Pertemuan 2 Organisasi Komputer Struktur Fungsi CPU I

Pertemuan 2 Organisasi Komputer Struktur & Fungsi CPU (I) 1

Tujuan q Menjelaskan tentang komponen utama CPU dan Fungsi CPU q Membahas struktur dan fungsi internal prosesor, organisasi ALU, control unit dan register q Menjelaskan fungsi prosesor dalam menjalankan instruksi-instruksi mesin ( Ini sudah pernah di Arsitektur Komputer, masih ingat? ? ? ) 2

Tujuan q Mengerti struktur dari register macam-macam register dan fungsinya. q Mengerti aliran data pada siklus pengambilan, siklus tak langsung, siklus interrupt q mengerti pipelining dan mengerti teknik-teknik menangani percabangan pada pipelining (Ini yang sedikit baru di Organisasi Komputer) 3

CPU q Central Processing Unit q Komponen terpenting dari sistem komputer q Komponen pengolah data berdasarkan instruksi yang diberikan kepadanya q Dalam mewujudkan fungsi dan tugasnya, CPU tersusun atas beberapa komponen. 4

Aktivitas CPU § Fetch Instruction/Mengambil instruksi, CPU harus membaca instruksi dari memori. § Interpret Data/Membaca Data, eksekusi suatu instruksi mungkin memerlukan pembacaan data dari memori atau modul I/O § Fetch Data/Mengambil Data, eksekusi suatu instruksi mungkin memerlukan pengambilan data dari memori atau modul I/O. 5

Aktivitas CPU § Process Data/Mengolah Data, eksekusi suatu instruksi mungkin memerlukan operasi aritmatika atau logika terhadap data. § Write Data/Menulis Data, hasil eksekusi mungkin memerlukan penulisan data ke memori. 6

TUGAS CPU § Agar dapat melakukan tugas, CPU harus: § CPU menyimpan data untuk sementara waktu. § CPU harus menyimpan lokasi instruksi terakhir sehingga CPU dapat mengambil instruksi berikutnya. § CPU perlu menyimpan instruksi dan data untuk sementara waktu pada saat instruksi sedang berlangsung. § CPU memerlukan memori internal berukuran kecil yang dikenal dengan register 7

Komponen Utama CPU q. Arithmetic and Logic Unit (ALU) q. Control Unit q. Registers q. CPU Interconnections 8

Arithmetic and Logic Unit (ALU) q Bertugas membentuk fungsi–fungsi pengolahan data komputer. q ALU sering disebut mesin bahasa (language machine) karena bagian ini mengerjakan instruksi–instruksi bahasa mesin yang diberikan padanya. q Seperti istilahnya ALU terdiri dari dua bagian, yaitu unit arithmetika dan unit logika boolean, yang masing–masing memiliki spesifikasi tugas tersendiri. 9

Control Unit q Bertugas mengontrol operasi CPU dan secara keseluruhan mengontrol komputer sehingga terjadi sinkronisasi kerja antar komponen dalam menjalankan fungsi– fungsi operasinya. q Tanggung jawab unit kontrol lainnya adalah mengambil instruksi–instruksi dari memori utama dan menentukan jenis instruksi tersebut. 10

Registers q Media penyimpan internal CPU yang digunakan saat proses pengolahan data. q Memori ini bersifat sementara, biasanya digunakan untuk menyimpan data saat diolah ataupun data untuk pengolahan selanjutnya. 11

CPU Interconnections q Sistem koneksi dan bus yang menghubungkan komponen internal dan bus–bus eksternal CPU q Komponen internal CPU yaitu ALU, unit kontrol dan register–register. q Komponen eksternal CPU : sistem lainnya, seperti memori utama, piranti masukan/keluaran 12

Komponen internal CPU 13

Struktur detail internal CPU 14

Struktur detail internal CPU § Bus CPU internal elemen ini dibutuhkan untuk memindahkan data antara bermacam-macam register dengan ALU, karena pada kenyataannya ALU hanya beroperasi pada data yang berada dalam memori CPU internal. 15

Fungsi CPU q Menjalankan program–program yang disimpan dalam memori utama dengan cara mengambil instruksi–instruksi, menguji instruksi tersebut dan mengeksekusinya satu persatu sesuai alur perintah. q Pandangan paling sederhana proses eksekusi program adalah dengan mengambil pengolahan instruksi yang terdiri dari dua langkah, yaitu : operasi pembacaan instruksi (fetch) dan operasi pelaksanaan instruksi (execute) 16

Organisasi Register § Sistem komputer menggunakan hirarki memori. § Pada tingkatan yang atas, memori yang lebih cepat, lebih kecil dan lebih mahal (per bit) § Di dalam CPU terdapat sekumpulan register yang tingkatan memorinya berada di atas memori utama dan cache § Apa fungsi register pada CPU? ? ? 17

