Arsitektur Set Instruksi

PENGERTIAN SET INSTRUKSI

Set instruksi (instruction set) merupakan sekumpulan lengkap instruksi yang dapat dimengerti oleh sebuah CPU Instruksinya berbentuk machine code (bahasa mesin), aslinya seluruhnya dalam bilangan biner. Untuk programmer, biasanya digunakan representasi yang lebih mudah dimengerti  bahasa yang dapat dimengerti manusia, dikenal dengan bahasa Assembly. Dengan sebuah kamus berisi daftar perintah apa saja yang dapat dilakukan (didukung) oleh sebuah prosesor, dan biasanya terikat dengan sebuah keluarga arsitektur prosesor tertentu (misal x86, x64).

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).

Jenis – jenis instruksi

CISC (Complex Instruction set computer

CISC merupakan instruksi satuan dari komputer yang dapat mengeksekusi beberapa operasi level rendah (low level). Seperti pemuatan memori, operasi arithmetic, dan penjelajahan memori. Dan juga mampu memproses beberapa mode pengalamatan dan operasi multi step dengan satu instruksi. Sebagai contoh arsitektur set instruksi CISC adalah Sistem / 360 melalui z / Arsitektur, PDP-11, VAX, Motorola 68k, dan x86.

RISC (Reduced instruction set computing)

RISC adalah strategi perancangan CPU berdasarkan instruksi pengalamatan sebelumnya yang disederhanakan (sebagai penyederhanaan dari CISC) instruksi dapat memberikan kinerja yang lebih tinggi yang memungkinkan eksekusi yang lebih cepat dan lebih simple dari setiap instruksi. Keluarga RISC yang terkenal termasuk DEC Alpha, AMD 29k, ARC, ARM, Atmel AVR, Blackfin, Intel i860 dan i960, MIPS, Motorola 88000, PA-RISC, Power (termasuk PowerPC), SuperH, dan SPARC. Pada abad ke-21, penggunaan prosesor arsitektur ARM di ponsel pintar dan komputer tablet seperti tablet iPad dan Android menyediakan basis pengguna yang luas untuk sistem berbasis RISC.

Set Instruksi Spesifik

Meskipun termasuk dalam satu golongan  RISC atau CISC (dari segi jenis instruksinya), atau sama-sama dalam keluarga x86 (golongan arsitekturnya) tiap prosesor bisa memiliki set instruksi spesifik yang berbeda. Sebagai contoh, Intel Pentium dan AMD Athlon menerapkan versi set instruksi x86 yang hampir identik, namun memiliki desain internal yang berbeda secara relevan. Pada intel ada ekstensi instruksi MMX, SSE2, SSE3 dan seterusnya untuk menambah kemampuan multimedia.

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.

Semua instruksi deksekusi di dalam CPU, jadi Sebuah operasi hanya membutuhkan register sebagai tempat membaca / menyimpan operand sementara.Adakalanya juga operand disimpan di lokasi lain melalui register yang berisi alamat tempat penyimpanan tersebut (memory, cache, modul I/O)  cara memanggil ada di minggu depan pada mode pengalamatan

Representasi Instruksi

Pada bahasa mesin, setiap instruksi  berbentuk pola bit biner yang unik. Agar dapat dimengerti manusia, dibuatlah representasi simbolik instruksi, biasanya berupa singkatan (disebut mnemonic) misal ADD, SUB, LOADSedangkan alamat operand direpresentasikan sebagai berikut:

ADD A,B

Ada beberapa jenis representasi instruksi, yang dibedakan oleh jumlah alamatoperand yang dapat diterima oleh satu baris instruksi.

FORMAT DAN TEKNIK PENGALAMATAN SET INSTRUKSI

·         Immediate Addressing

- Pengalamatan yang paling sederhana.

