arsitektur komputer

ARSITEKTUR REDUCED INSTRUCTION

SET COMPUTERS (RISC)

1. ARSITEKTUR REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTERS (RISC)

Perkembangan inovasi komputer sejak 1960 menambah satu daftar penemuan yang sangat menarik dan paling penting , yaitu Arsitektur Reduced Instruction Set computers ( RISC). Walaupun sistem RISC telah ditentukan dan

dirancang dengan berbagai cara berdasarkan komunitasnya, elemen penting yang

digunakan sebagian rancangan umumnya adalah sebagai berikut :

1. Set instruksi yang terbatas dan sederhana

2. Register general purpose berjumlah banyak atau penggunaaan teknologi kompiler untuk mengoptimalklan penggunaan register.

3. Penekanan pada pengoptimalan pipeline instruksi.

1. 1. Karakteristik-Karakteristik Eksekusi Instruksi

Salah satu evolusi komputer yang besar adalah evolusi bahasa

pemprograman. Bahasa pemprograman memungkinkanprogrammer dapat

mengekspresikan algoritma lebih singkat, lebih memperhatikanrincian, dan mendukung penggunaan pemprograman terstruktur,tetapi ternyata muncul

masalah lain yaitu semantic gap, yaitu perbedaan antara operasi-operasi yang

disediakan oleh HLL dengan yang disediakan oleh arsitekturkomputer, iniditandai dengan ketidakefisienan eksekusi, program mesin yang berukuran besar, dan kompleksitas kompiler. Untuk mengurangi kesenjangan ini para perancang menjawabnya denganarsitektur. Fitur-fiturnya meliputi set-set instruksi yang banyak,lusinan mode pengalamatan, dan statemen –statemen HLL yang diimplementasikan pada perangkat keras. Set-set instruksi yangkompleks tersebut dimaksudkan untuk :

1. Memudahkan pekerjaan kompiler

2. Meningkatkan efisiensi eksekusi, karena operasi yangkompleks dapat diimplementasikan didalam mikrokode.

3. Memberikan dukungan bagi HLL yang lebih kompleks dan canggih.

Oleh karena itu untuk memahami RISC perlu memperhatikan

karakteristik eksekusi instruksi. Adapun aspek-aspek komputasinya adalah :

1. Operasi-operasi yang dilakukan ,.

2. Operand-operand yang digunakan,

3. Pengurutan eksekusi,.

1. Operasi

Beberapa penelitian telah menganalisis tingkah laku program HLL (High

Level Language). Assignment Statement sangat menonjol yangmenyatakan

bahwa perpindahan sederhana merupakan satu hal yang penting. Hasil penelitian

ini merupakan hal yang penting bagi perancang set instruksi mesinyang

mengindikasikan jenis instruksi mana yang sering terjadi karena harus didukung

optimal.

2. Operand

Penelitian Paterson telah memperhatikan [PATT82a] frekuensidinamik

terjadinya kelas-kelas variabel. Hasil yang konsisten diantara program pascal dan

C menunjukkan mayoritas referensi menunjuk ke variable scalar.Penelitian ini

telah menguji tingkah laku dinamik program HLL yang tidak tergantung pada

arsitektur tertentu. Penelitian [LUND77] menguji instruksi DEC-10 dan secara

dinamik menemukan setiap instruksi rata-rata mereferensi 0,5 operand dalam memori dan rata-rata mereferensi 1,4 register.Tentu saja angka ini tergantung pada arsitektur dan kompilernamun sudah cukup menjelaskan frekuensi pengaksesan operand sehingga menyatakan pentingnya sebuah arsitektur.

3. Procedure Calls

Dalam HLL procedure call dan return merupakan aspek penting karena

merupakan operasi yang membutuhkan banyak waktu dalamprogram yang dikompalasi sehingga banyak berguna untuk memperhatikan cara implementasi opperasi ini secara efisien.Adapun aspeknya yang penting adalah jumlah parameter danvariabel yang berkaitan dengan prosedur dan kedalaman pensarangan (nesting).

4. Implikasi

Secara umum penelitian menyatakan terdapat tiga buah elemenyang

menentukan karakter arsitektur RISC :

1. Penggunaan register dalam jumlah besar yang ditunjukan untuk

mengotimalkan pereferensian operand.

