CPU, BUS dan ALU.

CENTRAL PROCESSING UNIT (CPU)

Arsitektur dasar mesin tipe Von Neumann menjadi kerangka referensi pada komputer digital umum (general-purpose) modern. 3 bagian fundamental tersebut adalah :

Program disimpan dalam unit memori utama yang berhadapan dengan piranti I/O melalui CPU. CPU membaca dari atau menulis ke memori, dengan mengirimkan alamat word ke unit memori melalui bus address kemudian menerima atau mengirimkan data melalui bus data. Data dipertukarkan antara CPU dan Unit I/O juga dengan menggunakan bus data. Operasi disinkronisasikan oleh dua bus control dengan sinyal kendali yang dikirimkan oleh CPU dan sinyal acknowledgment serta sinyal interupsi yang diterima oleh CPU.

• Sistem BUS

Sistem Bus yaitu Jalur komunikasi yang dibagi pemakai Suatu set kabel tunggal yang digunakan untuk menghubungkan berbagai subsistem. Karakteristik penting sebuah bus ialah bahwa bus merupakan media transmisi yang dapat dipakai secara bersamaan. Sistem komputer terdiri dari sejumlah bus yang berlainan yang menyediakan jalan antara dua buah komponen pada bermacam-macam tingkatan hirarki sistem komputer. Suatu Komputer terdiri dengan beberapa unsur penting seperti CPU, memori, perangkat Input/Output. setiap computer saling terhubung dan membentuk saling terkait fungsinya. Sistem bus adalah penghubung bagi keseluruhan komponen computer dalam menjalankan tugasnya. Transfer data antara komputer sangatlah terkait dengan mendominasikan  kerja suatu computer. Data atau program yang tersimpan di sebuah memori dapat diakses dan dieksekusi CPU melalui bantuan sistem bus, dengan demikian kita dapat melihat hasil eksekusi melalui monitor juga menggunakan sistem bus.

• Cara Kerja Sistem BUS

1. Pada sistem komputer akan lebih maju, jika arsitektur komputernya  diciptakan dengan lebih kompleks, sehingga tingkatannya lebih  performa, dan di pakai beberapa buah bus. Bus tersebut merupakan jalur akses data antara beberapa device yang berbeda.
2. Dengan cara ini RAM, Prosesor, GPU (VGA AGP) dikaitkan oleh Otak bus dengan tegangan yang atau biasa disebut dengan sebutan FSB (Front Side Bus) .
3. Sementara perangkat lain yang lebih lambat dihubungkan oleh bus yang tegangannya lebih rendah yang terkait dengan bus lain yang lebih cepat sampai ke Otak bus. Untuk komunikasi antar bus ini dapat digunakan sebuah bridge.

• Jenis Sistem BUS

Sedangkan jenis-jenis bus itu sendiri juga dikelompokkan berdasarkan masingmasing kriteria, tapi disini akan di jelaskan Jenis Bus menurut fungsinya masing - masing . Langsung saja berikut Jenis-jenis Bus Berdasarkan Fungsi :

• Data Bus :
  - Berfungsi untuk mengirim data, membawa data dari dan ke perangkat atau periferal
  - Terdiri atas bagian tertentu atau jalur penghantar, 8, 16, 32 dan 64 bahkan lebih jalur paralel
  - Data ditransmisikan dalam dua jalur, yaitu dari CPU atau mesin proseses ke unit memori atau modul I/O dan sebaliknya.
  Semakin lebar bus maka semakin besar data yang dapat dikirim sewaktu - waktu.

• Control Bus:
  - Berfungsi untuk mensinkronkan proses penerimaan dan pengiriman data.
  - Untuk menentukan memori atau port agar siap ditulis atau dibaca.
  - Sinyal Kontrol: RD, WR, IO/M
  - Sinyal Read dan write : untuk mencari data dari perangkat
• Address Bus:
  - Membawa informasi agar dapat mengetahui tempat suatu perangkat atau periferal
  - Untuk memilih tempat memori atau port yang akan ditulis atau dibaca
  - Untuk mengatur rute data, muncul dari mana, tujuannya ke mana.
  - Bersifat searah, cpu memberikan alamat yang bertujuan untuk mengatur periferal mana yang dituju. Contoh memori mana yang dicari atau I/O mana yang dituju.
  - Semakin besar bus alamat, akan semakin banyak range lokasi tempat yang dapat di temukan.
  - Jumlah alamat yang dapat dicari pada Bus alamat yaitu sebanyak jumlah yang di tentukan.