- Operand benar-benar ada dalam instruksi atau bagian dari intsruksi

- Operand sama dengan field alamat

- Umumnya bilangan akan disimpan dalam bentuk complement dua

- Bit paling kiri sebagai bit tanda

- Ketika operand dimuatkan ke dalam register data, bit tanda digeser ke kiri hingga maksimum word data

Keuntungan :

- Tidak adanya referensi memori selain dari instruksi yang diperlukan untuk memperoleh operand

- Menghemat siklus instruksi sehingga proses keseluruhanakan akan cepat

Kekurangan :

- Ukuran bilangan dibatasi oleh ukuran field

Contoh :

- ADD 7 ; tambahkan 7 pada akumulator

·         Direct Addressing

- Teknik ini banyak digunakan pada komputer lama dan komputer kecil

- Hanya memerlukan sebuah referensi memori dan tidak memerlukan kalkulus khusus

Kelebihan :

- Field alamat berisi efektif address sebuah operand

Kekurangan :

- Keterbatasan field alamat karena panjang field alamat biasanya lebih kecil dibandingkan panjang word

Contoh :

- ADD A ; tambahkan isi pada lokasi alamat A ke akumulator

Indirect Addressing

- Merupakan mode pengalamatan tak langsung

- Field alamat mengacu pada alamat word di alamat memori, yang pada gilirannya akan berisi alamat operand yang panjang

Kelebihan :

- Ruang bagi alamat menjadi besar sehingga semakin banyak alamat yang dapat referensi

Kekurangan :

- Diperlukan referensi memori ganda dalam satu fetch sehingga memperlambat proses operasi

Contoh :

- ADD (A) ; tambahkan isi memori yang ditunjuk oleh isi alamat A ke akumulatorRegister Addressing

- Metode pengalamatan register mirip dengan mode pengalamatan langsung

- Perbedaanya 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 :

- Diperlukan field alamat berukuran kecil dalam instruksi dan tidak diperlukan referensi memori

- Akses ke register 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

- 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 ini mensyaratkan instruksi memiliki dua buah field alamat, sedikitnya sebuah field yang eksplisit

- Operand berada pada alamat A ditambahkan isi register

·         Tiga model displacement

- Relative addressing : 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

Base register addressing : 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

Indexing  : 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-pprogram iteratif

Contoh :

- Field eksplisit bernilai A dan field imlisit mengarah pada register

·         Stack Addressing

- Stack adalah array lokasi yang linier = pushdown list = last-in-firs-out

- Stack merupakan blok lokasi yang terbaik

- Btir ditambahkan ke puncak stack sehingga setiap 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.

Misal Instruksi dengan 2 Alamat Operand:

ADD A, B  A & B suatu alamat register

ADD                   A                           B

(dalam bentuk biner tentunya)

Contoh Simbolik Instruksi

ADD: Add (Jumlahkan)

SUB: Subtract (Kurangkan)

MPY/MUL: Multiply (Kalikan)

DIV: Divide (Bagi)

LOAD: Load data dari register/memory

STOR: Simpan data ke register/memory

MOVE: pindahkan data dari satu tempat ke tempat lain

SHR: shift kanan data  SHL: shift kiri data dan lain-lain

Cakupan Jenis Instruksi

Data processing: Aritmetik (ADD, SUB, dsb); Logic (AND, OR, NOT, SHR, dsb); konversi data

Data storage (memory): Transfer data

(STOR, LOAD, MOVE, dsb)

Data movement: Input dan Output ke modul I/O

Program flow control: JUMP, HALT, dsb.

Set Instruksi lengkap bisa dilihat di kitabnya William Stallings

Format Instruksi 3 Alamat

Bentuk umum: [OPCODE] [AH], [AO1], [AO2]

Satu alamat hasil, dua alamat operand

Misal: SUB Y, A, B

-           Bentuk algoritmik: Y  A – B

-           Arti: Kurangkan isi Reg A dengan isi Reg B, kemudian simpan hasilnya di Reg Y.  Mengoperasikan banyak register sekaligus

Program lebih pendek

AH: Alamat Hasil, AO1: Alamat Asal Operand 1, AO2: Alamat Asal Operand 2

Format Instruksi 2 Alamat

Bentuk umum: [OPCODE] [AH], [AO] 

Satu alamat hasil merangkap operand, satu alamat operand

Misal: SUB Y, B

-           Bentuk algoritmik: Y  Y – B

-           Arti: Kurangkan isi Reg Y dengan isi Reg B, kemudian simpan hasilnya di Reg Y.

