PENDAHULUAN
Dunia telah semakin maju dengan perkembangan komputasi yang menjadi lahirnya era digital. Perkembangan teknologi ini merupakan wujud kesinambungan teknologi yang terus dikembangkan dari masa ke masa.
Perkembangan dunia teknologi informasi tidak bisa dilepaskan dari sumber-sumber pengolah data yang semakin disempurnakan. Dari awal yang berupa hardware dengan ukuran sebesar kamar orang dewasa sampai sekarang yang dapat diletakkan dalam sebuah notebook mini.
Perkembangan prosesor yang berfungsi mengolah data masukan yang ada menjadi hal signifikan atas terciptanya nanoteknologi ini. Dengan menggunakan ruang yang kecil namun mampu menampung dan mengolah instruksi-instruksi yang diberikan.
Peningkatan kecepatan atas kinerja dari komputer perlu dibangun dari segi kecepatan proses maupun segi ekonomisnya. Kecepatan komputer ini dipengaruhi oleh berbagai hal, salah satunya yaitu set instruksi yang digunakan. Terdapat dua konsep set intruksi di dalam komputer yaitu RISC dan CISC yang menjadi sebuah susunan arsitektur komputer yang dikembangkan seperti Pipeline dan Superskalar
RISC (REDUCED INSTRUCTION SET KOMPUTER)
RISC merupakan arsitektur komputer dimana penggunaannya memanfaatkan instruksi-instruksi yang sederhana. RISC menyederhanakan rumusan perintah sehingga lebih efisien dalam penyusunan kompiler yang pada akhirnya dapat memaksimumkan kinerja program yang ditulis dalam bahasa tingkat tinggi.
Konsep arsitektur kmputer RISC banyak menerapkan proses eksekusi pipeline. Meskipun jumlah perintah tunggal yang diperlukan untuk melakukan pekerjaan yang diberikan mungkin lebih besar, eksekusi secara pipeline memerlukan waktu yang lebih singkat daripada waktu waktu untuk melakukan pekerjaan yang sama dengan menggunakan perintah yang rumit. Mesin RISC memerlukan memori yang lebih besar untuk mengakomodasi program yang lebih besar. Contohnya adalah IBM 801.
Lebih lanjut untuk memahami RISC, diawali dengan tinjauan singkat tentang karakteristik eksekusi instruksi. Konsep RISC didefiniskan pertama kali oleh IBM Fellow John Cocke pada tahun 1974. Menurut definisi ini RISC memiliki beberapa karakteristik dasar:
1. Arsitektursederhana dengan set instruksi mesin yang dioptimalkan
Set instruksi hanya akan berisikan operasi dasar (kurang dari 100 instruksi dan panjangnya tetap) untuk mengurangi kompleksitas dari penterjemah instruksi (instruction decoder). Sehingga CPU dapat mengeksekusinya dengan kecepatan maksimum dan lebih efisien. Perangkat lunak membuat operasi komplek dengan mengkombinasikan beberapa instruksi mesin sederhana.
2. Kecepatan eksekusi instruksi yang tin ggi
Tujuan dari arsitektur RISC adalah untuk dapat dieksekusi dengan cepat.
3. Optimalisasi penggunaan kompilasi
Unjuk kerja arsitektur komputer RISC sangat tergantung pada optimalisasi kompilator. Untuk itu kompilator harus dapat mengeksplorasi arsitektur hardware dengan menyusun urutan instruksi yang dapat mengambil kelebihan dari kemampuan dan unjuk kerja processor.
4. Arsitektur load/ store
Dalam arsitektur RISK akses memori dipisahkan dari manipulasi data sehingga CPU tidak terhambat oleh kelambatan memori. Data dimuatkan pada register dan instruksi bekerja dengan register.
CISC (COMPLEX INSTRUCTION SET COMPUTER)
CISC adalah rancangan tradisional sari set instruksi yang cukup besar dan tinggi fungsinya (lebih dari 200 instruksi). Instruksi ini memerlukan beberapa siklus untuk menyelesaikannya. Keperluan akan instruksi yang komplek ini karena pada waktu itu komputer dilengkapi dengan sejumlah kecil memori berkecepatan rendah. Instruksi yang komplek menjadikan suatu program lebih sedikit instruksinya dan lebih sedikit data diambil dari memori. Seiring dengan perkembangan teknologi semikonduktor yang mengurangi perbedaan kecepatan antara memori dan prosesor, serta penggunaan bahasa pemrograman tingkat tinggi menggantikan bahasa assembler, kelebihan CISC menurun.
Seperti halnya RISC, CISC merupakan sebuah design arsitektur computer yang menitik beratkan pada perintah yang rumit. CISC dimaksudkan untuk meminimumkan jumlah perintah yang diperlukan untuk mengerjakan pekerjaan yang diberikan (jumlah perintah sedikittetapi rumit).
Konsep CISC menjadikan mesin mudah untuk diprogram dalam bahasa rakitan, tetapi konsep ini menyulitkan dalam penyusunan kompiler yang pada akhirnya dapat memaksimumkan kinerja program yang ditulis dalam bahasa tingkat tinggi.
