CPU

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.

Komponen 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.

Sumber            :  http://id.wikipedia.org/wiki/Unit_Pemroses_Sentral#Komponen_CPU

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)

               | load | reg address| | Load | reg | alamat

Alamat address = Efektif seperti yang diberikan dalam instruksi

Hal ini membutuhkan ruang dalam sebuah instruksi untuk cukup alamat yang besar. Hal ini sering tersedia di mesin CISC yang memiliki panjang instruksi variabel, seperti x86. Beberapa mesin RISC memiliki Literal khusus Atas instruksi Load yang menempatkan sebuah 16-bit konstan di atas setengah dari register. Sebuah literal instruksi ATAU dapat digunakan untuk menyisipkan 16-bit konstan di bagian bawah mendaftar itu, sehingga alamat 32-bit kemudian dapat digunakan melalui mode pengalamatan tidak langsung mendaftar, yang itu sendiri disediakan sebagai "base- plus-offset "dengan offset 0.

Syntax	Effectif adress
Loc	EA=Loc
Add,R1	R1←[R1]+[100]

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

Syntax	Effectif adress
#value	Operand=value
Add #10,R1	R1←[R1]+10

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

Syntax	Effectif adress
(Ri)	EA=[Ri]
Add,(R1),R1	R1←[R1]+[[R1]]

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 referensiatau menangani lebih 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.

Syntax Effectif adress

Syntax	Effectif adress
Ri	EA=Loc
Add,R2,R1	R1←[R1]+[R2]

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

Syntax	Effectif adress
X(R2)	EA=[R2]+X
Add 10(R2),R1	R1←[R1]+[[R2]+10]

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

Syntax	Effectif adress
R1,R2	EA=[R1]+[R2]
Add(R1,R2),R3	R3←[R3]+[[R1+[R2]]

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 registerpengalamatan 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).

Syntax	Effectif adress
X(R2)	EA=+[R1]+[R2]+X
Add,10(R1,R2),R3	R3←[[R3]+][R1]+[R2]]+10}

9. Relatif

            Pengalamatan Relative, 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

Syntax	Effectif adress
Ri	EA=Ri
Add R2,R1	R1←[R1]+[R2]

 

Sumber   :  http://thoyaan.blogspot.com/2012/11/metode-pengalamatan.html

Set Intruksi

Set Instruksi didefinisikan sebagai suatu aspek dalam arsitektur komputer yang dapat dilihat oleh para pemrogram. Secara, 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

A. Elemen Instruksi Mesin

Untuk dapat dieksekusi CPU, suatu instruksi harus berisi elemen informasi yang diperlukan CPU secara lengkap dan jelas.

Elemen – elemennya:

1.       Operation Code (Opcode)
menspesifikasikan operasi yang akan dilakukan. Kode operasi berbentuk kode biner.

2.      Source Operand Reference
operasi dapat berasal dari lebih satu sumber. Operand adalah input instruksi.

3.      Result Operand Reference
Merupakan hasil atau keluaran operasi.

4.      Next Instruction Reference
elemen ini menginformasikan CPU posisi instruksi berikutnya yang harus diambil dan dieksekus.

B. OPERASI-OPERASI SET INSTRUKSI

A.    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 bgian paling atas sumber

B.     Operasi set instruksi untuk arithmetic :
• ADD             : penjumlahan
• SUBTRACT : pengurangan
• MULTIPLY : perkalian
• DIVIDE       : pembagian
• ABSOLUTE
• NEGATIVE
• DECREMENT
• INCREMENT
Urutan 5 sampai 8 merupakan instruksi operand tunggal.

C.     Operasi set instruksi untuk operasi logical :
• AND, OR, NOT, EXOR
• COMPARE  : melakukan perbandingan logika.
• 3TEST          : menguji kondisi tertentu.
• SHIFT          : operand menggeser ke kiri atau kanan menyebabkan konstanta pada  ujung bit.
• ROTATE      : operand menggeser ke kiri atau ke kanan dengan ujung yang terjalin.

D.    Operasi set instruksi untuk conversi :
• TRANSLATE : menterjemahkan nilai-nilai dalam suatu bagian memori berdasrkan tabel korespodensi.
• CONVERT     : mengkonversi isi suatu word dari suatu bentuk ke bentuk lainnya.

E.     Operasi set instruksi Input / Ouput :
• INPUT          : memindahkan data dari pernagkat I/O tertentu ke tujuan
• OUTPUT      : memindahkan data dari sumber tertentu ke perangkat I/O
• START I/O   : memindahkan instruksi ke prosesor I/O untuk mengawali operasi I/O
• TEST I/O      : memindahkan informasi dari sistem I/O ke tujuan

F.      Operasi set instruksi untuk transfer control :
• JUMP (cabang)         : pemindahan tidak bersyarat dan memuat PC dengan alamat tertentu.
• JUMP BERSYARAT : menguji persyaratan tertentu dan memuat PC dengan alamat tertentu atau tidak melakukan apa tergantung dari persyaratan.
• JUMP SUBRUTIN  : melompat ke alamat tertentu.
• RETURN                 : mengganti isi PC dan register lainnya yang berasal dari lokasi tertentu.
• EXECUTE               : mengambil operand dari lokasi tertentu dan mengeksekusi sebagai instruksi.
• SKIP                         : menambah PC sehingga melompati instruksi berikutnya.
• SKIP BERSYARAT : melompat atau tidak melakukan apa-apa berdasarkan pada persyaratan.
• HALT                       : menghentikan eksekusi program.
• WAIT (HOLD)        : melanjutkan eksekusi pada saat persyaratan dipenuhi.
• NO OPERATION   : tidak ada operasi yang dilakukan.

G.    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.

Sumber            :  http://rachmade.wordpress.com/2011/11/27/set-instruksi/