2. Diperlukan perhatian bagi perancangan pipelaine instruksi karena tingginya proporsi instruksi pencabangan bersyarat dan procedure call, pipeline instruksi yang bersifat langsung dan ringkas menjadi tidak efisien

3. Terdapat set instruksi yang disederhanakan

1. 2. Karakteristik Arsitektur Reduced Instruction Set Computers (RISC)

Arsitektur RISC memiliki beberapa karakteristik diantaranya :

1. Siklus mesin ditentukan oleh waktu yang digunakan untuk mengambildua

buah operand dari register, melakukan operasi ALU, dan menyimpan hasil

operasinya kedalam register, dengan demikian instruksi mesin RISC tidak

boleh lebih kompleks dan harus dapat mengeksekusi secepatmikroinstruksi

pada mesin-mesin CISC. Dengan menggunakan instruksi sederhana atau

instruksi satu siklus hanya dibutuhkan satu mikrokode atau tidak sama sekali,

instruksi mesin dapat dihardwired. Instruksi seperti itu akan dieksekusi lebih

cepat dibanding yang sejenis pada yang lain karena tidak perlu mengakses

penyimapanan kontrol mikroprogram saat eksekusi instruksi berlangsung.

2. Operasi berbentuk dari register-ke register yang hanya terdiri darioperasi

load dan store yang mengakses memori . Fitur rancangan ini

menyederhanakan set instruksi sehingga menyederhanakan pula unit control.

Keuntungan lainnya memungkinkan optimasi pemakaian register sehingga

operand yang sering diakses akan tetap ada di penyimpanberkecepatantinggi. Penekanan pada operasi register ke register merupakan hal yang unik

bagi perancangan RISC.

3. Penggunaan mode pengalamatan sederhana, hampir sama dengan instruksi

menggunakan pengalamatan register,. Beberapa mode tambahan seperti

pergeseran dan pe-relatif dapat dimasukkan selain itu banyak mode

kompleks dapat disintesis pada perangkat lunak dibanding yang sederhana,

selain dapat menyederhanakan sel instruksi dan unit kontrol.

4. penggunaan format-format instruksi sederhana, panjang instruksinyatetap

dan disesuaikan dengan panjang word. Fitur ini memiliki beberapa kelebihan

karena dengan menggunakan field yang tetap pendekodean opcode dan

pengaksesan operand register dapat dilakukan secara bersama-sama

2. Ciri-Ciri RISC

1. Instruksi berukuran tunggal

2. Ukuran yang umum adalah 4 byte

3. Jumlah pengalamatan data sedikit, biasanya kurang dari 5 buah.

4. Tidak terdapat pengalamatan tak langsung yang mengharuskan

melakukan sebuah akses memori agar memperoleh alamat operand

lainnya dalam memori

5. Tidak terdapat operasi yang menggabungkan operasi load/store dengan

operasi aritmatika, seperti penambahan ke memori dan penambahan dari

memori.

6. Tidak terdapat lebih dari satu operand beralamat memori per instruksi 7. Tidak mendukung perataan sembarang bagi data untuk operasi load/ store

8. Jumlah maksimum pemakaian memori manajemen bagi suatu alamat data

adalah sebuah instruksi .

9. Jumlah bit bagi integer register spesifier sama dengan 5 atau lebih,

artinya sedikitnya 32 buah register integer dapat direferensikan sekaligus

secara eksplisit.

10. Jumlah bit floating point register spesifier sama dengan 4 atau lebih,

artinya sedikitnya 16 register floating point dapat direferensikan

sekaligus secara eksplisit.

Beberapa prosesor implementasi dari arsiteketur RISC adalah AMD

29000, MIPS R2000, SPARC, MC 88000, HP PA, IBM RT/TC, IBM RS/6000,

intel i860, Motorola 88000 (keluarga Motorola), PowerPC G5.

2. PROSESSOR YANG MENGGUNAKAN SISTEM RISC

2.1. PowerPC dibangun dengan arsitektur RISC

Proyek mini komputer 801 di IBM pada tahun 1975 mengawali banyak

konsep arsitektur yang digunakan dalam sistem RISC. 801 bersamadengan

prosessor RISC I Berkeley, meluncurkan gerakan RISC, namun 801hanya

merupakan prototipe yang ditujukan untuk mengenalkan konsep disain.

Keberhasilan memperkenalkan 801 menyebabkan IBM membangunproduk

workstation RISC komersial yaitu PC RT pada tahun 1986, dengan

mengadaptasi konsep arsitektural 801 kedalam kinerja yang sebanding atau yanglebih baik. IBM RISC System/6000 merupakan mesin RISC superscalar1[3]

yang

dipasarkan sebagai workstation berunjuk kerja tinggi, tidak lama kemudian IBM

mengkaitkan mesin ini sebagai arsitektur POWER.