SUPERSKALAR
Superskalar merupakan arsitektur komputer yang merujuk pada perkembangan teknologi pipelining. Seperti diketahui bahwa membac instruksi dari memori merupakan hambatan utama dalam hal kecepatan untuk menjalankan suatu instruksi. Untuk mengatasi masalah ini, komputer-komputer generasi IBM Stretch (1959) telah memiliki kemampuan untuk mengambil terlebih dahulu instruksi-instruksi dari memori sehingga instruksi-instruksi tersebut akan selalu siap ketika mereka dibutuhkan. Instruksi-instruksi ini disimpan dalam sekumpulan register yang disebut penyangga prabaca. Dengan cara unu, ketika sebuah instruksi dibutuhkan, instruksi tersebut bisanya dapat segera diambil dari penyangga prabaca daripada menunggu sebuah memori membaca hingga selesai.
Oleh karena itu, sistem prabaca membagi pelaksanaan instruksi menjadi bagian : membaca dan pelaksanaan actual. Konsep pipeline menjelaskan lebih jauh. Pelaksanaan instruksi sering dibagi ke dalam banyak bagian dan bukan hanya ke dalam dua bagian saja, dimana masing-masing bagian ditangani oleh seperangkat hardware khusus, dan keseluruhan bagian tersebut dapat beroperasi secara parallel.
Jika satu pipeline bagus, maka tentunya penggunaan dua pipeline akan lebih bagus. Satu desain yang mungkin bagi sebuah CPU dengan pipeline ganda, didasarkan pada gambar 7.3 ditunjukkan pada gambar 7.4. Di sini suatu satuan membaca instruksi tunggal mengambil pasangan-pasangan dari instruksi – instruksi secara bersama dan memasukkan masing-masing pasangan ke dalam pipelinenya sendiri, lengkap dengan ALU-nya sendiri bagi operasi parallel. Agar dapat beroperasi secara parallel, kedua instruksi tersebut tidak boleh berebutan dalam menggunakan sumber daya (contoh: register-register), dan salah satu instruksi tidak boleh bergantung pada hasil dari instruksi yangl lain. Seperti halnya dengan sebuah pipeline tunggal, begitu pula kompiler harus menjamin situasi ini tetap terjaga (yaitu : hardware tidak memeriksa dan memberikan hasil-hasil yang salah jika instruksi –instruksi tidak sebanding), atau konflik-konflik dideteksi dan dihilangkan selama pelaksanaan dengan menggunakan hardware tambahan.
Peraturan – peraturan yang rumit yang menentukan apakah sepasang instruksi sebanding sehingga mereka dapat dijalankan secara parallel. Jika instruksi – instruksi yang berpasangan tidak cukup sederhana atau tidak sebanding, hanya pasangan pertama yang dijalankan (dalam pipeline u). Pasangan kedua kemudian disimpan dan dipasangkan dengan instruksi berikutnya. Instruksi-instruksi selalu dijalankan secara berurutan. Jadi kompiler¬kompiler khusus Pentium yang memproduksi pasangan-pasangan instruksi yang sebanding
dapat memproduksi program-program yang beroperasi lebih cepat dibanding kompiler-kompiler lama. Pengukuran –pengukuran menunjukkan bahwa sebuah Pentium yang mengoperasikan kode yang dioptimalkan untuk Pentium tersebut memiliki kinerja dua kali lebih cepat dibandingkan dengan program-program integer seperti sebuah komputer 486 yang beroperasi pada laju kecepatan detak yang sama (Pountain,1993). Hasil ini dapat dikaitkan seluruhnya dengna pipeline kedua.
Karakteristik dari beberapa Prosesor CISC, RISC, dan Superskalar
Karakteristik CISC RISC Supersaklar
IBM
370/
168 VAX
11/780 Intel
80486 Motorola
88000 MIPS
R4000 IBM
RS/Sytem
6000 Intel
80960
Tahundibuat 1973 1978 1978 1988 1991 1990 1989
Jumlah In sru ksi 208 303 235 51 94 184 62
Mode Pengalamatan 4 22 11 3 1 2 11
Jumlah
register generap-purpose 16 16 8 32 32 23-256
Ukuran
memori
kontrol (Kb) 420 480 246 - - - -
Ukuran Cache (Kb) 64 64 8 16 128 32-64 0.5
Rabu, 24 Juni 2009
Risc vs cisc 2
Reduced Instruction Set Computer (RISC)
Beberapa elemen penting pada arsitektur RISC :
•• Set instruksi yang terbatas dan sederhana
•. Register general-purpose yang berjumlah banyak, atau penggunaan teknologi kompiler untuk mengoptimalkan pemakaian registernya. •• Penekanan pada pengoptimalan pipeline instruksi.
