Arsitektur Set Instruksi

A.   Pengertian set instruksi

                                                         Tugas Softskill 3
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).

Set instruksi (instruction set) biasa disebut juga sebagai sekumpulan lengkap instruksi yang dapat dimengerti oleh sebuah CPU dengan sebuah kamus berisi daftar perintah apa saja yang dapat dilakukan (didukung) oleh sebuah prosesor, dan biasanya terikat dengan sebuah keluarga arsitektur prosesor tertentu.

ISA merupakan sebuah spesifikasi dari Pullman 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.

ISA kadang-kadang digunakan untuk membedakan kumpulan karakteristik yang disebut di atas dengan mikroarsitektur prosesor, yang merupakan kumpulan teknik desain prosesor untuk mengimplementasikan set instruksi (mencakup microcode, pipeline, sistem cache, manajemen daya, dan lainnya). Komputer-komputer dengan mikroarsitektur berbeda dapat saling berbagi set instruksi yang sama. Sebagai contoh, prosesor Intel Pentium dan prosesor AMD Athlon mengimplementasikan versi yang hampir identik dari set instruksi Intel x86, tetapi jika ditinjau dari desain internalnya, perbedaannya sangat radikal. Konsep ini dapat diperluas untuk ISA-ISA yang unik seperti TIMI yang terdapat dalam IBM System/38 dan IBM IAS/400. TIMI merupakan sebuah ISA yang diimplementasikan sebagai perangkat lunak level rendah yang berfungsi sebagai mesin virtual. TIMI didesain untuk meningkatkan masa hidup sebuah platform dan aplikasi yang ditulis untuknya, sehingga mengizinkan platform tersebut agar dapat dipindahkan ke perangkat keras yang sama sekali berbeda tanpa harus memodifikasi perangkat lunak (kecuali yang berkaitan dengan TIMI). Hal ini membuat IBM dapat memindahkan platform AS/400 dari arsitektur mikroprosesor CISC ke arsitektur mikroprosesor POWER tanpa harus menulis ulang bagian-bagian dari dalam sistem operasi atau perangkat lunak yang diasosiasikan dengannya.

B.   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).

C.   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.

      Source dan result operands dapat berupa salah satu diantara tiga jenis berikut ini:

›  Main or Virtual Memory

›  CPU Register

›  I/O Device

D.   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

v  Format 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).

v  Jenis-Jenis Operand

·         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 )

v  Jenis-Jenis Instruksi

1. Pengolahan Data

Instruksi untuk aritmetika dan logika. Instruksi Aritmetika memiliki kemampuan untuk mengolah data numeric. Instruksi Logika beroperasi pada bit-bit word sebagai bit bukan sebagai bilangan.

2. Penyimpanan Data

Instruksi untuk Memori. Instruksi memori diperlukan untuk memindahkan data yang terdapat pada memori dan register.

3. Perpindahan Data

Instruksi untuk I/O. Instruksi I/O diperlukan untuk memindahkan program dan data ke dalam memori dan mengembalikan hasil komputansi kepada pengguna.

4. Kontrol

Instruksi untuk pemeriksaan dan percabangan. Instruksi kontrol digunakan untuk memeriksa nilai data dannmencambangkan ke set industri lain.

E.   Jenis Addressing Mode (Teknik Pengalamatan)

Yang termasuk Teknik pengalamatan yaitu : Immediate, Direct, Indirect, Register, Register Indirect, Displacement, Stack

Ø  Immediate Addressing

o   Pengalamatan yang paling sederhana.

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

o   Operand sama dengan field alamat

o   Umumnya bilangan akan disimpan dalam bentuk complement dua

o   Bit paling kiri sebagai bit tanda

o   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

Ø  Direct Addressing

o   Teknik ini banyak digunakan pada komputer lama dan komputer kecil

o   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

Ø  Indirect Addressing

o   Merupakan mode pengalamatan tak langsung

o   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 akumulator

Ø  Register Addressing

o     Metode pengalamatan register mirip dengan mode pengalamatan langsung

o     Perbedaanya terletak pada field alamat yang mengacu pada register, bukan pada memori utama

o     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

Ø  Register Indirect Addressing

Metode pengalamatan register tidak langsung mirip dengan mode pengalamatan tidak langsung

o   Perbedaannya adalah field alamat mengacu pada alamat register

o   Letak operand berada pada memori yang dituju oleh isi register

o   Keuntungan dan keterbatasan pengalamatan register tidak langsung pada dasarnya sama dengan pengalamatan tidak langsung

o   Keterbatasan field alamat diatasi dengan pengaksesan memori yang tidak langsung sehingga alamat yang dapat direferensi makin banyak

o   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

Ø  Displacement Addressing

o   Menggabungkan kemampuan pengalamatan langsung dan pengalamatan register tidak langsung

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

o   Operand berada pada alamat A ditambahkan isi register

Tiga model displacement

o   Relative addressing : register yang direferensi secara implisit adalah Program Counter (PC)

o   Alamat efektif didapatkan dari alamat instruksi saat itu ditambahkan ke field alamat

o   Memanfaatkan konsep lokalitas memori untuk menyediakan operand-operand berikutnya

o   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

o   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

Ø  Stack Addressing

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

o   Stack merupakan blok lokasi yang terbaik

o   Btir ditambahkan ke puncak stack sehingga setiap blok akan terisi secara parsial

o   Yang berkaitan dengan stack adalah pointer yang nilainya merupakan alamat bagian paling atas stack

o   Dua elemen teratas stack dapat berada di dalam register CPU, yang dalam hal ini stack pointer mereferensi ke elemen ketiga stack

o   Stack pointer tetap berada dalam register

o   Dengan demikian, referensi-referensi ke lokasi stack di dalam memori pada dasarnya merupakan pengalamatan register tidak langsung.

Referensi :

1.    https://en.wikipedia.org/wiki/Instruction_set

2.    https://en.wikipedia.org/wiki/Complex_instruction_set_computing

3.  https://docs.google.com/document/d/1shUV_xUF89iHyomHPD_VDNaaJr6jbqCJDw4aY2mKQU/edit?usp=sharing

4.  https://rosdianasetiawan.blogspot.co.id/2013/02/set-instruksi-teknik-pengalamatan.html