menghasilkan carry-out Contoh Penggunaan: LOOP:... Decrement R1 ; R1 R1-1 Branch>0 LOOP ; if (Z!= 0) then LOOP 26 Fasilkom UI IKI

14 Modus Pengalamatan 1. Register: Add R2,R1 ; R1 R1 + R2 2. Absolute: Add (100),R1 ; R1 R1 + M[100] 3. Immediate: Add #10,R1 ; R1 R Indirect-Memory: ; R1 R1 + M[M[100]] 5. Indirect-Register: Add (R2),R1 ; R1 R1 + M[R2] 6. Index: Add 10(R2),R1 ; R1 R1 + M[10+R2] 7. Autoincrement: Add (R2)+,R1 ; R1 R1 + M[R2], ; R2 R2 + d 8. Autodecrement: Add -(R2),R1 ; R2 R2 d, ; R1 R1 + M[R2] Alamat lokasi operand tidak diperoleh secara eksplisit, tetapi harus diturunkan Effective Address (EA) 27 Indirect Mode Indirect-Memory: ; R1 R1 + M[M[100]] Indirect-Register: Add (R2),R1 ; R1 R1 + M[R2] pointer R2 200 Add (R2),R Operand 200 Operand 28 Fasilkom UI IKI

15 Index Mode Move N,R1 for (i = N; i > 0; i--) Move #Num1,R2 SUM += Vec[base+i]; Clear R0 LOOP Add 20(R2),R0 ; R0 R0 + M[20+R2] Increment R2 Decrement R1 Branch>0 LOOP Move R0,SUM R R2 20 Add 20(R2),R1 Add 1050(R2),R Operand 1070 Operand 29 Auto-{in de}crement Mode Move N,R1 Move #Num1,R2 Clear R0 LOOP Add (R2)+,R0 ; R0 R0 + M[R2], R2 R2 + d Decrement R1 ; tipe data: byte d = 1 Branch>0 LOOP ; tipe data: word d = 2 Move R0,SUM Add -(R2),R0 ; R2 R2 d, R0 R0 + M[R2] 30 Fasilkom UI IKI

16 Stacks Lokasi memori yang pengaksesan datanya dibatasi dengan cara LIFO (Last In, First Out) data terakhir yang disimpan kedalam stack akan menjadi data pert ama yang diperoleh pada saat stack diakses Push: memasukkan data ke Stack Pop: mengeluarkan data yang berada di top-of-stack (TOS) alamat TOS disimpan dalam register Stack Pointer (SP) 0 Top-of-Stack: SP Stack Bottom-of-Stack 2 k Operasi pada Stacks Push NewItem: Decrement SP Move NewItem,(SP) SP Pop Item: Move Increment (SP),Item SP NewItem Item 19 SP Bahaya Overflow Bahaya Underflow NewItem Item Fasilkom UI IKI

17 SubRoutines SubRoutine adalah sekumpulan instruksi yang mengerjakan suatu fungsi tertentu dan diakhiri dengan instruksi RETURN SubRoutine biasanya dipanggil (CALL) oleh program lain dan setelah SubRoutine selesai mengerjakan fungsinya, kendali program dikembalikan (RETURN) ke program pemanggil Lokasi Program Utama 200 Call SUB 201 instruksi_berikutnya Lokasi Subroutine SUB 1000 instruksi_i... Return 1000 PC 201 Link SubRoutines & Stacks Lokasi Program Utama 200 Call SUB ; Push PC 201 instruksi_ instruksi_ Return ; Jump SUB ; Pop PC SP PC SP PC Fasilkom UI IKI

18 Calls: Why Are Stacks So Great? Stacking of Subroutine Calls & Returns and Environments: A: CALL B B: CALL C A A B C: RET RET A A A B C B Some machines provide a memory stack as part of the architecture (e.g., VAX) Sometimes stacks are implemented via software convention (e.g., MIPS) 35 Fasilkom UI IKI