Ditinjau dari jenis set instruksinya, ada 2 jenis arsitektur komputer, yaitu:
1. Arsitektur komputer dengan kumpulan perintah yang rumit (Complex Instruction Set Computer = CISC)
2. Arsitektur komputer dengan kumpulan perintah yang sederhana (Reduced Instruction Set Computer = RISC)
•. CISC dimaksudkan untuk meminimumkan jumlah perintah yang diperlukan untuk mengerjakan pekerjaan yang diberikan. (Jumlah perintah sedikit tetapi rumit)
Konsep CISC menjadikan mesin mudah untuk diprogram dalam bahasa rakitan, tetapi konsep ini menyulitkan dalam penyusunan kompiler bahasa pemrograman tingkat tinggi.
Dalam CISC banyak terdapat perintah bahasa mesin.
•. RISC menyederhanakan rumusan perintah sehingga lebih efisien dalam penyusunan kompiler yang pada akhirnya dapat memaksimumkan kinerja program yang ditulis dalam bahasa tingkat tinggi.
Konsep arsitektur RISC banyak menerapkan proses eksekusi pipeline. Meskipun jumlah perintah tunggal yang diperlukan untuk melakukan pekerjaan yang diberikan mungkin lebih besar, eksekusi secara pipeline memerlukan waktu yang lebih singkat daripada waktu untuk melakukan pekerjaan yang sama dengan menggunakan perintah yang lebih rumit. Mesin RISC memerlukan memori yang lebih besar untuk mengakomodasi program yang lebih besar.
IBM 801 adalah prosesor komersial pertama yang menggunakan pendekatan RISC.
Lebih lanjut untuk memahami RISC, diawali dengan tinjauan singkat tentang karakteristik eksekusi instruksi.
Aspek komputasi yang ditinjau dalam merancang mesin RISC adalah sbb.: -* Operasi-operasi yang dilakukan:
Hal ini menentukan fungsi-fungsi yang akan dilakukan oleh CPU dan interaksinya dengan memori.
-* Operand-operand yang digunakan:
Jenis-jenis operand dan frekuensi pemakaiannya akan menentukan organisasi memori untuk menyimpannya dan mode pengalamatan untuk mengaksesnya.
-* Pengurutan eksekusi:
Hal ini akan menentukan kontrol dan organisasi pipeline.
Tabel 4.1 Karakteristik dari beberapa Prosesor CISC, RISC, dan Superskalar
Karakteritik CISC RISC Superskalar
IBM
370/168 VAX
11/78
0 Intel
8048
6 Motorola
88000 MIPS
R4000 IBM
RS/Syste
m 6000 Intel
8096
0
Tahun dibuat 1973 1978 798
9 1988 7991 1990 198
9
Jumlah instruksi 208 303 235 51 94 184 62
Instruksi (Bytes) 2-6 2-57 1-11 4 32 4 4,8
Mode Pengalamatan 4 22 11 3 1 2 11
Jumlah register general-purpose 16 16 8 32 32 32 23-
256
Ukuran memori kontrol (Kbits) 420 480 246 - - - -
Ukuran Cache (Kbytes) 64 64 8 16 128 32-64 0,5
Operasi dengan High Level Language (HLL)
Hasil-hasil penelitian yang dilakukan untuk menganalisis tingkah laku program-program HLL menunjukkan:
-* Assignment Statement sangat menonjol diikuti statement bersyarat (IF, LOOP) lihat tabel dibawah ini.
Hasil-hasil penelitian ini merupakan hal yang sangat penting bagi perancangan set instruksi mesin.
Tabel 4.2 Frekuensi Dinamik Relatif Berbobot dari Operasi-operasi HLL
Kejadian Dinamik Instruksi-Mesin
Berbobot Referensi Memori
Berbobot
Pascal C Pascal C Pascal C
ASSIGN 45 38 13 13 14 15
LOOP 5 3 42 32 33 26
CALL 15 12 31 33 44 45
IF 29 43 11 21 7 13
GOTO - 3 - - - -
OTHER 6 1 3 1 2 1
Kolom 2 dan 3 memberikan ukuran pengganti bagi waktu aktual yang diperlukan untuk mengeksekusi bagi bermacam-macam statements.
Eksekusi Instruksi
Waktu eksekusi dapat dirumuskan sbb.:
Waktu eksekusi = N x S x T
Dengan
N adalah jumlah perintah
S adalah jumlah rata-rata langkah per perintah
T adalah waktu yang diperlukan untuk melaksanakan satu langkah
Kecepatan eksekusi dapat ditingkatkan dengan menurunkan nilai dari ketiga varisbel di atas.
Arsitektur CISC berusaha menurunkan nilai N, sedangkan
Arsitektur RISC berusaha menurunkan nilai S dan T.
o Proses pipeline dapat digunakan untuk membuat nilai efektif S mendekati 1 (satu) artinya komputer menyelesaikan satu perintah dalam satu siklus waktu CPU.
o Nilai T dapat diturunkan dengan merancang perintah yang sederhana.