IBM kemudian menjalin kerjasama dengan Motorola, pembuat

mikroprosessor seri 6800, dan Apple, yang menggunakan kepingMotorola

dalam komputer Macintoshnya dan hasilnya adalah seri mesin yang

mengimplementasikan arsitektur PowerPC yang diturunkan dari arsitektur

POWER dan merupakan sistem RISC superscalar. Sejauh inidiperkenalkan

empat anggota kelompok PowerPC yaitu

1. 601,merupakan mesin 32-bit yang ditujukan untuk membawa arsitektur

PowerPC kepasar secepat mungkin.

2. 603, merupakan mesin 32-bit yang ditujukan bagi low-end desktopdan

komputer portable dengan implementasi yang lebih efesien.

3. 604, merupakan mesin 32-bit yang ditujukan bagi low-end server dan desktop,

dengan menggunakan teknik rancangan superscalar lanjutan guna

mendapatkan kinerja yang lebih baik.

4. 620, ditujukan bagi high-end server, sekaligus merupakan kelompok PowerPC

pertama yang mengimplementasikan arsitektur 64 bit penuh, termasuk

regiater 64-bit dan lintasan data.

2.2. Karakteristik dan Fungsi

1. Jenis-Jenis Data

1PowerPC dapat beroperasi menggunakan data yang panjang 8 bit (byte), 16

bit (halfword), 32 bit (word), dan 64 bit (doubleword). Beberapainstruksi

mengharuskan agar operand memori dijajarkan (aligned) pada batas 32-bit,

walaupun secara umum tidak terlalu diperlukan. Salah satu ciri PowerPC yang

menarik adalah dapat menggunakan cara little-endian maupun big-endian2[6]

,

dengan kata lain, byte yang paling kurang signifikan disimpan dalam alamat

terendah atau tertinggi. Konsep ke-endianan pertama kali dibahas dalam literatur

Cohen [COHE8]. Pada byte ke-endian-an harus melakukan pengurutan nilai-nilai

skalar multibyte. Konsep ini terjadi apabila terdapat kebutuhan untuk

memperlakukan entitas multiple-byte sebagai butir data tunggal, walaupun

entitas ini terdiri dari unit-unit yang dapat dialamati yang lebih kecil.Beberapa

mesin seperti intel 80x86, pentium, dan VAX, merupakan mesin-mesinlitlle

endian, sedangkan mesin-mesin seperti IBM S/370, Motorola 680x0, dan

sebagian besar mesin-mesin RISC merupakn mesin-mesin big-endian.Sifat ke-

endian-an tidak akan melampaui unit data. Dalam sembarang mesin,aggregate

seperti file, struktur data, dan array terdiri dari beberapa unit data, yang masing-

masing memakai ke-endian-an. Jadi konversi blok memori dari suatu jenis ke-

endian-an kejenis lainnya memerlukan pemahaman struktur data.

Tidak terdapat konsensus umum tentang ke-endianan yang terbaik3[7]

,

PowerPC sendiri adalah jenis prosesor yang bi-endian, yang mendukung baik

mode big-endian maupun litlle-endian. Arsitektur bi-endian memungkinkan

2

3pembuat perangkat lunak untuk memilih mode yang mana saja ketikaharus

memindahkan sistem operasi dan aplikasi dari suatu mesin ke mesin lainnya.

Byte, halfword, word, doubleword merupakan jenis data umum. Prosesor

mengiterpretasikan isi item data tertentu tergantung pada instruksi.Prosesor

fixed point mengenal jenis data berikut :

Unsigned Byte : dapat digunakan bagi operasi logika atau aritmetikainteger.

Data ini dimuat dari memori ke register umum dengan zero-extending dsebelah

kiri keukuran penuh register.

• Unsigned Halfword : seperti diatas namun dengan kuantitas 16-bit.

• Signed Halfword : digunakan untuk operasi aritmatika, dimuatkankedalam

memori dengan sign-extending pada sebelah kiri keukuran penuh register

(yaitu, bit tanda disalinkan keposisi-posisi yang kosong).

• Unsigned Word : digunakan untuk operasi logika dan berfungsi sebagai pointer

lokal.

• Signed Word : digunakan untuk operasi aritmatika.

• Unsigned Doubleword : digunakan sebagai pointer alamat.

