Arsitektur dan Set Instruksi

Arsitektur dan 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.

A.    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).

B.     Elemen Elemen 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 instruksi berikutnya setelah instruksi yang dijalankan selesai.

C.    Jenis Jenis Instruksi

§  Data Processing / Pengolahan Data : instruksi-instruksi aritmetika dan logika. Instruksi aritmetika memiliki kemampuan untuk mengolahdata numeric, sedangkan instruksi logika beroperasi pada bit-bit word sebagai bit bukan sebagai bilangan. Operasi-operasi tersebut dilakukan terutama untuk data di register CPU.

§  Data Storage / Penyimpanan Data : instruksi-instruksi memori. Instruksi-instruksi memori diperlukan untuk memindah data yang terdapat di memori dan register.

§  Data Movement / Perpindahan Data : instruksi I/O. Instruksi-instruksi I/O diperlukan untuk memindahkan program dan data ke dalam memori dan mengembalikan hasil komputansi kepada pengguna.

§  Control / Kontrol : instruksi pemeriksaan dan percabangan. Instruksi-instruksi kontrol digunakan untuk memeriksa nilai data, status komputansi dan mencabangkan ke set instruksi lain.

D.    Teknik Pengalamatan

1. Immediate Addressing (Pengalamatan Segera)

§  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

2. Direct Addressing (Pengalamatan Langsung)

§  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

3. Indirect Addressing (Pengalamatan tak langsung)
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 akumulator

4. Register addressing (Pengalamatan Register)

§  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 cepatKerugian :

Ruang alamat menjadi terbatas

5. Register indirect addressing (Pengalamatan tak-langsung 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

6. 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

7. 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

E.     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

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 :

 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

2.      Aritmatika dan Logika

 a) Tindakan CPU untuk melakukan operasi Aritmatika Dan Logika :

ü  Transfer data sebelum atau sesudah.

ü  Melakukan fungsi dalam ALU.

ü  Menset kode-kode kondisi dan flag.

  b) Operasi set instruksi untuk Aritmatika :

ü  ADD : penjumlahan

ü  SUBTRACT : pengurangan

ü  MULTIPLY : perkalian

ü  DIVIDE : pembagian

   c) Operasi set instruksi untuk operasi Logika :

ü  AND, OR, NOT, EXOR

ü  COMPARE : melakukan perbandingan logika

ü  TEST : menguji kondisi tertentu

ü  SHIFT : operand menggeser ke kiri atau kanan menyebabkan konstanta pada ujung bit

ü  ROTATE : operand menggeser ke kiri atau ke kanan dengan ujung yang terjalin

3.      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 :

ü  TRANSLATE : menterjemahkan nilai-nilai dalam suatu bagian memori berdasrkan tabel korespodensi.

ü  CONVERT : mengkonversi isi suatu word dari suatu bentuk ke bentuk lainnya.

4.      Input / Ouput

           a) Tindakan CPU untuk melakukan INPUT /OUTPUT :

ü  Apabila memory mapped I/O maka menentukan alamat memory mapped.

ü  Mengawali perintah ke modul I/O

ü  b) Operasi set instruksi Input / Ouput :

ü  INPUT : memindahkan data dari pernagkat I/O tertentu ke tujuan.

ü  OUTPUT : memindahkan data dari sumber tertentu ke perangkat I/O.

ü  START I/O : memindahkan instruksi ke prosesor I/O untuk mengawali operasi I/O.

ü  TEST I/O : memindahkan informasi dari sistem I/O ke tujuan TRANSFER CONTROL.

5.      Transfer Control

           a) Tindakan CPU untuk transfer control :

ü  Mengupdate program counter untuk subrutin , call / return.

           b) Operasi set instruksi untuk transfer control :

ü  JUMP (cabang) : pemindahan tidak bersyarat dan memuat PC dengan alamat tertentu.

ü  JUMP BERSYARAT : menguji persyaratan tertentu dan memuat PC dengan alamat tertentu atau tidak melakukan apa tergantung dari persyaratan.

ü  JUMP SUBRUTIN : melompat ke alamat tertentu.

ü  RETURN : mengganti isi PC dan register lainnya yang berasal dari lokasi tertentu.

ü  EXECUTE : mengambil operand dari lokasi tertentu dan mengeksekusi sebagai instruksi.

ü  SKIP : menambah PC sehingga melompati instruksi berikutnya.

ü  SKIP BERSYARAT : melompat atau tidak melakukan apa-apa berdasarkan pada persyaratan.

ü  HALT : menghentikan eksekusi program.

ü  WAIT (HOLD) : melanjutkan eksekusi pada saat persyaratan dipenuhi.

ü  NO OPERATION : tidak ada operasi yang dilakukan.

6.      Control System 

ü  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.

ü  Contoh : membaca atau mengubah register kontrol.

daftar pustaka :
https://mfahrulrozi14.wordpress.com/2017/11/06/arsitektur-set-instruksi-dan-teknik-pengalamatan/
https://mazzeko.wordpress.com/2014/11/29/arsitektur-dan-desain-set-instruksi/

http://siezwoyouye.blogspot.com/2012/10/arsitektur-set-instruksi.html

http://jovanangga.blogspot.com/2012/11/set-instruksi-dan-teknik-pengalamatan.html