ARSITEKTUR SET INSTRUKSI ptputraastawa@gmail.com Ptputraastawa.wordpress.com
Karakteristik Dan Fungsi Set Instruksi Operasi dari CPU ditentukan oleh instruksi-instruksi yang dilaksanakan atau dijalankannya. Instruksi ini sering disebut sebagai instruksi mesin (mechine instructions) atau instruksi komputer (computer instructions). Kumpulan dari instruksi-instruksi yang berbeda yang dapat dijalankan oleh CPU disebut set Instruksi (Instruction Set).
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
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: 1. Operation Repertoire: Berapa banyak dan operasi apa saja yang disediakan, dan berapa sulit operasinya 2. Data Types: tipe/jenis data yang dapat olah Instruction Format: panjangnya, banyaknya alamat, dsb. 3. Register: Banyaknya register yang dapat digunakan 4.Addressing: Mode pengalamatan untuk operand
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). OPCODE OPERAND REFERENCE OPERAND REFERENCE
Jenis-jenis Operand Addresses (akan dibahas pada addressing modes) Numbers : - Integer or fixed point - Floating point - Decimal (BCD) Characters : - ASCII - EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) Logical Data : Bila data berbentuk binary: 0 dan 1
Jenis Instruksi 1. Data processing: Arithmetic dan Logic Instructions 2. Data storage: Memory instructions 3. Data Movement: I/O instructions 4. Control: Test and branch instructions
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 : Tindakan CPU untuk melakukan transfer data adalah : a. Memindahkan data dari satu lokasi ke lokasi lain. b. 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: MOVE : memindahkan word atau blok dari sumber ke tujuan STORE : memindahkan word dari prosesor ke memori. LOAD : memindahkan word dari memori ke prosesor. EXCHANGE : menukar isi sumber ke tujuan. CLEAR / RESET : memindahkan word 0 ke tujuan. SET : memindahkan word 1 ke tujuan. PUSH stack. : memindahkan word dari sumber ke bagian paling atas POP : memindahkan word dari bagian paling atas sumber
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.
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.
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.
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
Transfer Control Tindakan CPU untuk transfer control : Mengupdate program counter untuk subrutin, call / return. Operasi set instruksi untuk transfer control : 1. JUMP (cabang) : pemindahan tidak bersyarat dan memuat PC dengan alamat tertentu. 2. JUMP BERSYARAT : menguji persyaratan tertentu danmemuat PC dengan alamat tertentu atau tidak melakukan apa tergantung dari persyaratan. 3. JUMP SUBRUTIN : melompat ke alamat tertentu. 4. RETURN : mengganti isi PC dan register lainnya yang berasal dari lokasi tertentu. 5. EXECUTE : mengambil operand dari lokasi tertentu dan mengeksekusi sebagai instruksi
6. SKIP : menambah PC sehingga melompati instruksi berikutnya. 7. SKIP BERSYARAT : melompat atau tidak melakukan apa-apa berdasarkan pada persyaratan 8. HALT : menghentikan eksekusi program. 9. WAIT (HOLD) : melanjutkan eksekusi pada saat persyaratan dipenuhi. 10. NO OPERATION : tidak ada operasi yang dilakukan.
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.
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 menyimpan operand dan hasilnya)
Macam-macam instruksi menurut jumlah operasi yang dispesifikasikan 1. O Address Instruction 2. 1 Addreess Instruction. 3. N Address Instruction 4. M + N Address Instruction
Jenis instruksi menurut sifat akses terhadap memori atau register 1. Memori To Register Instruction 2. Memori To Memori Instruction 3. Register To Register Instruction
Addressing Modes Membatasi keterbatasan format instruksi Dapat mereferensi lokasi memori yang besar Jenis-jenis addressing modes (Teknik Pengalama-tan) yang paling umum: Immediate Direct Indirect Register Register Indirect Displacement Stack
Immediate Addressing Bentuk pengalamatan ini yang paling sederhana? Operand benar-benar ada dalam instruksi atau bagian dari instruksi = operand sama dengan field alamat Umumnya bilangan akan disimpan dalam bentuk komplement dua Bit paling kiri sebagai bit tanda Ketika operand dimuatkan ke dalam register data, bit tanda digeser ke kiri hingga maksimum word data Contoh: ADD 5 ; tambahkan 5 pada akumulator
Keuntungan dan Kekurangan Immediate Addressing 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
Direct Addressing Kelebihan Field alamat berisi efektif address sebuah operand Hanya memerlukan sebuah referensi memori dan tidak memerlukan kalkulus khusus Kelemahan Keterbatasan field alamat karena panjang field alamat biasanya lebih kecil dibandingkan panjang word Contoh: Contoh: ADD A ; tambahkan isi pada lokasi alamat A ke akumulator
Indirect Addressing Mode Pegalamatan tak langsung Field alamat mengacu pada alamat word di alamat memori Pada gilrannya akan berisi alamat operand yang panjang Contoh: ADD (A); tambahkan isi memori yang ditunjuk oleh isi alamat A ke akumulator
Kelebihan dan Kekurangan Indirect Addressing 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
Register Addressing Metode pengalamatan register 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
Keuntungan dan Kerugian 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 Keuntungan dan keterbatasan pengalamatan register tidak langsung pada dasarnya sama dengan pengalamatan tidak langsung
Register Indirect Addressing 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 Menggabungkan kemampuan pengalamatan langsung dan pengalamatan register tidak langsung Mode in mensyaratkan instruksi memiliki dua buah field alamat, sedikitnya sebuah field yang eksplisit Field eksplisit bernilai A dan field implisit mengarah pada register
Displacement Addressing Operand berada pada alamat A ditambahkan isi register Tiga model displacement Relative addressing Base register addressing Indexing
Displacement Addressing Relative addresing, register yang direferensi secara implisit adalah progra counter (PC) Alamat efektif didapatkan dari alamat instruksi saat itu ditambahkan ke field alamat Memanfaatkan konsep lokalitas memori untuk menyediakan operandoperand 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
Displacement Addressing Indexing dalah 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 programprogram iteratif
Stack Addressing Stack adalah array lokasi yang linier = pushdown list = last-in-first-out Stack merupakan blok lokasi yang terbalik Btir 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
Tabel Basic Addressing Modes Mode Algorithm Principal Advantage Principal Disadvantage Immediate Operand = A No memory reference Limited operand magnitude Direct EA = A Simple Limited address space Indirect EA = (A) Large address space Multiple memory references Register EA = R No memory Reference Register Indirect Limited space address EA = (R) Large address space Extra memory reference Displace-ment EA=A+(R) flexibility Complexity Stack EA=top of Stack No memory Reference Limited applicability
Gambar Addressing Mode