Arsitektur dan Desain Set Instruksi
Arsitektur
Set Instruksi
Set Instruksi (bahasa Inggris: Instruction Set, atau Instruction
Set Architecture (ISA)) didefinisikan sebagai suatu aspek dalam arsitektur
komputer yang dapat dilihat oleh para pemrogram. Secara umum, ISA ini mencakup
jenis data yang didukung, jenis instruksi yang dipakai, jenis register, mode
pengalamatan, arsitektur memori, penanganan interupsi, eksepsi, dan operasi I/O
eksternalnya (jika ada).
ISA
merupakan sebuah spesifikasi dari kumpulan semua kode-kode biner (opcode) yang
diimplementasikan dalam bentuk aslinya (native form) dalam sebuah desain
prosesor tertentu. Kumpulan opcode tersebut, umumnya disebut sebagai bahasa
mesin (machine language) untuk ISA yang bersangkutan. ISA yang populer
digunakan adalah set instruksi untuk chip Intel x86, IA-64, IBM PowerPC,
Motorola 68000, Sun SPARC, DEC Alpha, dan lain-lain.
Karakteristik
dan Fungsi Set Instruksi
Operasi dari CPU ditentukan oleh instruksiinstruksi 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).
Jenis-jenis
Set Instruksi
- Data Processing/Pengolahan Data: instruksi-instruksi aritmetika dan logika.
- Data Storage/Penyimpanan Data: instruksi-instruksi memori.
- Data Movement/Perpindahan Data: instruksi I/O.
- Control/Kontrol: instruksi pemeriksaan dan percabangan.
Instruksi aritmetika (arithmetic instruction)
memiliki kemampuan untuk mengolah data numeric. Sedangkan instruksi logika (logic
instruction) beroperasi pada bit-bit word sebagai bit, bukan sebagai
bilangan. Operasi-operasi tersebut dilakukan terutama dilakukan untuk data di
register CPU. Instruksi-inslruksi memori diperlukan untuk memindah data yang
terdapat di memori dan register.
Instruksi-instruksi
I/O diperlukan untuk memindahkan program dan data kedalam memori dan
mengembalikan hasil komputasi kepada pengguna. Instruksi-instruksi kontrol
digunakan untuk memeriksa nilai data, status komputasi dan mencabangkan ke set
instruksi lain.
Teknik
Pengalamatan
Metode pengalamatan merupakan aspek dari set instruksi
arsitekturdi sebagian unit pengolah pusat(CPU) desain yang didefinisikan dalam
set instruksi arsitektur dan menentukan bagaimana bahasa mesinpetunjuk dalam
arsitektur untuk mengidentifikasi operan dari setiap instruksi.. Sebuah mode
pengalamatan menentukan bagaimana menghitung alamat memori yang efektif dari
operand dengan menggunakan informasi yang diadakan di registerdan / atau
konstanta yang terkandung dalam instruksi mesin atau di tempat lain.
Jumlah
Alamat
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 :
- a) Empat Alamat ( dua operand, satu hasil, satu untuk alamat instruksi berikutnya)
- b) Tiga Alamat (dua operand, satu hasil)
- c) Dua Alamat (satu operand merangkap hasil, satunya lagi operand)
- d) Satu Alamat (menggunakan accumulator untuk menyimpan operand dan hasilnya)
- Macam-macam instruksi menurut jumlah operasi yang dispesifikasikan :
- a) – Address Instruction
- b) 1 – Addreess Instruction
- c) N – Address Instruction
- d) M + N – Address Instruction
- Macam-macam instruksi menurut sifat akses terhadap memori atau register
- a) Memori To Register Instruction
- b) Memori To Memori Instruction
- c) Register To Register Instruction
Jenis-jenis
Metode Pengalamatan
a)
Direct Absolute (pengalamatan langsung)
Hal ini membutuhkan ruang dalam sebuah instruksi untuk cukup
alamat yang besar.. Hal ini sering tersedia di mesin CISC yang memiliki panjang
instruksi variabel, seperti x86.. Beberapa mesin RISC memiliki Literal khusus Atas instruksi Load yang
menempatkan sebuah 16-bit konstan di atas setengah dari register.. Sebuah literal instruksi ATAUdapat
digunakan untuk menyisipkan 16-bit konstan di bagian bawah mendaftar itu,
sehingga alamat 32-bit kemudian dapat digunakan melalui mode pengalamatan tidak
langsung mendaftar, yang itu sendiri disediakan sebagai “base- plus-offset
“dengan offset 0.