• Byte String : panjangnya mulai 0 hingga 128 byte.

Selain itu PowerPC mendukung data floating poing presisi tunggal dan presisi

ganda yang ditetapkan pada IEEE 754.

2. Jenis Jenis OperasiPowerPC banyak memiliki jenis operasi , berikutdisajikan berbagai jenis

operasi pada PowerPC :

Instruksi Uraian

Berorientasi Pencabangan

b Pencabangan tidak bersyarat

bl Bercabang kealamat sasaran dan menaruh alamat efektif

instruksi yang berada setelah pencabangan kedalam link register

bc Pencabangan bersyarat pada Count Register dan/atau pada

bit dalkam Condition Register.

sc System Call untuk membangkitkan layanan sistem operasi

trap Memebandingkan dua buah operand dan membangkitkan system

trap handler bila persyaratan tertentu dipenuhi.

Load/Store

lwzu Memuatkan word dan nol kesebelah kiri; mengupdate register

sumber.

ld Memuatkan dobleword.

lmw Memuatkan word ganda; memuatkan word berurutan ke regiater

yang berdekatan dari register sasaran melalui General Purpose

Register 31.

lswx memuatkan suatu untaian byte kedalam register yang dimulai

dengan register sasaran; empat byte per-register; diambil semua

dari register 31 hingga register 0.

Arimatika Integer

add Menjumlahkan isi dari dua buah integer dan menyimpannya

dalam register ketiga

subf Mengurangkan isi dua buah register dan menyimpannya dalam

register ketiga.

mullw Mengalikan isi dua buah register orde rendah 32-bit dan

menyimpan hasil perkaliannya dalam register 64-bit ketiga.

divd Membagi isi dua buah register 64-bit dan menyimpan kuosiennya

dalam register ketiga.

Logika dan Sift

cmp Membandingkan dua buah operand dan menyetel empat buah bit

kondisi dalam field register kondisi tertentu.

crand Condition Register AND : dua bit Condition Register di-AND-kan

dan hasilnya disimpan dalam salah satu dari kedua posisi tersebut.

and Meng-AND-kan isi dua buah register dan menyimpannya dalam

register ketigacntlzd Mencacah jumlah bit 0 berturutan yang berawal padabit nol

dalam register sumber dan menempatkan hasil perhitungan dalam

regiater tujuan.

rldic Merotasikan ke kiri register doubleword, meng-AND-kannya

dengan mask, dan menyimpannya dalam register tujuan.

sld Menggeser kekiri dalam register sumber dan menyimpannya

dalam register tujuan

Floating Point

lfs Memuatkan bilangan floating point 32-bit dari memori,

mengubahnya kedalam format 64 bit, dan menyimpannya dalam

register floating point.

fadd Menjumlahkan dua buah register floating point dan

menyimpannya dalam register ketiga.

fmadd Mengalikan isi dua buah register, menambahkan isi regiater

ketiga, dan menyimpan hasilnya dalam regiater keempat.

fcmpu Membandingkan dua buah operand floating point dan menyetel

bit-bit kondisi.

Manajemen Cache

dcbf Membersihkan (flush) blok data cache; melakukan lookup dalam

cache yang terdapat pada alamat sasaran tertentu dan melakukan

operasi pembersihan.

icbi Menginvalidasikan instruksi blok cache

2.1. Instruksi-Instruksi berorientasi Pencabangan

PowerPC memiliki orientasi pencabangan tidak bersyarat dan

pencabangan bersyarat. Instruksi-instruksi pencabangan bersyarat menguji suatu

bit tunggal dari register kondisi apakah benar, salah, atau tidak peduli dan isi dari

counter register apakah nol, bukan nol, atau tidak peduli. Dengandemikian

terdapat sembilan macam kondisi instruksi pencabangan bersyarat yang terpisah.

Apabila counter register diuji apakah nol atau bukan nol, maka sesudah

pengujian register berkurang 1. Hal ini tentunya memudahkan penyiapanloop

iterasi. Instruksi dapat juga mengindikasikan bahwa alamat dari pencabangan itu

ditempatkan dalam link register, hal ini memungkinkan pengolahan call/return.

