SIKLUS INSTRUKSIDAN

INSTRUKSI PIPELININGPrita Ekasari

Siklus Instruksi

STRUKTUR KOMPUTER

• Memory Buffer Register (MBR) atau Memory Data Register (MDR) : berisi sebuah word yang akan disimpan di dalam memori, atau digunakan untuk menerima word dari memori.

• Memory Address Register (MAR) : menentukan alamat di memori yang isinya akan diambil ke MBR atau yang akan diisi dengan data yang terdapat di MBR.

• Instruction Register (IR) : tempat menampung instruksi yang akan dieksekusi.

• Program Counter (PC) : menyimpan alamat instruksi berikutnya yang akan diambil dari memori.

• Accumulator : digunakan untuk menyimpan sementara operand dan hasil operasi ALU.

SIKLUS INTRUKSI DASAR

• Eksekusi program akan terhenti apabila komputer dimatikan, terjadi kesalahan, atau terdapat instruksi yang menghentikan komputer.

• Mengambil instruksi berikutnya Eksekusi instruksi Siklus Pengambilan (Fetch Cycle) & Siklus Eksekusi (Execute Cycle)

• Pada awal setiap siklus instruksi, CPU membaca instruksi dari memori.• Sebuah register yang disebut Program Counter (PC) digunakan untuk

menunjukkan alamat instruksi yang akan diambil dari memori.• Setiap kali sebuah instruksi dibaca, isi PC akan ditambah sehingga CPU

akan membaca instruksi selanjutnya secara berurutan.• Instruksi yang dibaca akan dimuatkan ke sebuah register di dalam CPU

yang disebut Instruction register (IR).• Selanjutnya CPU menginterpretasikan instruksi dan melakukan aksi yang

diperlukan.

REGISTER INTERNAL CPU

• 0001 = Isi memori, yang alamatnya dinyatakan pada bit 4 sampai bit 15 pada format instruksi, disalinkan ke Accumulator.

• 0010 = Simpan isi accumulator ke memori, yang alamatnya dinyatakan pada bit 4 sampai bit 15.

• 0101 =Tambahkan isi AC dengan isi memori, yang alamatnya dinyatakan pada bit 4 sampai bit 15.

KUMPULAN REGISTER

• 9 Memory Buffer Register (MBR)

• 9 Memory Address Register (MAR)

• 9 Instruction Register (IR)

• 9 Instruction Buffer Register (IBR): digunakan untuk menyimpan sementara instruksi sebelah kanan word di dalam memori.

• 9 Program Counter (PC)

• 9 Accumulator dan Multiplier -Ouotient (MQ) : digunakan untuk menyimpan sementara operand dan hasil operasi ALU.

KODE ATAU INSTRUKSI• Program Counter (PC) =

menyimpan alamat instruksi

• Instruction Register (IR) =

menampung instruksi yang

sedang dieksekusi

• Accumulator (AC) = register

penyimpanan temporer

Pengolahan instruksi dalam CPU

Pengolahan instruksi dalam CPU terdiri dari dua langkah, yaitu : operasi pembacaan instruksi (fetch) dan operasi pelaksanaan instruksi (execute). Siklus instruksi yang terdiri dari siklus fetch dan siklus eksekusi.

Pada setiap siklus instruksi, CPU awalnya akan membacainstruksi dari memori. Terdapat register dalam CPU yangberfungsi mengawasi dan menghitung instruksiselanjutnya, yang disebut Program Counter (PC). PC akanmenambah satu hitungannya setiap kali CPU membacainstruksi.

SIKLUS FETCH - EKSEKUSI

Instruksi – instruksi yang dibaca akan dibuat dalam register instruksi (IR). Instruksi –instruksi ini dalam bentuk kode – kode binner yang dapat diinterpretasikan oleh CPUkemudian dilakukan aksi yang diperlukan. Aksi – aksi ini dikelompokkan menjadi empatkatagori, yaitu :

• CPU – Memori, perpindahan data dari CPU ke memori dan sebaliknya.

• CPU –I/O, perpindahan data dari CPU ke modul I/O dan sebaliknya.

• Pengolahan Data, CPU membentuk sejumlah operasi aritmatika dan logika terhadap data.

• Kontrol, merupakan instruksi untuk pengontrolan fungsi atau kerja. Misalnya instruksipengubahan urusan eksekusi.