Operand
-* Penelitian yang dilakukan Patterson terhadap frekuensi dinamik terjadinya kelas-kelas variabel dalam program pascal dan C menunjukkan bahwa mayoritas referensi menuju ke variable-variable skalar.
-* Lebih dari 80% skalar bersifat variabel lokal.
-* Penelitian tersebut menyatakan bahwa jenis arsitektur berpengaruh pada kecepatan pengaksesan operand.
Tabel 4.3 Persentase Dinamik Operand-operand
Pascal C Rata-rata
Konstanta Integer 16 23 20
Variabel Skalar 58 53 55
Array/Struktur 26 24 25
Procedure Calls
-* Prosedur call dan return merupakan aspek yang penting dalam program- program HLL.
-* Tabel 4.2 menunjukkan bahwa prosedur call dan return merupakan operasi yang paling banyak membutuhkan waktu dalam program- program yang dikompilasi.
-* Dua aspek yang lain adalah jumlah parameter dan variabel yang berkaitan dengan prosedur, dan kedalaman pensarangan (nesting).
Implikasi
•• Hasil-hasil penelitian secara umum dapat dinyatakan bahwa terdapat tiga buah elemen yang menentukan karakter arsitektur RISC.
~ Pertama, penggunaan register dalam jumlah yang besar. Hal ini
dimaksudkan untuk mengoptimalkan pereferensian operand.
• Kedua, diperlukan perhatian bagi perancangan pipeline instruksi. Karena tingginya proporsi instruksi pencabangan bersyarat dan prosedur call, pipeline instruksi yang bersifat langsung dan ringkas akan menjadi tidak efisien.
• Ketiga, terdapat set instruksi yang disederhanakan (dikurangi).
•. Keinginan untuk mengimplementasikan keseluruhan CPU dalam keping tunggal akan merupakan solusi Reduced Instruction Set.
Penggunaan File Register Besar
+ Terdapat statement assignment yang jumlahnya banyak dalam program- program HLL, dan banyak diantaranya berupa statement assignment sederhana seperti A = B.
+ Di samping itu, terdapat pula akses operand per statement HLL dalam jumlah yang cukup besar.
•• Apabila kita menghubungkan kedua di atas dengan kenyataan bahwa sebagian besar akses adalah menuju ke skalar-skalar lokal, maka sangat mungkin kita memerlukan penyimpanan register yang besar.
+ Alasan diperlukannya penyimpanan register adalah register merupakan perangkat penyimpanan yang paling cepat, yang lebih cepat dibandingkan dengan memori utama dan memori cache.
•. Dimungkinkan untuk menerapkan dua buah pendekatan dasar, yaitu berdasarkan perangkat lunak dan perangkat keras.
• Pendekatan perangkat lunak mengandalkan kompiler untuk memaksimalkan pemakaian register. Pendakatan ini membutuhkan algoritma analisis program yang canggih.
• Pendekatan perangkat keras dilakukan hanya dengan memperbanyak jumlah register sehingga akan lebih banyak variabel yang dapat ditampung di dalam register dalam periode waktu yang lebih lama.
Register Windows
•• Jendela register dibagi menjadi tiga buah daerah yang berukuran tetap. Register-register parameter
menampung parameter-parameter yang dilewatkan dari prosedur. Register-register lokal
Digunakan untuk variable lokal, setelah di-assign oleh kompiler.
Register-register tenporer
Digunakan untuk pertukaran parameter.
+ Overlap ini memungkinkan parameter-parameter dapat dilewatkan tanpa perpindahan aktual data.
Variabel-variabel Global
•• Teknik Register Windows memberikan organisasi yang efisien untuk penyimpanan variable skalar lokal di dalam register.
•• Akan tetapi teknik ini tidak dapat memenuhi kebutuhan penyimpanan variabel global, yang diakses oleh lebih dari sebuah prosedur (misalnya, variabel COMMON dalam FORTRAN).
•• Terdapat dua pilihan untuk memenuhi hal tersebut.
Pertama,
Variabel-variabel yang dideklarasikan sebagai global pada HLL dapat disediakan lokasi-lokasi oleh kompiler. Namun, bagi yang sering mengakses variabel-variabel global, teknik tersebut tidaklah efisien.
Alternatifnya adalah melibatkan kumpulan register global di dalam CPU. Register-register ini harus memiliki jumlah yang tetap dan dapat dipakai oleh semua prosedur.
Mengapa CISC?
~ Jumlah instruksi yang banyak dan instruksi yang lebih kompleks.
~ Dua alasan utama yang menjadi motivasi kecenderungan ini : adanya
keinginan untuk menyederhanakan kompiler dan keinginan untuk
meningkatkan kinerj a.
~ Alasan penting lainnya adalah harapan bahwa CISC akan menghasilkan program yang lebih kecil dan lebih cepat.
Karakteristik CISC versus RISC
> Rancangan RISC dapat memperoleh keuntungan dengan mengambil sejumlah feature CISC dan Rancangan CISC dapat memperoleh keuntungan dengan mengambil sejumlah feature RISC.
