11 - RISC Pipelining-1 [PDF]

Citation preview

11



Kuliah 11



RISC & Pipelining Organisasi dan Arsitektur Komputer



Program Studi Teknik Informatika Fakultas Teknik Universitas Mataram



Apa yang dipelajari? • Konsep dasar CISC • Konsep dasar RISC • Konsep dasar Pipelining



2



Jenis Arsitektur CPU Ditinjau dari perancangan perangkat instruksinya (set instruksinya), terdapat dua jenis arsitektur prosesor, yaitu: 1. CISC (Complex Instruction Set Computer) – Arsitektur dengan kumpulan perintah yang rumit.



2. RISC (Reduced Instruction Set Computer) – Arsitektur dengan kumpulan perintah yang sederhana. 3



CISC • Jenis prosesor yang memiliki set instruksi yang kompleks. • CISC merupakan salah satu bentuk arsitektur yang menjalani beberapa instruksi dengan tingkat yang rendah. • Misalnya instruksi tingkat rendah tersebut adalah seperti pengambilan dari memori (load), operasi aritmatika, dan penyimpanan ke dalam memori (store) yang saling bekerja sama. • CISC dimaksudkan untuk meminimumkan jumlah perintah yang diperlukan untuk mengerjakan pekerjaan yang diberikan (Jumlah perintah sedikit tetapi rumit).



4



CISC • CISC memiliki instruksi yang kompleks dan berpengaruh pada kinerjanya yang lebih lambat. • Contoh prosesor yang menggunakan arsitektur CISC: – Intel x86, IBM Z-Series Mainframes, dan beberapa arsitektur CPU model terdahulu



• Karakteristik CISC : – – – –



Memiliki sedikit register serbaguna Memiliki mode pengalamatan yang banyak Memiliki instruksi yang kompleks Ukuran instruksi bervariasi



5



Keterbatasan Arsitektur CISC • Menjadikan mesin mudah untuk diprogram dalam bahasa rakitan, tetapi menyulitkan dalam penyusunan kompiler bahasa pemrograman tingkat tinggi (HLL). • Dalam CISC banyak terdapat perintah bahasa mesin. • Instruksi yang kompleks jarang digunakan oleh programmer dan compiler. • Semua operasi instruksinya berbasis pada Memory, sehingga proses load dan store menjadi lambat. 6



RISC • RISC lahir pada pertengahan 1980 • Dilatarbelakangi oleh CISC • Perbedaan mencolok dari kelahiran RISC ini adalah tidak ditemui pada dirinya instruksi assembly atau yang dikenal dengan bahasa mesin sedangkan itu banyak sekali dijumpai di CISC.



7



Alasan menggunakan RISC • RISC menyederhanakan rumusan perintah sehingga lebih efisien dalam penyusunan kompiler  dapat memaksimumkan kinerja program yang ditulis dalam bahasa tingkat tinggi (HLL). • RISC menerapkan proses eksekusi pipeline. – Eksekusi secara pipeline memerlukan waktu yang lebih singkat daripada waktu untuk melakukan pekerjaan yang sama dengan menggunakan perintah yang lebih rumit.



8



Fitur yang dimiliki RISC • Instruksinya sederhana • Ukuran instruksi tetap, format instruksinya tetap – Digunakan untuk proses pipelining, “ambil dan eksekusi” secara parallel • Mode pengalamatan terbatas – Untuk mengurangi kompleksitas dari rancangan hardware • Instruksinya berorientasi pada register – Mengurangi akses ke memori • Ukuran register yang besar – Mengurangi akses ke memori – Membuat pemanggilan procedure menjadi lebih efisien 9



Perbedaan CISC dan RISC • RISC  Instruksinya sederhana  Jumlah instruksi sedikit  Sedikit mengakses memori • CISC Lalu lintas instruksi dan data di dalam bus sangat padat Banyak mengakses memori dan meningkatkan kesalahan cache memory Hanya sedikit register yang tersedia 10



Karakteristik RISC 1. Siklus instruksi 2. Operasi pertukaran data 3. Mode pengalamatan 4. Format instruksi



11



Karakteristik RISC:



1. Siklus Instruksi RISC • Satu instruksi per siklus mesin. • Siklus mesin ditentukan oleh waktu yang digunakan untuk mengambil dua buah operand dari register, melakukan operasi ALU, dan menyimpan hasil operasinya ke dalam register. • RISC adalah rancangan prosesor yang sederhana, tetapi dalam kesederhanaan tersebut didapatkan kecepatan operasi tiap-tiap siklus instruksinya. 12



Karakteristik RISC: 2. Operasi Pertukaran Data RISC • Berbentuk pertukaran data dari register ke register. • Dengan mengoptimalkan penggunaan diharapkan siklus operasi semakin cepat.



register



– Ingat! Register adalah memori yang paling cepat dibandingkan cache maupun memori utama.