FUNGSI INTERRUPT

Fungsi interupsi adalah mekanisme penghentian atau pengalihan pengolahan instruksi dalam CPU kepada routine interupsi. Hampir semua modul (memori dan I/O) memiliki mekanisme yang dapat menginterupsi kerja CPU.

Tujuan interupsi secara umum untuk menejemen pengeksekusian routine instruksi agar efektif dan efisien antar CPU dan modul – modul I/O maupun memori. Setiap komponen komputer dapat menjalankan tugasnya secara bersamaan, tetapi kendali terletak pada CPU disamping itu kecepatan eksekusi masing – masing

Macam – macam kelas sinyal interupsi :

• Program, yaitu interupsi yang dibangkitkan dengan beberapa kondisi yang terjadi pada hasil eksekusi program. Contohnya: arimatika overflow, pembagian nol, oparasi ilegal.

• Timer, adalah interupsi yang dibangkitkan pewaktuan dalam prosesor. Sinyal ini memungkinkan sistem operasi menjalankan fungsi tertentu secara reguler.

• I/O, sinyal interupsi yang dibangkitkan oleh modul I/O sehubungan pemberitahuan kondisi error dan penyelesaian suatu operasi.

• Hardware failure, adalah interupsi yang dibangkitkan oleh kegagalan daya atau kesalahan paritas memori.

Dengan adanya mekanisme interupsi, prosesor dapat digunakan untuk mengeksekusi instruksi-instruksi lain. Saat suatu modul telah selesai menjalankan tugasnya dan siap menerima tugas berikutnya maka modul ini akan mengirimkan permintaan interupsi ke prosesor. Kemudian prosesor akan menghentikan eksekusi yang dijalankannya untuk menghandel routine interupsi.

Setelah program interupsi selesai maka prosesor akan melanjutkan eksekusi programnya kembali. Saat sinyal interupsi diterima prosesor ada dua kemungkinan tindakan, yaitu interupsi diterima/ditangguhkan dan interupsi ditolak. Apabila interupsi ditangguhkan, prosesor akan melakukan hal – hal dibawah ini :

• Prosesor menangguhkan eksekusi program yangdijalankan dan menyimpan konteksnya. Tindakan iniadalah menyimpan alamat instruksi berikutnya yangakan dieksekusi dan data lain yang relevan.

• Prosesor menyetel program counter (PC) ke alamatawal routine interrupt handler.

Instruksi pipelining

Pengertian pipelining instruksi

Pipeline adalah suatu cara yang digunakan untuk melakukansejumlah kerja secara bersama tetapi dalam tahap yang berbeda yangdialirkan secara continue pada unit pemrosesor. Dengan cara ini, makaunit pemrosesan selalu bekerja. Teknik Pipeline ini dapat diterapkanpada berbagai tingkatan dalam sistem komputer. Bisa pada level yangtinggi, misalnya program aplikasi, sampai pada tingkat yang rendah,seperti pada instruksi yang dijaankan oleh microprocessor.

Teknik pipeline ini dapat diterapkan pada berbagai tingkatandalam sistem komputer. Bisa pada level yang tinggi, misalnya programaplikasi, sampai pada tingkat yang rendah, seperti pada instruksi yangdijalankan oleh microprocessor.

Perbedaan Microprocesor yang menggunakan pipeline• Pada microprocessor yang tidak menggunakan pipeline, satu instruksi

dilakukan sampai selesai, baru instruksi berikutnya dapat dilaksanakan. Sedangkan dalam microprocessor yang menggunakan teknik pipeline, ketika satu instruksi sedangkan diproses, maka instruksi yang berikutnya juga dapat diproses dalam waktu yang bersamaan. Tetapi, instruksi yang diproses secara bersamaan ini, ada dalam tahap proses yang berbeda. Jadi, ada sejumlah tahapan yang akan dilewati oleh sebuah instruksi.

• Dengan penerapan pipeline ini pada microprocessor akan didapatkan peningkatan dalam unjuk kerja microprocessor. Hal ini terjadi karena beberapa instruksi dapat dilakukan secara parallel dalam waktu yang bersamaan. Secara kasarnya diharapkan akan didapatkan peningkatan sebesar K kali dibandingkan dengan microprocessor yang tidak menggunakan pipeline, apabila tahapan yang ada dalam satu kali pemrosesan instruksi adalah K tahap.