~ Hasilnya adalah bahwa sejumlah rancangan RISC yang terbaru, yang dikenal sebagai PowerPC, tidak lagi “murni” RISC dan rancangan CISC
yang terbaru, yang dikenal sebagai Pentium, memiliki beberapa karakteristik RISC.
Ciri-ciri RISC:
> Instruksi berukuran tunggal
~ Ukuran yang umum adalah 4 byte.
~ Jumlah mode pengalamatan data yang sedikit, biasanya kurang dari lima buah.
~ Tidak terdapat pengalamatan tak langsung.
~ Tidak terdapat operasi yang menggabungkan operasi load/store dengan operasi aritmetika (misalnya, penambahan dari memori, penambahan ke memori).
Soal Pendalaman Materi
1. Lamanya waktu eksekusi instruksi ditentukan oleh tiga faktor, sebutkan ketiga faktor tersebut. Faktor manakah yang menjadi perhatian pada rancangan arsitektur RISC dan faktor manakah yang mendapat perhatian pada rancangan arsitektur CISC?
2. Ditinjau dari jenis set instruksinya, ada dua jenis arsitektur komputer yaitu : Complex Instruction Set Computer (CISC) dan Reduced Instruction Set Computer (RISC). Jelaskan ciri-ciri kedua jenis arsitektur komputer.
3. Jelaskan apa alasan penting seseorang merancang arsitektur komputer dengan model CISC.
4. Jelaskan mengapa konsep arsitektur RISC banyak menerapkan proses eksekusi pipeline.
Beberapa elemen penting pada arsitektur RISC :
•• Set instruksi yang terbatas dan sederhana
•. Register general-purpose yang berjumlah banyak, atau penggunaan teknologi kompiler untuk mengoptimalkan pemakaian registernya. •• Penekanan pada pengoptimalan pipeline instruksi.
Ditinjau dari jenis set instruksinya, ada 2 jenis arsitektur komputer, yaitu:
1. Arsitektur komputer dengan kumpulan perintah yang rumit (Complex Instruction Set Computer = CISC)
2. Arsitektur komputer dengan kumpulan perintah yang sederhana (Reduced Instruction Set Computer = RISC)
•. CISC dimaksudkan untuk meminimumkan jumlah perintah yang diperlukan untuk mengerjakan pekerjaan yang diberikan. (Jumlah perintah sedikit tetapi rumit)
Konsep CISC menjadikan mesin mudah untuk diprogram dalam bahasa rakitan, tetapi konsep ini menyulitkan dalam penyusunan kompiler bahasa pemrograman tingkat tinggi.
Dalam CISC banyak terdapat perintah bahasa mesin.
•. RISC menyederhanakan rumusan perintah sehingga lebih efisien dalam penyusunan kompiler yang pada akhirnya dapat memaksimumkan kinerja program yang ditulis dalam bahasa tingkat tinggi.
Konsep arsitektur RISC banyak menerapkan proses eksekusi pipeline. Meskipun jumlah perintah tunggal yang diperlukan untuk melakukan pekerjaan yang diberikan mungkin lebih besar, eksekusi secara pipeline memerlukan waktu yang lebih singkat daripada waktu untuk melakukan pekerjaan yang sama dengan menggunakan perintah yang lebih rumit. Mesin RISC memerlukan memori yang lebih besar untuk mengakomodasi program yang lebih besar.
IBM 801 adalah prosesor komersial pertama yang menggunakan pendekatan RISC.
Lebih lanjut untuk memahami RISC, diawali dengan tinjauan singkat tentang karakteristik eksekusi instruksi.
Aspek komputasi yang ditinjau dalam merancang mesin RISC adalah sbb.: -* Operasi-operasi yang dilakukan:
Hal ini menentukan fungsi-fungsi yang akan dilakukan oleh CPU dan interaksinya dengan memori.
-* Operand-operand yang digunakan:
Jenis-jenis operand dan frekuensi pemakaiannya akan menentukan organisasi memori untuk menyimpannya dan mode pengalamatan untuk mengaksesnya.
-* Pengurutan eksekusi:
Hal ini akan menentukan kontrol dan organisasi pipeline.
Tabel 4.1 Karakteristik dari beberapa Prosesor CISC, RISC, dan Superskalar
Karakteritik CISC RISC Superskalar
IBM
370/168 VAX
11/78
0 Intel
8048
6 Motorola
88000 MIPS
R4000 IBM
RS/Syste
m 6000 Intel
8096
0
Tahun dibuat 1973 1978 798
9 1988 7991 1990 198
9
Jumlah instruksi 208 303 235 51 94 184 62
Instruksi (Bytes) 2-6 2-57 1-11 4 32 4 4,8
Mode Pengalamatan 4 22 11 3 1 2 11
Jumlah register general-purpose 16 16 8 32 32 32 23-
256
Ukuran memori kontrol (Kbits) 420 480 246 - - - -
Ukuran Cache (Kbytes) 64 64 8 16 128 32-64 0,5
Operasi dengan High Level Language (HLL)
Hasil-hasil penelitian yang dilakukan untuk menganalisis tingkah laku program-program HLL menunjukkan:
-* Assignment Statement sangat menonjol diikuti statement bersyarat (IF, LOOP) lihat tabel dibawah ini.