Bentuk ini masih digunakan di komputer sekarang

Mengoperasikan lebih sedikit register, tapi panjang program tidak bertambah terlalu

banyak AH: Alamat Hasil, AO: Alamat Asal Operand

Format Instruksi 1 Alamat

Bentuk umum: [OPCODE] [AO] 

Satu alamat operand, hasil disimpan di accumulator

 Misal: SUB B

-           Bentuk algoritmik: AC  AC – B

-           Arti: Kurangkan isi Acc. dengan isi Reg B, kemudian simpan hasilnya di Acc.

Hanya mengoperasikan satu register, tapi program menjadi bertambah panjang

AO: Alamat Asal Operand

Format Instruksi 0 Alamat

Bentuk umum: [OPCODE] [O]

Semua alamat operand implisit, disimpan dalam bentuk stack. Operasi yang biasanya membutuhkan 2 operand, akan mengambil isi stack paling atas dan di bawahnya.

Misal: SUB

-           Bentuk algoritmik: S[top]  S[top-1] – S[top]

-           Arti: Kurangkan isi Stack no.2 dari atas dengan isi Stack paling atas,kemudian simpan hasilnya di Stack paling atas

Ada instruksi khusus Stack: PUSH dan POP yang dapat diberi alamat

Contoh Format Instr 3 Alamat

 A, B, C, D, E, T, Y adalah register

 Program: Y = (A – B) / ( C + D × E)

SUB    Y, A, B           Y  A – B

MPY   T, D, E T  D × E

ADD   T, T, C T  T + C

DIV     Y, Y, T            Y  Y / T

Memerlukan 4 operasi

Contoh Format Instr 2 Alamat

 A, B, C, D, E, T, Y adalah register

 Program: Y = (A – B) / ( C + D × E)

MOVE            Y, A    Y  A

SUB    Y, B    Y  Y - B

MOVE            T, D     T  D

MPY   T, E     T  T × E

ADD   T, C     T  T + C

DIV     Y, T     Y  Y / T

Memerlukan 6 operasi

Contoh Format Instr 1 Alamat

A, B, C, D, E, Y adalah register

Program: Y = (A – B) / ( C + D × E)

LOAD D         AC  D

MPY   E          AC  AC × E

ADD   C         AC  AC + C

STOR  Y         Y  AC

LOAD A         AC  A

SUB    B         AC  AC – B

DIV     Y         AC  AC / Y

STOR  Y         Y  AC

Memerlukan 8 operasi

Contoh Format Instr 0 Alamat

 A, B, C, D, E, Y adalah register

Program: Y = (A – B) / ( C + D × E)

            PUSH A          S[top]  A

            PUSH B          S[top]  B

            SUB    S[top]  A - B

            PUSH C          S[top]  C

            PUSH D          S[top]  D

            PUSH E          S[top]  E

            MPY   S[top]  D × E

            ADD   S[top]  C + S[top]

            DIV     S[top]  (A - B) / S[top]

            POP Y Out  S[top]

Memerlukan 10 operasi

Dari alamat – alamat diatas yang Perlu Diperhatikan adalah semakin banyak register yang diolah dalam satu instruksi  semakin lambat. Semakin banyak baris operasi untuk mengeksekusi sebuah program  juga semakin lambat. Komputer sekarang karena menggunakan CISC dan RISC, maka menggunakan format instruksi 3 atau 2 alamat.

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

Suatu instruksi terdiri dari beberapa field yang sesuai dengan elemen dalam instruksi tersebut. Layout dari suatu instruksi sering disebut sebagai Format Instruksi (Instruction Format).

referensi:
https://www.google.co.id/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=11&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwit2ImIhOvWAhVGoJQKHSTDDfs4ChAWCCUwAA&url=http%3A%2F%2Ftopan_sukma.staff.gunadarma.ac.id%2FDownloads%2Ffiles%2F40883%2FPresentasi%2BKelompok%2B2.pptx&usg=AOvVaw3LnOdZo7BnhdQkTznjSSjO
lecturer.ukdw.ac.id/mahas/dossier/arkom_08.pdf
topan_sukma.staff.gunadarma.ac.id/Downloads/files/.../Presentasi+Kelompok+2.pptx

https://www.google.co.id/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=15&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwit2ImIhOvWAhVGoJQKHSTDDfs4ChAWCD8wBA&url=http%3A%2F%2Flecturer.ukdw.ac.id%2Fmahas%2Fdossier%2Farkom_08.pdf&usg=AOvVaw1jv8YYAyWOc7XbUbTL32lm