Instruksi pada pipeline1. Mengambil instruksi dan membufferkannya

2. Ketika tahapan kedua bebas, tahapan pertama akanmengirimkan instruksi yang dibufferkan tersebut.

3. Pada saat tahapan kedua sedang mengeksekusi instruksi. Tahapan pertama memanfaatkan siklus memori yang tidakdipakai untuk mengambil dan membufferkan instruksiberikutnya .

Gambaran tetang instruksi pipeline

Contoh tanpa pipeline

• Instruksi 1: ADD AX, AX Instruksi 2: ADD EX, CX

Setelah CU menjemput instruksi 1 dari memori (IF), CU akan menerjemahkan instruksi tersebut(ID). Pada menerjemahkaninstruksi 1 tersebut, komponen IF tidak bekerja. Adanya teknologi pipeline menyebabkan IF akan menjemput instruksi 2 pada saat ID menerjemahkan instruksi 1. Demikian seterusnya pada saat CU menjalankan instruksi 1 (EX), instruksi 2 diterjemahkan (ID).

Disini instruksi baru akan dijemput jika instruksi sebelumnya telah selesai dilaksanakan.

Contoh pengerjaan dengan pipeline

Disini instruksi baru akan dijemput setelah tahap IF menganggur (t2).

Dengan adanya pipeline dua instruksi selesai dilaksanakan padadetik keenam (sedangkan pada

kasus tanpa pipeline baru selesai pada detik kesepuluh). Dengan demikian telah terjadi percepatan

sebanyak 1,67x dari 10t menjadi hanya 6t. Sedangkan untuk pengerjaan 3 buah instruksi terjadi percepatan

sebanyak 2, 14 dari 15t menjadi hanya 7t.

Untuk kasus pipeline sendiri, 2 instruksi dapat dikerjakan dalam 6t(cpi = 3) dan instruksi dapat

dikerjakan dalam 7t (cpt = 2,3) dan untuk 4 instruksi dapat dikerjakan dalam 8t (cpi =2). Ini berarti utnuk

100 instruksi akan dapat dikerjakan dalam 104t (cpi = 1,04). Pada kondisi ideal cpi akan harga 1.

Masalah pada pipeline

• Dengan adanya persyaratan bahwa setiap instuksi yang berdekatanharus tidak saling bergantung, maka ada kemungkinan terjadinyasituasi dimana pipeline gagal dilaksanakan (instuksi berikutnya tidakbisa dilaksanakan). Situasi ini disebut Hazards. Hazards mengurangiperformansi dari CPU dimana percepatan ideal tidak dapat dicapai. Hazard memiliki 3 kelompok yaitu :

1. Structural Hazards muncul dari konflik resource sistem yaitu ketika hardware tidak dapat mensuport semua kemungkinan kombinasi pelaksanaaninstruksi.

2. ata Hazards muncul ketika data untuk suatu instruksi tergantung pada hasilinstruksi sebelumnya.

3. Control Hazards muncul pada pelaksanaan instruksi yang mengubah PC

Keuntungan dan kelebihan pipelining

Keuntungan :

• Waktu siklus prosesorberkurang, sehinggameningkatkan tingkat instruksi-isu dalam kebanyakan kasus.

• Beberapa combinational sirkuitseperti penambah ataupengganda dapat dibuat lebihcepat dengan menambahkanlebih banyak sirkuit.

Kekurangan :

• Non-pipelined prosesor hanyamenjalankan satu instruksi pada satu waktu. Akibatnya desainlebih sederhana dan lebih murahuntuk diproduksi.

• Instruksi latency di non-pipelined prosesor sedikit lebihrendah daripada dalampipelined setara.

• Non-pipelined prosesor akanmemiliki instruksi yang stabilbandwidth.

Pipelining di Prosesor

• Untuk menerapkan prinsip multi-stage atau mulai saat ini kita namakan pipelining di prosesor, diperlukan organisasi prosesor khusus

• Pada dasarnya, prosesor dipartisi menjadi sejumlah unit-unit kecil dengan fungsi spesifik Setiap unit berperan menyelesaikan sebagian dari eksekusi instruksi : Instruction fetch, decode, operand address calculation, operand fetch, execute and store result

TERIMAKASIH