Fungsi Register CPU § User-visible Registers § Register ini memungkinkan pemrogram bahasa mesin dan assembler meminimalkan referensi main memori dengan cara mengoptimasi penggunaan register. § Control and Status Register § Register ini digunakan oleh unit kontrol untuk mengontrol operasi CPU dan program sistem operasi untuk mengontrol eksekusi program. § Tidak terdapat pemisahan yang jelas antara kedua jenis register di atas 18

User-Visible Register § Adalah register yang dapat direferensikan dengan menggunakan bahasa mesin yang dieksekusi CPU § Kategorinya; § § General Purpose Data Alamat Kode-kode Kondisi 19

General Purpose Register § Dapat digunakan untuk berbagai fungsi oleh pemrogram. § Dapat berisi operand sembarang opcode. § Pada kasus tertentu, dapat digunakan untuk fungsi-fungsi pengalamatan (mis: register indirect, displacement). § Pada kasus lainnya, terdapat partial atau batasan yang jelas antara register data dengan register alamat. 20

Register Data dan Alamat § Register data hanya dapat dipakai untuk menampung data dan tidak dapat dipakai untuk kalkulasi dan alamat operand. § Register alamat menyerupai generalpurpose register, atau register-register tersebut dapat digunakan untuk mode pengalamatan tertentu. § Contoh : segment pointer, register index, stack pointer 21

Control and Status Register § Bermacam-macam register CPU yang digunakan untuk mengontrol operasi CPU. § ‘Non-visible’ vs ‘visible’? § Tidak visible bagi pengguna § Visible terhadap instruksi mesin yang dieksekusi pada mode kontrol atau sistem operasi 22

Register yang Penting bagi Eksekusi Instruksi § Program Counter (PC) atau Pencacah Program § Berisi alamat instruksi yang akan diambil § Instruction Register (IR) § Berisi instruksi yang terakhir diambil § Memori Address Register (MAR) § Berisi alamat sebuah lokasi dalam memori § Memori Buffer Register (MBR) § Berisi sebuah word data yang akan dituliskan ke dalam memori atau word yang terakhir dibaca 23

Program Status Word § Adalah semua rancangan CPU mencakup sebuah register atau sekumpulan register. § Berisi informasi status. § Berisi kode kondisi dan informasi status lainnya field atau flag 24

Common Field atau Flag § Sign § Berisi bit tanda hasil operasi aritmatika terakhir, negatif atau positif § Zero § Diset bila hasil sama dengan nol § Carry § Diset apabila operasi yang dihasilkan di dalam carry (penambahan) ke dalam bit yang lebih tinggi atau borrow (pengurangan) dari bit yang lebih tinggi. 25

Common Field atau Flag § Equal § Disetel apabila hasil pembandingan logikanya sama § Overflow § Digunakan untuk mengindikasikan overflow perhitungan operasi aritmatika § Interrupt Disable/Enable § Digunakan untuk mengizinkan atau mencegah intterupt § Supervisor § Mengindikasikan apakah CPU sedang mengeksekusi dalam mode user atau supervisor. 26

Common Field atau Flag § Terdapat beberapa register lain yang berkaitan dengan status dan kontrol yang dapat ditemukan dalam rancangan CPU, mis : informasi status tambahan (blok kontrol proses), register vektor interrupt § Jumlah informasi kontrol yang harus berada di dalam register dan jumlah yang berada dalam memori dapat ditentukan. 27

Siklus Instruksi q. Terdiri dari siklus fetch dan siklus eksekusi 28

Siklus Fetch - Eksekusi q Pada setiap siklus instruksi, CPU awalnya akan membaca instruksi dari memori q Terdapat register dalam CPU yang berfungsi mengawasi dan menghitung instruksi selanjutnya, yang disebut Program Counter (PC) q PC akan menambah satu hitungannya 29 setiap kali CPU membaca instruksi

Siklus Fetch - Eksekusi q Instruksi–instruksi yang dibaca akan dimuat dalam register instruksi (IR). q Instruksi–instruksi ini dalam bentuk kode– kode binner yang dapat diinterpretasikan oleh CPU kemudian dilakukan aksi yang diperlukan 30

Aksi CPU q CPU – Memori, perpindahan data dari CPU ke memori dan sebaliknya. q CPU –I/O, perpindahan data dari CPU ke modul I/O dan sebaliknya. q Pengolahan Data, CPU membentuk sejumlah operasi aritmatika dan logika terhadap data. q Kontrol, merupakan instruksi untuk pengontrolan fungsi atau kerja. Misalnya instruksi pengubahan urusan eksekusi. 31