Hasil-hasil penelitian ini merupakan hal yang sangat penting bagi perancangan set instruksi mesin.
Tabel 4.2 Frekuensi Dinamik Relatif Berbobot dari Operasi-operasi HLL
Kejadian Dinamik Instruksi-Mesin
Berbobot Referensi Memori
Berbobot
Pascal C Pascal C Pascal C
ASSIGN 45 38 13 13 14 15
LOOP 5 3 42 32 33 26
CALL 15 12 31 33 44 45
IF 29 43 11 21 7 13
GOTO - 3 - - - -
OTHER 6 1 3 1 2 1
Kolom 2 dan 3 memberikan ukuran pengganti bagi waktu aktual yang diperlukan untuk mengeksekusi bagi bermacam-macam statements.
Eksekusi Instruksi
Waktu eksekusi dapat dirumuskan sbb.:
Waktu eksekusi = N x S x T
Dengan
N adalah jumlah perintah
S adalah jumlah rata-rata langkah per perintah
T adalah waktu yang diperlukan untuk melaksanakan satu langkah
Kecepatan eksekusi dapat ditingkatkan dengan menurunkan nilai dari ketiga varisbel di atas.
Arsitektur CISC berusaha menurunkan nilai N, sedangkan
Arsitektur RISC berusaha menurunkan nilai S dan T.
o Proses pipeline dapat digunakan untuk membuat nilai efektif S mendekati 1 (satu) artinya komputer menyelesaikan satu perintah dalam satu siklus waktu CPU.
o Nilai T dapat diturunkan dengan merancang perintah yang sederhana.
Operand
-* Penelitian yang dilakukan Patterson terhadap frekuensi dinamik terjadinya kelas-kelas variabel dalam program pascal dan C menunjukkan bahwa mayoritas referensi menuju ke variable-variable skalar.
-* Lebih dari 80% skalar bersifat variabel lokal.
-* Penelitian tersebut menyatakan bahwa jenis arsitektur berpengaruh pada kecepatan pengaksesan operand.
Tabel 4.3 Persentase Dinamik Operand-operand
Pascal C Rata-rata
Konstanta Integer 16 23 20
Variabel Skalar 58 53 55
Array/Struktur 26 24 25
Procedure Calls
-* Prosedur call dan return merupakan aspek yang penting dalam program- program HLL.
-* Tabel 4.2 menunjukkan bahwa prosedur call dan return merupakan operasi yang paling banyak membutuhkan waktu dalam program- program yang dikompilasi.
-* Dua aspek yang lain adalah jumlah parameter dan variabel yang berkaitan dengan prosedur, dan kedalaman pensarangan (nesting).
Implikasi
•• Hasil-hasil penelitian secara umum dapat dinyatakan bahwa terdapat tiga buah elemen yang menentukan karakter arsitektur RISC.
~ Pertama, penggunaan register dalam jumlah yang besar. Hal ini
dimaksudkan untuk mengoptimalkan pereferensian operand.
• Kedua, diperlukan perhatian bagi perancangan pipeline instruksi. Karena tingginya proporsi instruksi pencabangan bersyarat dan prosedur call, pipeline instruksi yang bersifat langsung dan ringkas akan menjadi tidak efisien.
• Ketiga, terdapat set instruksi yang disederhanakan (dikurangi).
•. Keinginan untuk mengimplementasikan keseluruhan CPU dalam keping tunggal akan merupakan solusi Reduced Instruction Set.
Penggunaan File Register Besar
+ Terdapat statement assignment yang jumlahnya banyak dalam program- program HLL, dan banyak diantaranya berupa statement assignment sederhana seperti A = B.
+ Di samping itu, terdapat pula akses operand per statement HLL dalam jumlah yang cukup besar.
•• Apabila kita menghubungkan kedua di atas dengan kenyataan bahwa sebagian besar akses adalah menuju ke skalar-skalar lokal, maka sangat mungkin kita memerlukan penyimpanan register yang besar.
+ Alasan diperlukannya penyimpanan register adalah register merupakan perangkat penyimpanan yang paling cepat, yang lebih cepat dibandingkan dengan memori utama dan memori cache.
•. Dimungkinkan untuk menerapkan dua buah pendekatan dasar, yaitu berdasarkan perangkat lunak dan perangkat keras.
• Pendekatan perangkat lunak mengandalkan kompiler untuk memaksimalkan pemakaian register. Pendakatan ini membutuhkan algoritma analisis program yang canggih.
• Pendekatan perangkat keras dilakukan hanya dengan memperbanyak jumlah register sehingga akan lebih banyak variabel yang dapat ditampung di dalam register dalam periode waktu yang lebih lama.