• ALU (Aritmatik Logic unit)

unit yang bertugas untuk melakukan operasi aritmetika dan operasi logika berdasar instruksi yang ditentukan. ALU sering di sebut mesin bahasa karena bagian ini ALU terdiri dari dua bagian, yaitu unit arithmetika dan unit logika boolean yang masing-masing memiliki spesifikasi tugas tersendiri. Tugas utama dari ALU adalah melakukan semua perhitungan aritmatika (matematika) yang terjadi sesuai dengan instruksi program. ALU melakukan semua operasi aritmatika dengan dasar penjumlahan sehingga sirkuit elektronik yang digunakan disebut adder.

Tugas lain dari ALU adalah melakukan keputusan dari suatu operasi logika sesuai dengan instruksi program. Operasi logika meliputi perbandingan dua operand dengan menggunakan operator logika tertentu, yaitu sama dengan (=), tidak sama dengan (≠ ), kurang dari (<), kurang atau sama dengan (£ ), lebih besar dari (>), dan lebih besar atau sama dengan ( ≥).

• CONTROL UNIT
  Unit kendali / Control Unit (CU) adalah salah satu bagian dari CPU yang bertugas untuk memberikan arahan/kendali/ kontrol terhadap operasi yang dilakukan di bagian ALU (Arithmetic Logical Unit) di dalam CPU tersebut. Output dari CU ini akan mengatur aktivitas bagian lainnya dari perangkat CPU.
  Pada awal-awal desain komputer, CU diimplementasikan sebagai ad-hoc logic yang susah untuk didesain. Sekarang, CU diimplementasikan sebagai sebuah microprogram yang disimpan di dalam tempat penyimpanan kontrol (control store). Beberapa word dari microprogram dipilih oleh microsequencer dan bit yang datang dari word-word tersebut akan secara langsung mengontrol bagian-bagian berbeda dari perangkat tersebut, termasuk di antaranya adalah register, ALU, register instruksi, bus dan peralatan input/output di luar chip. Pada komputer modern, setiap subsistem ini telah memiliki kontrolernya masing-masing, dengan CU sebagai pemantaunya (supervisor). CU, juga berfungsi untuk bersinkronasi antar komponen.
  Tugas CU :

1. Mengatur dan mengendalikan alat input dan output
2. Mengatur dan mengendalikan instruksi-instruksi dari memori utama
3. Mengambil data dari memori utama kalau diperlukan oleh proses
4. Mengirim instruksi ke ALU bila ada perhitungan aritmetika atau perbandingan logika serta mengawasi kerja.
5. Menyimpan hasil proses ke memori utama.

Macam-macam CU :

1.Single Cycle CU : Proses di CUl ini hanya terjadi dalam satu clock cycle, artinya setiap instruksi ada pada satu cycle, maka dari itu tidak memerlukan state. Dengan demikian fungsi boolean masing-masing control line hanya merupakan fungsi dari opcode saja. Clock cycle harus mempunyai panjang yang sama untuk setiap jenis instruksi. Ada dua bagian pada unit kontrol ini, yaitu proses men-decode opcode untuk mengelompokkannya menjadi 4 macam instruksi (yaitu di gerbang AND), dan pemberian sinyal kontrol berdasarkan jenis instruksinya (yaitu gerbang OR). Keempat jenis instruksi adalah “R-format” (berhubungan dengan register), “lw” (membaca memori), “sw” (menulis ke memori), dan “beq” (branching). Sinyal kontrol yang dihasilkan bergantung pada jenis instruksinya. Misalnya jika melibatkan memori ”R-format” atau ”lw” maka akan sinyal ”Regwrite” akan aktif. Hal lain jika melibatkan memori “lw” atau “sw” maka akan diberi sinyal kontrol ke ALU, yaitu “ALUSrc”. Desain single-cycle ini lebih dapat bekerja dengan baik dan benar tetapi cycle ini tidak efisien.

2.Multi Cycle CU : Berbeda dengan unit kontrol yang single-cycle, unit kontrol yang multi-cycle lebih memiliki banyak fungsi. Dengan memperhatikan state dan opcode, fungsi boolean dari masing-masing output control line dapat ditentukan. Masing-masingnya akan menjadi fungsi dari 10 buah input logic. Jadi akan terdapat banyak fungsi boolean, dan masing-masingnya tidak sederhana. Pada cycle ini, sinyal kontrol tidak lagi ditentukan dengan melihat pada bit-bit instruksinya. Bit-bit opcode memberitahukan operasi apa yang selanjutnya akan dijalankan CPU; bukan instruksi cycle selanjutnya.

• Set register

Register prosesor merupakan memory yang dapat diakses secara cepat untuk central processing unit (CPU). Register biasanya terdiri dari sejumlah kecil penyimpanan cepat, meskipun beberapa register memiliki fungsi hardware tertentu, dapat berupa read-only atau menulis-hanya. Register biasanya ditangani oleh mekanisme lain dari memori utama, tetapi mungkin dalam beberapa kasus menjadi pemetaan memori.

