CPU

Komponen CPU

Unit Pemroses Sentral (UPS) (bahasa Inggris: Central Processing Unit; CPU), merujuk kepada perangkat keras komputer yang memahami dan melaksanakan perintah dan data dari perangkat lunak. Istilah lain, pemroses/prosesor (processor), sering digunakan untuk menyebut CPU. Adapun mikroprosesor adalah CPU yang diproduksi dalam sirkuit terpadu, seringkali dalam sebuah paket sirkuit terpadu-tunggal. Sejak pertengahan tahun 1970-an, mikroprosesor sirkuit terpadu-tunggal ini telah umum digunakan dan menjadi aspek penting dalam penerapan CPU.

 Diagram blok sederhana sebuah CPU.

Komponen CPU terbagi menjadi beberapa macam, yaitu sebagai berikut.

• Unit kontrol yang mampu mengatur jalannya program. Komponen ini sudah pasti terdapat dalam semua CPU. CPU bertugas mengontrol komputer sehingga terjadi sinkronisasi kerja antarkomponen dalam menjalankan fungsi-fungsi operasinya. termasuk dalam tanggung jawab unit kontrol adalah mengambil intruksi-intruksi dari memori utama dan menentukan jenis instruksi tersebut. Bila ada instruksi untuk perhitungan aritmatika atau perbandingan logika, maka unit kendali akan mengirim instruksi tersebut ke ALU. Hasil dari pengolahan data dibawa oleh unit kendali ke memori utama lagi untuk disimpan, dan pada saatnya akan disajikan ke alat output. Dengan demikian tugas dari unit kendali ini adalah:
• Mengatur dan mengendalikan alat-alat masukan (input) dan keluaran (output).
• Mengambil instruksi-instruksi dari memori utama.
• Mengambil data dari memori utama (jika diperlukan) untuk diproses.
• Mengirim instruksi ke ALU bila ada perhitungan aritmatika atau perbandingan logika serta mengawasi kerja dari ALU.
• Menyimpan hasil proses ke memori utama.

• Register merupakan alat penyimpanan kecil yang mempunyai kecepatan akses cukup tinggi, yang digunakan untuk menyimpan data dan/atau instruksi yang sedang diproses. Memori ini bersifat sementara, biasanya digunakan untuk menyimpan data saat di olah ataupun data untuk pengolahan selanjutnya. Secara analogi, register ini dapat diibaratkan sebagai ingatan di otak bila kita melakukan pengolahan data secara manual, sehingga otak dapat diibaratkan sebagai CPU, yang berisi ingatan-ingatan, satuan kendali yang mengatur seluruh kegiatan tubuh dan mempunyai tempat untuk melakukan perhitungan dan perbandingan logika.
• ALU 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 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 (¹ ), kurang dari (<), kurang atau sama dengan (£ ), lebih besar dari (>), dan lebih besar atau sama dengan (³ ).

• CPU Interconnections adalah sistem koneksi dan bus yang menghubungkan komponen internal CPU, yaitu ALU, unit kontrol dan register-register dan juga dengan bus-bus eksternal CPU yang menghubungkan dengan sistem lainnya, seperti memori utama, piranti masukan /keluaran.

Cara Kerja CPU

Saat data dan/atau instruksi dimasukkan ke processing-devices, pertama sekali diletakkan di MAA (melalui Input-storage); apabila berbentuk instruksi ditampung oleh Control Unit di Program-storage, namun apabila berbentuk data ditampung di Working-storage). Jika register siap untuk menerima pengerjaan eksekusi, maka Control Unit akan mengambil instruksi dari Program-storage untuk ditampungkan ke Instruction Register, sedangkan alamat memori yang berisikan instruksi tersebut ditampung di Program Counter. Sedangkan data diambil oleh Control Unit dari Working-storage untuk ditampung di General-purpose register (dalam hal ini di Operand-register). Jika berdasar instruksi pengerjaan yang dilakukan adalah arithmatika dan logika, maka ALU akan mengambil alih operasi untuk mengerjakan berdasar instruksi yang ditetapkan. Hasilnya ditampung di Akumulator. Apabila hasil pengolahan telah selesai, maka Control Unit akan mengambil hasil pengolahan di Accumulator untuk ditampung kembali ke Working-storage. Jika pengerjaan keseluruhan telah selesai, maka Control Unit akan menjemput hasil pengolahan dari Working-storage untuk ditampung ke Output-storage. Lalu selanjutnya dari Output-storage, hasil pengolahan akan ditampilkan ke output-devices.

