Central Processing Unit (CPU)

Bus

Bus adalah kumpulan jalur yang menghubungkan ketiga komponen di atas. Bus dapat dianalogikan sebagai jalan umum di muka rumah kita yang dapat kita lewati jika hendak menuju rumah tetangga, kantor, dsb. Bedanya, di jalan umum pada suatu waktu bisa terdapat banyak orang atau kendaraan yang melewatinya; sedangkan untuk bus, pada suatu saat hanya bisa ada satu keadaan (biner) untuk setiap jalurnya. Dengan kata lain, ada banyak komponen yang terhubung ke bus, tapi hanya sebuah komponen yang akan mengisi bus tersebut pada suatu saat. Bus dalam sistem komputer dibagi menjadi 3 kelompok:

Bus alamat (address bus), yang digunakan oleh mikroprosesor untuk mengirim informasi alamat memori atau port I/O yang akan dihubungi olehnya. Ukuran bus alamat menentukan berapa kapasitas memori yang ada, misalnya ukuran bus alamat 16 bit (16 jalur alamat) akan mampu mengalamati 2¹⁶ atau 65536 (64 kb) lokasi memori. Perhatikan arah panah ke dan dari bus alamat pada Gambar I-1.

Bus data (data bus), yang digunakan untuk lewatnya data dari dan ke masing-masing komponen di atas. Bus data mempunyai ukuran tertentu misalnya 8, 16, atau 32 jalur. Ukuran ini tidak harus sama dengan ukuran data pada setiap lokasi memori. Misalnya apabila berukuran memori adalah 8 bit, maka dengan bus data 32 bit akan dapat memindahkan 4 data (menulis/membaca 4 lokasi memori) sekaligus.

          Bus kendali (control bus), yang berisi jalur-jalur untuk keperluan pengiriman sinyal kendali antar komponen, misalnya sinyal yang menandakan isyarat untuk membaca, atau menulis, pemilihan memori atau port, interupsi, dll. Isyarat-isyarat ini yang kemudian menentukan aksi apa yang harus dilakukan oleh masing-masing komponen.

Arihtmetic Logic Unit (ALU)

• Melakukan komputasi untuk pengolahan data

• Melakukan tugas-tugas dasat aritmatik dan operasi logik

Control Unit

• Mengontrol perpindahan data dan instruksi ke CPU atau dari CPU

• Mengontrol operasi ALU

• Mendecode instruksi program dan menyediakan sinyal-sinyal kontrol yang bersesuaian

MEMORY CACHE

• Buffer berkecepatan tinggi yang digunakan untuk menyimpan data yang diakses pada saat itu dan data yang berdekatan dalam memori utama

• Waktu akses memori cache lebih cepat 5 – 10 kali dibandingkan memori utama

PRINSIP KERJA MEMORI CACHE

• Cache berisi salinan sebagian isi memori utama

• Pada saat CPU membaca sebuah word memory, dilakukan pemeriksaan untuk mengetahui apakah word berada berada di cache

• Jika word berada di cache, maka akan dikirimkan ke CPU yang dikenal sebagai proses HITT

• Jika tidak ada, maka blok memori utama yang terdir idari sejumlah word tetap akan diletakkan di cache yang dikenal sebagai proses MISS dan selanjutnya dikirim ke CPU

IMPLEMENTASI MEMORI UTAMA

1. Memori Stack

• Merupakan struktur data tidak tetap yang kembali dan digunakan untuk menyimpan parameter yang dilalui alamat dalam subroutine call dan return, memanipulasi alamat serta operasi aritmatika

2. Memori Modular

• Dalam sistem modular RAM dipisah menjadi modul-modul yang berbeda yaitu MAR dan MBR

• Penggunaan memori modular biasanya pada sistem pipeline dan prosesor array

3. Memori Virtual

• Prinsip dasar memori virtual adalah mengalamati ruang penyimpanan logikal yang secara fisik lebih besar dari daripada ruang penyimpanan riil

MEMORI PEMBANTU (AUXILIARY MEMORY)

• Bersifat non-volatile yaitu jika tidak ada listrik, maka isi memori tidak hilang

• Tidak mempengaruhi langsung fungsi CPU

• Yang termasuk memori pembantu adalah

                1. Pita Magnetik

                2. Disk Magnetik

                3. Floopy Disk

Sumber : Mata Kuliah Mikroprosesor Bpk. DR. Joko Purnomo

Arsitektur 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).

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:

1. Main or Virtual Memory
2. CPU Register
3. I/O Device 

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

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). 

 

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

JENIS INSTRUKSI

1. Data processing: Arithmetic dan  Logic Instructions
2. Data storage: Memory instructions
3. Data Movement: I/O instructions
4. Control: Test and branch instructions

TRANSFER DATA

• Menetapkan lokasi operand sumber dan operand tujuan.

• Lokasi-lokasi tersebut dapat berupa memori, register atau bagian paling atas daripada stack.

• Menetapkan panjang data yang dipindahkan.

• Menetapkan mode pengalamatan.