Register prosesor biasanya berada di bagian atas hirarki memori, dan menyediakan cara tercepat untuk mengakses data. register prosesor biasanya mengacu hanya untuk kelompok register yang secara langsung dikodekan sebagai bagian dari instruksi, seperti yang didefinisikan oleh set instruksi. Namun, CPU modern dengan kinerja tinggi sering memiliki duplikat dari "register arsitektur" dalam rangka meningkatkan kinerja melalui daftar penamaan register, yang memungkinkan eksekusi paralel. desain x86 modern mengakuisisi teknik ini sekitar tahun 1995 dengan rilis dari Pentium Pro, Cyrix 6x86, Nx586, dan AMD K5.
Register dapat diklasifikasikan sebagai berikut :

• User Accessible Register

1. Data Register
2. Address Register
3. General Purpose Register
4. Status Register
5. Floating Point Register
6. Constant Register
7. Vector Register
8. Special Purpose Register

• Internal Register

1. Instruction Register
2. Register yang terhubung dengan informasi dari ram : Memory Buffer Register, Memory Data Register, Memory Address Register

Pada gambar (a) diatas menunjukkan kumpulan register pada mikroprosesor intel 8085. Pada CPU ini, register A berfungsi sebagai sebuah akumulator 8 bit. CPU juga mencakup sebuah program counter (PC), sebuah stack pointer(SP), sebuah flag register dan enam register pengalamatan 8 bit. Pada gambar (b) diatas, register 8 bit biasanya digunakan secara berpasangan. Register A bersama-sama dengan flag register, membentuk program status word (PSW). Tiga pasangan lainnya digunakan untuk tujuan pengalamatan, pasangan H merupakan pasangan yang sangat umum digunakan. Pasangan ini bisa dirujuk secara bersama-sama atau terpisah, yang menyebabkan tersedianya berbagai variasi intruksi.

refrensi:

ricky.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/21939/5+CPU.doc

http://www.blognovi.com/2016/04/apa-itu-sistem-bus-dalam-komputer.html

hasanudin.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/32415/Central+Processing+Unit.doc

https://en.wikipedia.org/wiki/Central_processing_unit

https://en.wikipedia.org/wiki/Processor_register

Arsitektur Set Instruksi

Set instruksi (instruction set) merupakan sekumpulan lengkap instruksi yang dapat dimengerti oleh sebuah CPU, disebut juga machine code (bahasa mesin), aslinya juga berbentuk biner atau bahasa assembly. Untuk konsumsi manusia (programmer), biasanya digunakan representasi yang lebih mudah dimengerti manusia.

Elemen-elemen Instruksi.

• Operation code (Op code) : Kerjakan ini
• Source Operand reference : Terhadap isi alamat ini
• Result Operand reference : Letakkan hasilnya di alamat ini
• Next Instruction Reference :Kalau sudah selesai, selanjutnya kerjakan alamat ini

Dalam sebuah instruksi, tidak harus semua elemen ini dicantumkan, tergantung kebutuhan dan jenis instruksinya. Semua instruksi dijalankan dalam CPU. Rata-rata operasi hanya membutuhkan register sebagai tempat membaca atau menyimpan operand. Adakalanya juga register tidak berisi operand tapi menunjuk ke tempat penyimpanan lainnya (memory, cache, modul I/O)

I. Jenis – jenis 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 control digunakan untuk memeriksa nilai data, status komputasi dan mencabangkan ke set instruksi lain.

II. Teknik Pengalamatan Desain Set Instruksi

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 register dan / atau konstanta yang terkandung dalam instruksi mesin atau di tempat lain.

Jenis-jenis metode pengamatan

• 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.

• 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.

• 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.

• 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 atau referensi atau menangani lebih 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.

• 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.

• 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 iteratif

• Base index.

Base index, register yang direferensi berisi sebuah alamat memori, dan field alamat berisi perpindahan dari alamat itu. Referensi register dapat eksplisit maupun implicit. Memanfaatkan konsep lokalitas memori.

• 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).

• 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.

III.DESAIN SET INSTRUKSI.

Desain set instruksi merupakan masalah yang sangatkomplek 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 operasiapa saja yang disediakan, dan berapa sulito perasinya.

2. Data Types

Tipe/jenis data yang dapat olah.

3. Instruction Format

Panjangnya, banyaknya alamat,dsb.

4. Register

Banyaknya register yang dapat digunakan

Referensi :

https://sekaranindya.wordpress.com/2013/10/29/set-instruksi/

http://fachrulryper.blogspot.com/2012/11/arsitektur-set-instruksi-dan-cpu.html