Fungsi CPU

CPU berfungsi seperti kalkulator, hanya saja CPU jauh lebih kuat daya pemrosesannya. Fungsi utama dari CPU adalah melakukan operasi aritmatika dan logika terhadap data yang diambil dari memori atau dari informasi yang dimasukkan melalui beberapa perangkat keras, seperti papan tombol, pemindai, tuas kontrol, maupun tetikus. CPU dikontrol menggunakan sekumpulan instruksi perangkat lunak komputer. Perangkat lunak tersebut dapat dijalankan oleh CPU dengan membacanya dari media penyimpan, seperti cakram keras, disket, cakram padat, maupun pita perekam. Instruksi-instruksi tersebut kemudian disimpan terlebih dahulu pada memori fisik (MAA), yang mana setiap instruksi akan diberi alamat unik yang disebut alamat memori. Selanjutnya, CPU dapat mengakses data-data pada MAA dengan menentukan alamat data yang dikehendaki.

Saat sebuah program dieksekusi, data mengalir dari RAM ke sebuah unit yang disebut dengan bus, yang menghubungkan antara CPU dengan MAA. Data kemudian didekode dengan menggunakan unit proses yang disebut sebagai pendekoder instruksi yang sanggup menerjemahkan instruksi. Data kemudian berjalan ke unit aritmatika dan logika (ALU) yang melakukan kalkulasi dan perbandingan. Data bisa jadi disimpan sementara oleh ALU dalam sebuah lokasi memori yang disebut dengan register supaya dapat diambil kembali dengan cepat untuk diolah. ALU dapat melakukan operasi-operasi tertentu, meliputi penjumlahan, perkalian, pengurangan, pengujian kondisi terhadap data dalam register, hingga mengirimkan hasil pemrosesannya kembali ke memori fisik, media penyimpan, atau register apabila akan mengolah hasil pemrosesan lagi. Selama proses ini terjadi, sebuah unit dalam CPU yang disebut dengan penghitung program akan memantau instruksi yang sukses dijalankan supaya instruksi tersebut dapat dieksekusi dengan urutan yang benar dan sesuai.

Percabangan instruksi

Pemrosesan instruksi dalam CPU dibagi atas dua tahap, Tahap-I disebut Instruction Fetch, sedangkan Tahap-II disebut Instruction Execute. Tahap-I berisikan pemrosesan CPU dimana Control Unit mengambil data dan/atau instruksi dari main-memory ke register, sedangkan Tahap-II berisikan pemrosesan CPU dimana Control Unit menghantarkan data dan/atau instruksi dari register ke main-memory untuk ditampung di MAA, setelah Instruction Fetch dilakukan. Waktu pada tahap-I ditambah dengan waktu pada tahap-II disebut waktu siklus mesin (machine cycles time).

Penghitung program dalam CPU umumnya bergerak secara berurutan. Walaupun demikian, beberapa instruksi dalam CPU, yang disebut dengan instruksi lompatan, mengizinkan CPU mengakses instruksi yang terletak bukan pada urutannya. Hal ini disebut juga percabangan instruksi (branching instruction). Cabang-cabang instruksi tersebut dapat berupa cabang yang bersifat kondisional (memiliki syarat tertentu) atau non-kondisional. Sebuah cabang yang bersifat non-kondisional selalu berpindah ke sebuah instruksi baru yang berada di luar aliran instruksi, sementara sebuah cabang yang bersifat kondisional akan menguji terlebih dahulu hasil dari operasi sebelumnya untuk melihat apakah cabang instruksi tersebut akan dieksekusi atau tidak. Data yang diuji untuk percabangan instruksi disimpan pada lokasi yang disebut dengan flag.