b)
Immidiate
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 kompleent 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.
c)
Indirect register
- 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
- 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.
d)
Indirect- memori
Salah satu mode pengalamatan yang disebutkan dalam artikel
ini bisa memiliki sedikit tambahan untuk menunjukkan pengalamatan tidak
langsung, yaitu alamat dihitung menggunakan modus beberapa sebenarnya alamat
dari suatu lokasi (biasanya lengkap kata) yang berisi alamat efektif
sebenarnya. Pengalamatan tidak langsung dapat digunakan untuk kode atau data..
Hal ini dapat membuat pelaksanaan pointer ataureferensi atau menanganilebih
mudah, dan juga dapat membuat lebih mudah untuk memanggil subrutin yang tidak
dinyatakan dialamati. Pengalamatan tidak langsung tidak membawa hukuman
performansi karena akses memori tambahan terlibat.
Beberapa awal minicomputer (misalnya Desember PDP-8, Data
General Nova) hanya memiliki beberapa register dan hanya rentang menangani
terbatas (8 bit).Oleh karena itu penggunaan memori tidak langsung menangani
hampir satu-satunya cara merujuk ke jumlah yang signifikan dari memori.
e)
Register
Pada beberapa komputer, register dianggap sebagai menduduki
16 pertama 8 atau kata-kata dari memori (misalnya ICL 1900, DEC PDP-10). Ini
berarti bahwa tidak perlu bagi yang terpisah “Tambahkan register untuk
mendaftarkan” instruksi – Anda hanya bisa menggunakan “menambahkan memori untuk
mendaftar” instruksi. Dalam kasus model awal PDP-10, yang tidak memiliki memori
cache, Anda benar-benar dapat memuat sebuah loop dalam ketat ke dalam beberapa
kata pertama dari memori (register cepat sebenarnya), dan berjalan lebih cepat
daripada di memori inti magnetik. Kemudian model dari DEC PDP-11seri memetakan
register ke alamat di output / area input, tetapi ini ditujukan untuk
memungkinkan diagnostik terpencil. register 16-bit dipetakan ke alamat
berturut-turut byte 8-bit.
f)
Index
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
g)
Base index
Base index, register yang direferensi berisi sebuah alamat
memori, dan field alamat berisiperpindahan dari alamat itu Referensi register
dapat eksplisit maupun implicit. Memanfaatkan konsep lokalitas memori.
h)
Base index plus offset
Offset biasanya nilai 16-bit masuk (walaupun 80386 diperluas
ke 32 bit). Jika offset adalah nol, ini menjadi contoh dari register pengalamatan
tidak langsung, alamat efektif hanya nilai dalam register
dasar. Pada mesin RISC banyak, register 0 adalah tetap sebesar nilai nol. Jika
register 0 digunakan sebagai register dasar, ini menjadi sebuah contoh
dari pengalamatan mutlak. Namun, hanya sebagian kecil dari memori
dapat diakses (64 kilobyte, jika offset adalah 16 bit). 16-bit offset mungkin
tampak sangat kecil sehubungan dengan ukuran memori komputer saat ini (yang
mengapa 80386 diperluas ke 32-bit). Ini bisa lebih buruk: IBM System/360
mainframe hanya memiliki 12-bit unsigned offset. Namun, prinsip berlaku: selama
rentang waktu yang singkat, sebagian besar item data program ingin mengakses
cukup dekat satu sama lain. Mode pengalamatan ini terkait erat dengan mode
pengalamatan terindeks mutlak.
Contoh
1: Dalam sebuah sub rutin
programmer terutama akan tertarik dengan parameter dan variabel lokal, yang
jarang akan melebihi 64 KB, yang satu basis register (yang frame pointer) sudah
cukup. Jika rutin ini adalah metode kelas dalam bahasa berorientasi objek,
kemudian register dasar kedua diperlukan yang menunjuk pada atribut untuk objek
saat ini (ini atau diri dalam beberapa bahasa tingkat tinggi).