2.2. Instruksi-instruksi Load/StoreDalam arsitektur PowerPC hanyainstruksi load/store yang dapat

mengakses lokasi memori, instruksi logika dan aritmetika hanya dilakukan

terhadap register. Terdapat dua fitur yang membedakan instruksi-instruksi

load/store :

1. Ukuran data, dimana data dapat dipindahkan dalam satu byte, halfword, word,

atau doubleword. Instruksi-instruksi juga dapat digunakan untuk memuat atau

menyimpan suatu untai byte ke dalam sejumlah register atau dari sejumlah

register

2. Ekstensi Tanda, dimana pada pembuatan word dan halfword, bit-bit

sebelah kiri register 64-bit tujuan yag tidak dipakai dapat diisi dengan

bilangan-bilangan nol atau dengan bit tanda dari kuantitas yang

dimuatkan.

KELEBIHAN DAN KEKURANGAN TEKNOLOGI RISC

Teknologi RISC relatif masih baru oleh karena itu tidak ada perdebatan

dalam menggunakan RISC ataupun CISC, karena tekhnologi terus berkembang

dan arsitektur berada dalam sebuah spektrum, bukannya berada dalamdua

kategori yang jelas maka penilaian yang tegas akan sangat kecilkemungkinan

untuk terjadi.

1. Kelebihan1. Berkaitan dengan penyederhanaan kompiler, dimana tugaspembuat

kompiler untuk menghasilkan rangkaian instruksi mesin bagi semua

pernyataan HLL. Instruksi mesin yang kompleks seringkali sulit digunakan

karena kompiler harus menemukan kasus-kasus yang sesuai dengan

konsepnya. Pekerjaan mengoptimalkan kode yang dihasilkan untuk

meminimalkan ukuran kode, mengurangi hitungan eksekusi instruksi, dan

meningkatkan pipelining jauh lebih mudah apabila menggunakan RISC

dibanding menggunakan CISC.

2. Arsitektur RISC yang mendasari PowerPC memiliki kecenderungan lebih

menekankan pada referensi register dibanding referensi memori, dan

referensi register memerlukan bit yang lebih sedikit sehingga memiliki

akses eksekusi instruksi lebih cepat.

3. Kecenderungan operasi register ke register akan lebih menyederhanakan

set instruksi dan menyederhanakan unit kontrol serta pengoptimasian

register akan menyebabkan operand-operand yang sering diakses akan

tetap berada dipenyimpan berkecepatan tinggi.

4. Penggunaan mode pengalamatan dan format instruksi yang lebih

sederhana.

2. Kekurangan

1. Program yang dihasilkan dalam bahasa simbolik akan lebih panjang

(instruksinya lebih banyak).2. Program berukuran lebih besar sehingga membutuhkan memori yang lebih

banyak, ini tentunya kurang menghemat sumber daya.

3. Program yang berukuran lebih besar akan menyebabkan

b. Menurunnya kinerja, yaitu instruksi yang lebih banyak artinya akan

lebih banyak byte-byte instruksi yang harus diambil.

c. Pada lingkungan paging akan menyebabkan kemungkinan terjadinya

page fault lebih besar.

KESIMPULAN

1. Arsitektur PowerPC merupakan pengembangan IBM 801, RT PC,dan

RS/600 (dikenal juga dengan implementasi arsitektur POWER).2.Implementasi pertama arsitektur power PC yaitu 601 memiliki rancangan

yang sangat mirip dengan rancangan RS 6000, model PowerPC berikutnya

mempunyai konsep superscalar.

3. Kelebihan arsitektur RISC yang berkaitan dengan kinerja dapatditunjukan

dengan sejumlah “Sircumstansial Evidence”.

a. Optimasi kompiler yang lebih efektif dan dapat dikembangkan

b. Sebagian besar instruksi yang dihasilkan oleh kompiler relatif sederhana.

c. Berkaitan dengan penggunaan pipelining instruksi yang diterapkan

secara lebih efektif terhadap RISC.

d. Program-program RISC harus lebih responsife terhadap interrupt.

Berkaitan dengan implementasi VLSI

d. Apabila digunakan rancangan dan implementasi CPU akan berubah,

artinya dimungkinkan untuk menaruh CPU keseluruhan pada keping

tunggal.

e. Waktu yang dibutuhkan untuk implementasi dan perancangan karena

prosessor VLSI cukup sulit dibuat sehingga

 para perancang harus

membuat rancangan rangkaian, tata letak dan pemodelan pada tingkat

perangkat, dengan menggunakan pemodelan RISC proses tersebut akan

lebih mudah selain apabila kinerja keping RISC ekuivalen dengan

mikroprosessor CISC (Pentium) yang setara maka keuntungan dengan

memakai pendekatan RISC akan terasa sekali.