Siklus Eksekusi q q q q Instruction Addess Calculation (IAC), yaitu mengkalkulasi atau menentukan alamat instruksi berikutnya yang akan dieksekusi. Biasanya melibatkan penambahan bilangan tetap ke alamat instruksi sebelumnya. Misalnya, bila panjang setiap instruksi 16 bit padahal memori memiliki panjang 8 bit, maka tambahkan 2 ke alamat sebelumnya. Instruction Fetch (IF), yaitu membaca atau pengambil instruksi dari lokasi memorinya ke CPU. Instruction Operation Decoding (IOD), yaitu menganalisa instruksi untuk menentukan jenis operasi yang akan dibentuk dan operand yang akan digunakan. Operand Address Calculation (OAC), yaitu menentukan alamat operand, hal ini dilakukan apabila melibatkan referensi operand pada memori. Operand Fetch (OF), adalah mengambil operand dari memori atau dari modul I/O. Data Operation (DO), yaitu membentuk operasi yang diperintahkan dalam instruksi. Operand store (OS), yaitu menyimpan hasil eksekusi ke dalam 32 memori

Diagram siklus instruksi 33

Fungsi Interrupt § Fungsi interupsi adalah mekanisme penghentian atau pengalihan pengolahan instruksi dalam CPU kepada routine interupsi. § Tujuan interupsi secara umum untuk manajemen pengeksekusian routine instruksi agar efektif dan efisien antar CPU dan modul – modul I/O maupun memori. § Setiap komponen komputer dapat menjalankan tugasnya secara bersamaan, tetapi kendali terletak pada CPU disamping itu kecepatan eksekusi masing – masing modul berbeda sehingga dengan adanya fungsi interupsi ini dapat sebagai sinkronisasi kerja antar modul 34

Macam – macam kelas sinyal interupsi § Program, yaitu interupsi yang dibangkitkan dengan beberapa kondisi yang terjadi pada hasil eksekusi program. Contohnya: arimatika overflow, pembagian nol, operasi ilegal. § Timer, adalah interupsi yang dibangkitkan pewaktuan dalam prosesor. Sinyal ini memungkinkan sistem operasi menjalankan fungsi tertentu secara reguler. 35

Macam – macam kelas sinyal interupsi § I/O, sinyal interupsi yang dibangkitkan oleh modul I/O sehubungan pemberitahuan kondisi error dan penyelesaian suatu operasi. § Hardware failure, adalah interupsi yang dibangkitkan oleh kegagalan daya atau kesalahan paritas memori. 36

Apabila interupsi ditangguhkan, maka 1. Prosesor menangguhkan eksekusi program yang dijalankan dan menyimpan konteksnya. Tindakan ini adalah menyimpan alamat instruksi berikutnya yang akan dieksekusi dan data lain yang relevan. 2. Prosesor menyetel program counter (PC) ke alamat awal routine 37

Siklus instruksi dengan interrupt 38

Interupsi Ganda 1. Menolak atau tidak mengizinkan interupsi lain saat suatu interupsi ditangani prosesor. Kemudian setelah prosesor selesai menangani suatu interupsi maka interupsi lain baru di tangani. Disebut pengolahan interupsi berurutan / sekuensial. Pendekatan ini cukup baik dan sederhana karena interupsi ditangani dalam ututan yang cukup ketat. Kelemahan tidak memperhitungkan prioritas interupsi. Diperlihatkan pada gambar 3. 6 a. 2. Mendefinisikan prioritas bagi interupsi dan interrupt handler mengizinkan interupsi berprioritas lebih tinggi ditangani terlebih dahulu. Disebut pengolahan interupsi bersarang, diperlihatkan 39 pada gambar 3. 6 b.

Penanganan Interupsi Ganda 40

Contoh Pendekatan Bersarang § Suatu sistem memiliki tiga perangkat I/O: printer, disk, dan saluran komunikasi, dengan prioritas masing – masing 2, 4 dan 5. § Pada awal sistem melakukan pencetakan dengan printer, saat itu terdapat pengiriman data pada saluran komunikasi sehingga modul komunikasi meminta interupsi. § Proses selanjutnya adalah pengalihan eksekusi interupsi mudul komunikasi, sedangkan interupsi printer ditangguhkan. 41

Contoh Pendekatan Bersarang § § Saat pengeksekusian modul komunikasi terjadi interupsi disk, namun karena prioritasnya lebih rendah maka interupsi disk ditangguhkan. § Setelah interupsi modul komunikasi selesai akan dilanjutkan interupsi yang memiliki prioritas lebih tinggi, yaitu disk. § Bila interupsi disk selesai dilanjutkan eksekusi interupsi printer. § Selanjutnya dilanjutkan eksekusi program 42 utama.

Diagram siklus instruksi dengan interrupt 43