Contoh
2: Jika register dasar berisi
alamat dari sebuah tipe komposit (record atau struktur), offset dapat digunakan
untuk memilih field dari record (catatan paling / struktur kurang dari 32 kB).
i)
Relatif
Pengalamatan Relative, register yang direferensi secara
implisit adalah program counter (PC)Alamat efektif didapatkan dari alamat
instruksi saat itu ditambahkan ke field alamat Memanfaatkan konsep lokalitas
memori untuk menyediakan operand-operand berikutnya.
Desain
Set Instruksi
Desain
set instruksi merupakan masalah yang sangat komplek yang melibatkan banyak
aspek, diantaranya adalah:
- Kelengkapan set instruksi
- Ortogonalitas (sifat independensi instruksi)
- Kompatibilitas : Source code compatibility dan 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 4.Addressing: Mode pengalamatan untuk operand.
Format
Set 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). Jenis-Jenis Operand antara lain :
- 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
- Transfer Data
a) Menetapkan lokasi operand sumber
dan operand tujuan.
b) Lokasi-lokasi tersebut dapat
berupa memori, register atau bagian paling atas daripada stack.
c) Menetapkan panjang data yang
dipindahkan.
d) Menetapkan mode pengalamatan.
e) Tindakan CPU untuk melakukan
Transfer Data adalah :
Ø Memindahkan data dari satu lokasi ke
lokasi lain.
Ø Apabila memori dilibatkan :
·
Menetapkan
alamat memori.
·
Menjalankan
transformasi alamat memori virtual ke alamat memori aktual.
·
Mengawali
pembacaan / penulisan memori
f) 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
: memindahkan word dari sumber ke bagian paling atas stack.
·
POP
: memindahkan word dari bagian paling atas sumber
- Aritmatika dan Logika
a) Tindakan CPU untuk melakukan
operasi Aritmatika Dan Logika :
·
Transfer
data sebelum atau sesudah.
·
Melakukan
fungsi dalam ALU.
·
Menset
kode-kode kondisi dan flag.
b) Operasi set instruksi untuk
Aritmatika :
·
ADD
: penjumlahan
·
SUBTRACT
: pengurangan
·
MULTIPLY
: perkalian
·
DIVIDE
: pembagian
c) Operasi set instruksi untuk
operasi Logika :
·
AND,
OR, NOT, EXOR
·
COMPARE
: melakukan perbandingan logika
·
TEST
: menguji kondisi tertentu
·
SHIFT
: operand menggeser ke kiri atau kanan menyebabkan konstanta pada ujung bit
·
ROTATE
: operand menggeser ke kiri atau ke kanan dengan ujung yang terjalin
- Konversi
a) Tindakan CPU sama dengan
Aritmatika dan Logika.
b) Instruksi yang mengubah format
instruksi yang beroperasi terhadap format data.
c) Misalnya pengubahan bilangan
desimal menjadi bilangan biner.
d) Operasi set instruksi untuk
Konversi :
·
TRANSLATE
: menterjemahkan nilai-nilai dalam suatu bagian memori berdasrkan tabel
korespodensi.
·
CONVERT
: mengkonversi isi suatu word dari suatu bentuk ke bentuk lainnya.
- Input / Ouput
a) Tindakan CPU untuk melakukan
INPUT /OUTPUT :
·
Apabila
memory mapped I/O maka menentukan alamat memory mapped.
·
Mengawali
perintah ke modul I/O
b) Operasi set instruksi Input /
Ouput :
·
INPUT
: memindahkan data dari pernagkat I/O tertentu ke tujuan.
·
OUTPUT
: memindahkan data dari sumber tertentu ke perangkat I/O.
·
START
I/O : memindahkan instruksi ke prosesor I/O untuk mengawali operasi I/O.
·
TEST
I/O : memindahkan informasi dari sistem I/O ke tujuan TRANSFER CONTROL.
- Transfer Control
a) Tindakan CPU untuk transfer
control :
·
Mengupdate
program counter untuk subrutin , call / return.
b) Operasi set instruksi untuk
transfer control :
·
JUMP
(cabang) : pemindahan tidak bersyarat dan memuat PC dengan alamat tertentu.
·
JUMP
BERSYARAT : menguji persyaratan tertentu dan memuat 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.
- Control System
a) 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.
b) Contoh : membaca atau mengubah
register kontrol.
Sumber
Referensi :
