ORGANISASI & ARSITEKTUR KOMPUTER 2 STRUKTUR & FUNGSI CPU IBP WIDJA, MT

Struktur CPU CPU seharusnya dapat melakukan: Pengambilan (fetch) Instruksi Menginterpretasi Instruksi Fetch Data Memproses Data – operasi aritmetika atau logika Menulis Data

CPU dengan Bus Sistem

Struktur Internal CPU

Register CPU harus memiliki wilayah kerja (working space) yg berupa temporary storage Temporary storage disebut dng register-register Fungsi dan Jumlahnya bervariasi tergantung desain prosessor Merupakan salah satu desain utama yg diputuskan Merupakan level puncak dari hirarki memory

Peran Register pd CPU Register terlihat oleh user (programer) Memungkinkan pemrograman dng bahasa mesin atau bahasa assembly untuk memperkecil acuan memory utama dng mengoptimalkan penggunaan register Register Kontrol dan Status Digunakan oleh unit kontrol untuk mengontrol operasi CPU dan program Sistem Operasi

Register terlihat oleh user General Purpose (Tujuan Umum) Data Address (Alamat) Condition Codes (Kode kondisi)

General Purpose Register Biasanya digunakan untuk tujuan umum (yang dapat berisi opcode & operand) Kemungkinan jenis Register ini juga digunakan secara restricted (misalnya untuk floating point dan stack) Kemungkinan juga digunakan untuk data dan pengalamatan

General Purpose Register... Jika register ini dibuat sebagai general purpose maka akan: Meningkatkan flexibilitas dan opsi programmer Meningkatkan ukuran instruksi dan kompleksitas Jika register ini dibuat lebih mengkhusus Instruksi Lebih kecil (lebih cepat) Flexibility berkurang

Berapa banyak GP register? Jumlah yg optimum diantara 8 - 32 Jumlah lebih kecil = acuan memori lebih banyak Jumlah lebih banyak tidak akan mengurangi jumlah acuan memori secara berarti Ada suatu pendekatan baru dng ratusan register pada sistem RISC (Reduce Instruction Set Computer)

GP seberapa besar? Cukup besar untuk memuat full address Cukup besar untuk memuat full word Sering dimungkinkan untuk mengkombinasi dua register data : C programming double int a; long int a;

Register Kode Kondisi Kode Kondisi adalah set bit oleh CPU sebagai hasil operasi, juga dikenal sebagai flag. contoh: Suatu operasi aritmetika dapat menghasilkan hasil positif, negatif, nol atau overflow Bit-bit kode kondisi ini dikumpulkan pada satu atau lebih register yg membentuk register kontrol Dapat dibaca secara implisit oleh program tetapi programer tidak dapat mengubahnya contoh: Jump if zero

Register Kontrol dan Status Terdapat bermacam-macam register CPU yg dapat melakukan Kontrol Operasi CPU yg pada sebagian mesin tidak terlihat oleh user. Empat Register Penting untuk eksekusi instruksi: Program Counter (PC) Instruction Register (IR) Memory Address Register (MAR) Memory Buffer Register (MBR)

Program Status Word Semua rancangan CPU meliputi sekelompok register dan sering dikenal sebagai word status program (Program Status Word – PSW) PSW secara umum terdiri dari kode kondisi ditambah informasi status lainnnya yg meliputi: Kode Kondisi Sign dari hasil akhir Zero Carry Equal Overflow Interrupt enable/disable Supervisor

Mode Supervisor Merupakan Mode Kernel Memungkinkan untuk mengeksekusi instruksi khusus (privileged) Digunakan oleh Sistem Operasi Tidak tersedia untuk user program

Register lain Mungkin memiliki register yg pointing ke: Process control blocks (lihat: S/O) Interrupt Vectors (lihat: S/O) N.B: Desain CPU dan Sistem Operasi berhubungan sangat dekat

Contoh Organisasi Register

Siklus Instruksi

Siklus Instruksi Tambahan Siklus Tidak Langsung Mungkin memerlukan akses memory untuk mengambil (fetch) operand Indirect Addressing memerlukan akses memory lebih Kita dapat berpikir tentang pengalamatan tidak langsung ini sebagai satu lagi subsiklus instruksi

Siklus instruksi tak langsung

Diagram Keadaan

Aliran Fetch Instruksi Tergantung dari desain CPU Aliran Fetch secara Umum PC berisi alamat dari instruksi berikutnya Alamat pindah ke MAR Alamat menempai Bus Alamat Control Unit (CU) meminta pembacaan memori Hasil ditempatkan ke Bus data, dikopi ke MBR, kemudian ke IR Sementara itu PC nilainya bertambah 1 (increment)

Aliran Data, Siklus Fetch

Aliran Fetch Data indirect IR di evaluasi Jika pengalamatanya tidak langsung, siklus indirect akan melakukan: N bit paling kanan dari MBR ditransfer ke MAR Control Unit (CU) meminta pembacaan memori Result (address dari operand) berpindah ke MBR

Aliran Data, Siklus Indirect

Aliran Eksekusi Bentuknya dapat beraneka ragam tergantung pada instruksi yang tereksekusi Dapat mengandung: Memory read/write Input/Output Register transfers ALU operations

Aliran Interrupt Sederhana PC yg sekarang di-save untuk memungkinkan reasumsi setelah interrupt Isi PC di-copy ke MBR Lokasi memory spesial (misal: pointer stack) di load ke MAR MBR ditulis ke memory PC di load dengan alamat Rutin handling Interrupt Instruksi berikutnya dapat di fetch

Aliran Data, Siklus Interrupt

Prefecth Siklus Fetch akan mengakses memori utama Siklus Eksekusi biasanya tidak akan mengakses memori utama Sehingga dapat dilakukan fetch instruksi selanjutnya selama eksekusi instruksi yg sekarang Kegiatan ini disebut dengan prefetch instruksi

Meningkatkan performa Tidak menjadi dua kali (double): Waktu Fetch biasanya lebih cepat dari waktu eksekusi Apakah prefetch bisa lebih dari satu instruksi? Tiap ada jump ke cabang, berarti instruksi prefetch bukan merupakan instruksi yg diperlukan jadi harus dibuang untuk instruksi baru Untuk meningkatkan performa maka diperlukan lebih banyak keadaan (stage)

2 Langkah Pipeline Instruksi

Pipelining Instruksi Pengolahan instruksi sedemikian rupa sehingga beberapa komponen instruksi dapat dilakukan secara serempak Dekomposisi pengolahan instruksi: Fetch instruction (FI) Decode instruction (DI) Calculate Operands (CO) Fetch Operands (FO) Execute Instructions (EI) Write Operand (WO)

Timing Pipeline

Pencabangan dlm pipeline

Flow Chart Pipeline

Cara Lain deskripsi Pipeline

Faktor akselerasi dengan Pipeline Instruksi

Contoh Pipeline Instruksi 80486

Register Pentium 4

Register EFLAGS

Register Kontrol