Register Windows
•• Jendela register dibagi menjadi tiga buah daerah yang berukuran tetap. Register-register parameter
menampung parameter-parameter yang dilewatkan dari prosedur. Register-register lokal
Digunakan untuk variable lokal, setelah di-assign oleh kompiler.
Register-register tenporer
Digunakan untuk pertukaran parameter.
+ Overlap ini memungkinkan parameter-parameter dapat dilewatkan tanpa perpindahan aktual data.
Variabel-variabel Global
•• Teknik Register Windows memberikan organisasi yang efisien untuk penyimpanan variable skalar lokal di dalam register.
•• Akan tetapi teknik ini tidak dapat memenuhi kebutuhan penyimpanan variabel global, yang diakses oleh lebih dari sebuah prosedur (misalnya, variabel COMMON dalam FORTRAN).
•• Terdapat dua pilihan untuk memenuhi hal tersebut.
Pertama,
Variabel-variabel yang dideklarasikan sebagai global pada HLL dapat disediakan lokasi-lokasi oleh kompiler. Namun, bagi yang sering mengakses variabel-variabel global, teknik tersebut tidaklah efisien.
Alternatifnya adalah melibatkan kumpulan register global di dalam CPU. Register-register ini harus memiliki jumlah yang tetap dan dapat dipakai oleh semua prosedur.
Mengapa CISC?
~ Jumlah instruksi yang banyak dan instruksi yang lebih kompleks.
~ Dua alasan utama yang menjadi motivasi kecenderungan ini : adanya
keinginan untuk menyederhanakan kompiler dan keinginan untuk
meningkatkan kinerj a.
~ Alasan penting lainnya adalah harapan bahwa CISC akan menghasilkan program yang lebih kecil dan lebih cepat.
Karakteristik CISC versus RISC
> Rancangan RISC dapat memperoleh keuntungan dengan mengambil sejumlah feature CISC dan Rancangan CISC dapat memperoleh keuntungan dengan mengambil sejumlah feature RISC.
~ Hasilnya adalah bahwa sejumlah rancangan RISC yang terbaru, yang dikenal sebagai PowerPC, tidak lagi “murni” RISC dan rancangan CISC
yang terbaru, yang dikenal sebagai Pentium, memiliki beberapa karakteristik RISC.
Ciri-ciri RISC:
> Instruksi berukuran tunggal
~ Ukuran yang umum adalah 4 byte.
~ Jumlah mode pengalamatan data yang sedikit, biasanya kurang dari lima buah.
~ Tidak terdapat pengalamatan tak langsung.
~ Tidak terdapat operasi yang menggabungkan operasi load/store dengan operasi aritmetika (misalnya, penambahan dari memori, penambahan ke memori).
Soal Pendalaman Materi
1. Lamanya waktu eksekusi instruksi ditentukan oleh tiga faktor, sebutkan ketiga faktor tersebut. Faktor manakah yang menjadi perhatian pada rancangan arsitektur RISC dan faktor manakah yang mendapat perhatian pada rancangan arsitektur CISC?
2. Ditinjau dari jenis set instruksinya, ada dua jenis arsitektur komputer yaitu : Complex Instruction Set Computer (CISC) dan Reduced Instruction Set Computer (RISC). Jelaskan ciri-ciri kedua jenis arsitektur komputer.
3. Jelaskan apa alasan penting seseorang merancang arsitektur komputer dengan model CISC.
4. Jelaskan mengapa konsep arsitektur RISC banyak menerapkan proses eksekusi pipeline.
Risc vs cisc 1
Komputer RS/6000
1.1. Konsep Arsitektur CISC dan RISC
Unjuk kerja suatu komputer adalah hal yang sangat penting. Dalam perkembangannya unjuk kerja selalu ditingkatkan baik dari sisi kecepatan proses maupun sisi ekonomisnya. Kecepatan komputer tergantung banyak hal, salah satunya adalah set instruksi yang digunakan. Terdapat dua konsep set instruksi di dalam komputer yakni CISC (Complex Instruction Set Computer) dan RISC (Reduce Instruction Set Computer).
CISC adalah rancangan tradisional dari set instruksi yang cukup besar dan tinggi fungsinya (lebih dari 200 instruksi). Instruksi ini memerlukan beberapa siklus untuk menyelesaikannya. Keperluan akan instruksi yang komplek ini karena pada waktu itu komputer dilengkapi dengan sejumlah kecil memori berkecepatan rendah. Instruksi yang komplek menjadikan suatu program lebih sedikit instruksinya dan lebih sedikit data diambil dari memori. Seiring dengan perkembangan teknologi semikonduktor yang mengurangi perbedaan kecepatan antara memori dan prosessor, serta penggunaan bahasa pemrogramman tingkat tinggi menggantikan bahasa assembler, kelebihan akan CISC menurun.