Tindakan CPU untuk melakukan transfer data adalah :

     a. Memindahkan data dari satu lokasi ke lokasi lain.

     b. Apabila memori dilibatkan :           

         Menetapkan alamat memori.

         Menjalankan transformasi alamat memori virtual ke alamat

         memori aktual.

         Mengawali pembacaan / penulisan memori

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

ARITHMETIC

Tindakan CPU untuk melakukan operasi arithmetic :

     1. Transfer data sebelum atau sesudah.

     2. Melakukan fungsi dalam ALU.

     3. Menset kode-kode kondisi dan flag.

Operasi set instruksi untuk arithmetic :

    1. ADD : penjumlahan                                5. ABSOLUTE

    2. SUBTRACT : pengurangan                       6. NEGATIVE

    3. MULTIPLY : perkalian                             7. DECREMENT

    4. DIVIDE : pembagian                                8. INCREMENT

    Nomor 5 sampai 8 merupakan instruksi operand tunggal.

LOGICAL 
Tindakan CPU sama dengan arithmetic 
Operasi set instruksi untuk operasi logical :

     1. AND, OR, NOT, EXOR

     2. COMPARE : melakukan perbandingan logika.

     3. TEST : menguji kondisi tertentu.

     4. SHIFT : operand menggeser ke kiri atau kanan menyebabkan

                    konstanta pada ujung bit.

     5. ROTATE : operand menggeser ke kiri atau ke kanan dengan

                       ujung yang terjalin. 

CONVERSI 

• Tindakan CPU sama dengan arithmetic dan logical. 

• Instruksi yang mengubah format instruksi yang beroperasi terhadap format data. 

• Misalnya pengubahan bilangan desimal menjadi bilangan biner. 

Operasi set instruksi untuk conversi :

    1. TRANSLATE : menterjemahkan nilai-nilai dalam suatu bagian

                            memori berdasarkan tabel korespodensi.

     2. CONVERT : mengkonversi isi suatu word dari suatu bentuk

                          ke bentuk lainnya.

INPUT / OUPUT 
Tindakan CPU untuk melakukan INPUT /OUTPUT :

     1. Apabila  memory mapped I/O maka menentukan alamat

        memory mapped.

     2. Mengawali perintah ke modul I/O

Operasi set instruksi Input / Ouput :

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

                     tujuan

     2. OUTPUT : memindahkan data dari sumber tertentu ke

                        perangkat I/O

     3. START I/O : memindahkan instruksi ke prosesor I/O untuk

                           mengawali operasi I/O

     4. TEST I/O : memindahkan informasi dari sistem I/O ke tujuan
 
TRANSFER CONTROL 
Tindakan CPU untuk transfer control :
Mengupdate program counter untuk subrutin , call / return. 
Operasi set instruksi untuk transfer control :

    1. JUMP (cabang) : pemindahan tidak bersyarat dan memuat PC     

                                dengan alamat tertentu.

    2. JUMP BERSYARAT : menguji persyaratan tertentu dan memuat PC dengan alamat

                                     tertentu atau  tidak melakukan apa tergantung dari persyaratan.

    3. JUMP SUBRUTIN : melompat ke  alamat tertentu.

    4. RETURN : mengganti isi PC dan register lainnya yang berasal

                        dari lokasi tertentu.

    5. EXECUTE : mengambil operand dari lokasi tertentu dan

                         mengeksekusi sebagai instruksi

    6. SKIP : menambah PC sehingga melompati instruksi

                 berikutnya.

    7. SKIP BERSYARAT : melompat atau tidak melakukan apa-apa

                                   berdasarkan pada persyaratan

    8. HALT : menghentikan eksekusi program.

    9. WAIT (HOLD) : melanjutkan eksekusi pada saat persyaratan

                              dipenuhi.

  10. NO OPERATION : tidak ada operasi yang dilakukan.

  
CONTROL SYSTEM
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. Contoh : membaca atau mengubah register kontrol. 

JUMLAH ALAMAT (NUMBER OF ADDRESSES) 

• Salah satu cara tradisional untuk menggambarkan arsitektur prosessor adalah dengan melihat jumlah alamat yang terkandung dalam setiap instruksinya. 

• Jumlah alamat maksimum yang mungkin diperlukan dalam sebuah instruksi :

             1.  Empat Alamat (dua operand, satu hasil, satu untuk alamat instruksi

                                         berikutnya)

             2. Tiga Alamat (dua operand, satu hasil)

             3. Dua Alamat (satu operand merangkap hasil, satunya lagi operand)

             4. Satu Alamat (menggunakan accumulator untuk menyimpan operand dan

                                     hasilnya) 

Macam-macam instruksi menurut jumlah operasi yang dispesifikasikan

1. O – Address Instruction

2. 1 – Addreess Instruction.

3. N – Address Instruction

4. M + N – Address Instruction

 Macam-macam instruksi menurut sifat akses terhadap memori atau register

1. Memori To Register Instruction

2. Memori To Memori Instruction

3. Register To Register Instruction

Sumber : Mata Kuliah Mikroprosesor Bpk. Dr. Joko Purnomo