Bilangan yang dapat ditangani

Kebanyakan CPU dapat menangani dua jenis bilangan, yaitu fixed-point dan floating-point. Bilangan fixed-point memiliki nilai digit spesifik pada salah satu titik desimalnya. Hal ini memang membatasi jangkauan nilai yang mungkin untuk angka-angka tersebut, tetapi hal ini justru dapat dihitung oleh CPU secara lebih cepat. Sementara itu, bilangan floating-point merupakan bilangan yang diekspresikan dalam notasi ilmiah, di mana sebuah angka direpresentasikan sebagai angka desimal yang dikalikan dengan pangkat 10 (seperti 3,14 x 10⁵⁷). Notasi ilmiah seperti ini merupakan cara yang singkat untuk mengekspresikan bilangan yang sangat besar atau bilangan yang sangat kecil, dan juga mengizinkan jangkauan nilai yang sangat jauh sebelum dan sesudah titik desimalnya. Bilangan ini umumnya digunakan dalam merepresentasikan grafik dan kerja ilmiah, tetapi proses aritmatika terhadap bilangan floating-point jauh lebih rumit dan dapat diselesaikan dalam waktu yang lebih lama oleh CPU karena mungkin dapat menggunakan beberapa siklus detak CPU. Beberapa komputer menggunakan sebuah prosesor sendiri untuk menghitung bilangan floating-point yang disebut dengan FPU (disebut juga math co-processor) yang dapat bekerja secara paralel dengan CPU untuk mempercepat penghitungan bilangan floating-point. FPU saat ini menjadi standar dalam banyak komputer karena kebanyakan aplikasi saat ini banyak beroperasi menggunakan bilangan floating-point.

Referensi:

http://id.wikipedia.org/wiki/Unit_Pemroses_Sentral

Architecture of the IBM System

First Draft of a Report on the EDVAC

SET INTRUKSI & TEKNIK / METODE PENGALAMATAN

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.

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.

Ketika mendesain mikroarsitektur, para desainer menggunakan Register Transfer Language (RTL) untuk mendefinisikan operasi dari setiap instruksi yang terdapat dalam ISA.

Sebuah ISA juga dapat diemulasikan dalam bentuk perangkat lunak oleh sebuah interpreter. Karena terjadi translasi tambahan yang dibutuhkan untuk melakukan emulasi, hal ini memang menjadikannya lebih lambat jika dibandingkan dengan menjalankan program secara langsung di atas perangkat keras yang mengimplementasikan ISA tersebut. Akhir-akhir ini, banyak vendor ISA atau mikroarsitektur yang baru membuat perangkat lunak emulator yang dapat digunakan oleh para pengembang perangkat lunak sebelum implementasi dalam bentuk perangkat keras dirilis oleh vendor.

Daftar ISA di bawah ini tidak dapat dikatakan komprehensif, mengingat banyaknya arsitektur lama yang tidak digunakan lagi saat ini atau adanya ISA yang baru dibuat oleh para desainer

Teknik / Metode pengalamatan

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

Jenis-jenis metode pengamatan

1.Direct Absolute(pengalamatan langsung)

  

Kelebihan

• Field alamat berisi efektif address sebuah operand
• Teknik ini banyak digunakan pada komputer lama dan komputer ecil
• Hanya memerlukan sebuah referensi memori dan tidak memerlukan kalkulus khusus

Kelemahan

• Keterbatasan field alamat karena panjang field alamat biasanya lebih kecil dibandingkan panjang word Contoh: ADD A ; tambahkan isi pada lokasi alamat A ke akumulator

2.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

Keuntungan

            Tidak adanya referensi memori selain dari instruksi yang diperlukan untuk memperoleh operand Menghemat siklus instruksi sehingga proses keseluruhan akan cepat

Kekurangan

            Ukuran bilangan dibatasi oleh ukuran field alamat

3.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

4.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 menanganilebih 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.

5.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.

6.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 

7.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

8.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).

  

9.Relatif

            PengalamatanRelative, 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

REFERENSI :

http://id.wikipedia.org/wiki/Set_instruksi

http://aqwam.staff.jak-stik.ac.id/.