Arsitektur Set Instruksi, Desain Set Instruksi dan Teknik Pengalamatan

Arsitektur Set Intruksi

Set instruksi didefinisikan sebagai suatu aspek dalam arsitektur computer yang dapat dilihat oleh para pemrogram.
Dua bagian utama arsitektur komputer:

1. Instruction set architecture (ISA) / arsitektur set instruksi

ISA meliputi spesifikasi yang menentukan bagaimana programmer bahasa mesin akan berinteraksi oleh computer. ISA menentukan sifat komputasional computer.

2. Hardware system architecture (HSA) / arsitektur system hardware

HAS berkaitan dengan subsistem hardware utama computer (CPU, system memori dan IO). HSA mencakup desain logis dan organisasi arus data dari subsistem.

Jenis Intruksi

• Data processing/pengoahan data : instruksi aritmetika dan logika.
• Data storage/penyimpanan data : instruksi-instruksi memori.
• Data movement/perpindahan data : instruksi I/O.
• Control/control : instruksi pemeriksaan dan percabangan.

Instruksi aritmetika memiliki kemampuan untuk mengolah data numeric. Sedangkan instruksi logika beroperasi pada bit-bit word sebagai bit, bukan sebagai bilangan. Operasi-operasi tersebut dilakukan teutama untuk data di register CPU.
Instruksi-instruksi memori diperlukan untuk memindah data yang terdapat di memori dan register.
Instruksi-instruksi I/O diperlukan untuk memindahkan program dan data kedalam memori dan mengembalikan hasil komputasi kepada pengguna.

Desain set Instruksi

Desain set instruksi merupakan masalah yang sangatkomplek 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 :

a. Operation Repertoire

    Berapa banyak dan opera siapa saja yang disediakan, dan berapa sulit operasinya

b. Data Types

    Tipe/jenis data yang dapat olah

c. Instruction Format

   Panjangnya, banyaknya alamat,dsb.

d. Register

    Banyaknya register yang dapat digunakan

e. Addressing
    Mode pengalamatan untuk operand

Teknik Pengalamatan

1. Immediate Addressing
2. Direct Addressing
3. Indirect Addressing
4. Register addressing
5. Register indirect addressing
6. Displacement addressing
7. Stack addressing

A. Immediate Addressing (Pengalamatan Segera)

Adalah bentuk pengalamatan yang paling sederhana.

Penjelasan :

• Operand benar-benar ada dalam instruksi atau bagian dari intsruksi
• Operand sama dengan field alamat
• Umumnya bilangan akan disimpan dalam bentuk complement dua
• Bit paling kiri sebagai bit tanda
• Ketika operand dimuatkan ke dalam register data, bit tanda digeser ke kiri hingga maksimum word data

Keuntungan :

• Tidak adanya referensi memori selain dari instruksi yang diperlukan untuk memperoleh operand
• Menghemat siklus instruksi sehingga proses keseluruhanakan akan cepat

Kekurangan :

• Ukuran bilangan dibatasi oleh ukuran field

Contoh :

ADD 7 ; tambahkan 7 pada akumulator

B. Direct Addressing (Pengalamatan Langsung)

Penjelasan :

• Teknik ini banyak digunakan pada komputer lama dan komputer kecil
• Hanya memerlukan sebuah referensi memori dan tidak memerlukan kalkulus khusus

Kelebihan :

• Field alamat berisi efektif address sebuah operand

Kekurangan :

• Keterbatasan field alamat karena panjang field alamat biasanya lebih kecil dibandingkan panjang word

Contoh :

ADD A ; tambahkan isi pada lokasi alamat A ke akumulator

C. Indirect Addressing (Pengalamatan tak langsung)

Penjelasan :

• Merupakan mode pengalamatan tak langsung
• Field alamat mengacu pada alamat word di alamat memori, yang pada gilirannya akan berisi alamat operand yang panjang

Kelebihan :

• Ruang bagi alamat menjadi besar sehingga semakin banyak alamat yang dapat referensi

Kekurangan :

• Diperlukan referensi memori ganda dalam satu fetch sehingga memperlambat proses operasi

Contoh :

ADD (A) ; tambahkan isi memori yang ditunjuk oleh isi alamat A ke akumulator

D. Register addressing (Pengalamatan Register)

Penjelasan :

• Metode pengalamatan register mirip dengan mode pengalamatan langsung
• Perbedaanya terletak pada field alamat yang mengacu pada register, bukan pada memori utama
• Field yang mereferensi register memiliki panjang 3 atau 4 bit, sehingga dapat mereferensi 8 atau 16 register general purpose

Keuntungan :

• Diperlukan field alamat berukuran kecil dalam instruksi dan tidak diperlukan referensi memori
• Akses ke register lebih cepat daripada akses ke memori, sehingga proses eksekusi akan lebih cepat

Kerugian :

• Ruang alamat menjadi terbatas

Contoh :

E. Register indirect addressing (Pengalamatan tak-langsung register)

Penjelasan :

• 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

Contoh :

F. Displacement addressing

Penjelasan :

• Menggabungkan kemampuan pengalamatan langsung dan pengalamatan register tidak langsung
• Mode ini mensyaratkan instruksi memiliki dua buah field alamat, sedikitnya sebuah field yang eksplisit
• Operand berada pada alamat A ditambahkan isi register
• Tiga model displacement
  • Relative addressing : 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
• Base register addressing : register yang direferensi berisi sebuah alamat memori dan field alamat berisi perpindahan dari alamat itu
  • Referensi register dapat eksplisit maupun implisit
  • Memanfaatkan konsep lokalitas memori
• Indexing  : 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-pprogram iteratif

Contoh :

Field eksplisit bernilai A dan field imlisit mengarah pada register

G. Stack addressing

Penjelasan :

• Stack adalah array lokasi yang linier = pushdown list = last-in-firs-out
• Stack merupakan blok lokasi yang terbaik
• Btir ditambahkan ke puncak stack sehingga setiap blok akan terisi secara parsial
• Yang berkaitan dengan stack adalah pointer yang nilainya merupakan alamat bagian paling atas stack
• Dua elemen teratas stack dapat berada di dalam register CPU, yang dalam hal ini stack pointer mereferensi ke elemen ketiga stack
• Stack pointer tetap berada dalam register
• Dengan demikian, referensi-referensi ke lokasi stack di dalam memori pada dasarnya merupakan pengalamatan register tidak langsung

Sumber :

• http://abdi-villa.blogspot.com/2012/10/arsitektur-set-instruksi-dan-cpu.html
• http://siezwoyouye.blogspot.com/2012/10/arsitektur-set-instruksi.html
• https://penawikara.wordpress.com/2013/05/31/mode-pengalamatan/