Konsep RISC didefinisikan pertama kali oleh IBM Fellow John Cocke pada tahun 1974. Menurut definisi ini RISC memiliki beberapa karakteristik dasar :
• Arsitektur sederhana dengan set instruksi mesin yang dioptimalkan
Set instruksi hanay berisikan operasi dasar ( kurang dari 100 instruksi dan
panjangnya tetap) untuk mengurangi kompleksitas dari penter-jemah instruksi
(instruction decoder). Sehingga CPU dapat meng-eksekusinya dengan
kecepatan maksimum dan lebih efisien. Perang-kat lunak membuat operasi
komplek dengan mengkombinasikan beberapa instruksi mesin sederhana.
· Kecepatan eksekusi instruksi yang tinggi
Tujuan dari arsitektur RISC adalah untuk dapat dieksekusi dengan cepat.
· Optimalisasi penggunaan kompilasi
Unjuk kerja arsitektur RISC sangat tergantung pada optimalisasi kompilator. Untuk itu kompilator harus dapat mengeksplorasi arsitektur hardware dengan menyusun urutan instruksi yang dapat mengambil kelebihan dari kemampuan dan unjuk kerja processor.
· Arsitektur load/store
Dalam arsitektur RISK akses memori dipisahkan dari manipulasi data sehingga CPU tidak terhambat oleh kelambatan memori. Data di muatkan (prefetched) pada register dan instruksi hanya bekerja dengan register.
Sebagai perbandingan, CISC mencoba untuk mengurangi jumlah instruksi
pada program sedangkan RISC mencoba mengurangi siklus instruksi.
1.2. Arsitektur IBM RS/6000
Pada Februari 1990 IBM memperkenalkan RISC System/6000 yang pertama dengan arsitektur Performance Optimization With Enhanced RISC (POWER). Tahun 1991, IBM bekerja sama dengan aliansi Apple dan Motorola mengembangkan hardware dan software berbasiskan RISC dan menggunakan mikroprosessor PowerPC.
. Arsitektur Power berdasarkan 7 atau 9 chips tergantung RS/6000 Model.
Kompleksitas 7 chips memiliki 32 KB data cache sedangkan 9 chips memiliki 64 KB data cache. Power RS/6000 dirancang berdasarkan 3 unit fungsi yang tidak saling bergantung :
- Branch Prosessor Unit (BPU), unit ini memprosess masuknya deretan instruksi dari cache instruksi dan melewatkan aliran instruksi ke unit FXU/FPU. Unit ini menyediakan percabangan, interupsi dan fungsi pengkondisi kode di dalam sistem. Unit ini juga mendukung instruksi supervisro call (SVC) yang merupakan interupsi software dan mengandung 6 register khusus.
- Fixed–Point Processor Unit (FXU), unit ini dirancang untuk mengeksekusi keseluruhan 79 instruksi aritmatika fixed-point dan instruksi logika dan 55
instruksi acuan data. Unit ini memiliki sebanyak 32 general-purpose register selebar 32 bit dan 5 register khusus.
- Floating-Point Processor Unit (FPU), unit ini mendukung eksekusi keseluruhan 21 insturksi floating-point, memiliki 32 register floating-point selebar 64 bit, status foating –point dan register kendali (control register)
Arsitektur virtual menyediakan alamat virtual sepanjang 52 bit atau 4PB ( 252) dan 4 GB ( 232) alamat fisik (real address) dari 4 KB halaman (pages). Arsitektur ini berisikan 8 KB cache instruksi yang dapat ditingkatkan sampai 32 KB. POWER menerapkan arsitektur cache untuk intruksi dan data yang nyata (visible) bagi software sehingga meningkatkan kesetaraan antara BPU dan FXU sebagaimana halnya antara perangkat I/O dan unit ini. Data cache unit (DCU)
selebar 64 KB yang dipisahkan dalam 4 chips identik. Ini memisahkan interface 4 bytes untuk FXU, 8 bytes untuk FPU dan 8 bytes untuk unit kendali I/O.
System Bus untuk RS/6000 ada dua jenis yakni MCA (Micro Channel Arsitektur) biasanya tersedia 8 slot mampu mendukung kecepatan transfer data 20 – 30 MB/s atau PCI (Peripheral Inter Connect) tersedia 9 sampai 22 slot dengan kecepatan transfer data sampai 400 MB/s
Arsitektur ini mendefinisikan 184 set instruksi dan mengijinkan eksekusi beragam untuk fixed-point, folating-point dan brach processing yang difokuskan pada siklus reduced-instruction-set. Salah satu instruksi penting adalah instruksi floating-point multiply-add (FMA). I nstruksi ini berisikan melakukan perkalian terhadap dua register dan menambahkan register ke-tiga sebagai hasil sementara dengan total waktu hanya dua siklus.
System RS/6000 dibangun menggunakan prosessor seri RSC (RISC Single Chip), POWER2 Multichip, POWER2 Super Chip dan generasi PowerPC seri 601,603,603e,604,604e, dan 62. Processor ini merupakan prosessor berkinerja tinggi, menerapkan superskalar dan mengijinkan optimalisasi kompilator untuk merencanakan instruksi, guna memaksimalkan kinerja melalui penggunaan yang efisien terhadap set instruksi dan model register.
Langganan:
Komentar (Atom)