• Dengan penyederhanaan instruksi maka operasi unit kontrol juga akan sederhana dan cepat.



13



Karakteristik RISC: 3. Mode Pengalamatan RISC • Fitur rancangan ini juga dapat menyederhanakan set instruksi dan unit kontrol. • Dengan mode pengalamatan yang sederhana akan didapatkan operasi pengambilan data yang semakin cepat.



14



Karakteristik RISC: 4. Format Instruksi RISC • Digunakan sebuah format untuk menyederhanakan implementasi perangkat kerasnya. • Panjang instruksi tetap dan disamakan dengan panjang word yang digunakan. • Panjang field dibuat sama dan tetap. • Kelebihan  dengan menggunakan field yang tetap maka pengkodean opcode dan pengaksesan operand register dapat dilakukan secara bersamaan. • Format yang sederhana juga akan memudahkan unit kontrol. 15



Eksekusi Instruksi • Waktu eksekusi = N x S x T – 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 variabel di atas. • Arsitektur CISC berusaha menurunkan nilai N • Arsitektur RISC berusaha menurunkan nilai S dan T. • Proses pipeline dapat digunakan untuk membuat nilai efektif S mendekati 1 (satu) artinya komputer menyelesaikan satu perintah dalam satu siklus waktu CPU. • Nilai T dapat diturunkan dengan merancang perintah yang sederhana. 16



Kelebihan Rancangan RISC 1. Meningkatkan kinerja sistem CPU. 2. Optimalisasi dan peng-efektif-an komputer. 3. Dengan menggunakan instruksi yang sederhana terdapat kemungkinan untuk: – Melakukan reorganisasi kode untuk efisiensi – Memaksimalkan pemakaian register – Melakukan perhitungan bagian instruksi kompleks pada saat kompilasi – Memudahkan kerja unit kontrol – Memudahkan implementasi pipelining 17



Kelebihan Rancangan RISC 4. Implementasi Perangkat Keras – Kesederhanaan instruksi dan unit kontrol menghasilkan hardware sederhana. – Hardware sederhana dapat diletakkan dalam satu keping tunggal. – Hardware sederhana menghasilkan proses hardware dengan dimensi yang lebih kecil, konsumsi daya rendah dan lebih ekonomis.



18



Pipeline • Teknologi pipeline yang digunakan pada komputer bertujuan untuk meningkatkan kinerja dari komputer. • Pipeline adalah suatu cara yang digunakan untuk melakukan sejumlah kerja secara bersamaan, tetapi dalam tahap yang berbeda serta dialirkan secara kontinu pada unit pemrosesan (prosesor). • Dengan cara ini, maka prosesor akan selalu bekerja. 19



Konsep Dasar Pipeline • Laundry – A, B, C, D masing – masing memiliki satu kantong pakaian untuk dicuci, dikeringkan, dan disetrika



A



B



C



D



– Mencuci membutuhkan waktu 30 menit – Mengeringkan membutuhkan waktu 40 menit – Menyetrika membutuhkan waktu 20 menit 20



Konsep Dasar Pipeline 6 sore



7



8



9



11



10



Tengah Malam



Waktu 30 A



B



40



20 30



40



20 30



40



20 30 40 20  Secara berurutan 4 kantong laundry membutuhkan waktu 6 jam 



Jika menggunakan konsep pipelining, berapa waktu yang dibutuhkan?



C D 21



Konsep Dasar Pipeline 6 sore U r u t a n P r o s e s



7



8



9



10



11 Tengah Malam



Waktu 30



40



40



40



40 20



A 



B



4 kantong laundry dengan pipeline membutuhkan waktu 3.5 jam



C D 22



Konsep Dasar Pipelining



23



Perbedaan antara model microprocessor yang tidak menggunakan arsitektur Pipeline dengan microprocessor yang menerapkan teknik Pipeline • Microprocessor yang tidak menggunakan pipeline : – Satu instruksi dilakukan sampai selesai, baru instruksi berikutnya dapat dilaksanakan.



time



I-1



I-2



I-3 24



Perbedaan antara model microprocessor yang tidak menggunakan arsitektur Pipeline dengan microprocessor yang menerapkan teknik Pipeline • Microprocessor yang menggunakan teknik pipeline : – Ketika satu instruksi sedang diproses, maka instruksi yang berikutnya juga dapat diproses dalam satu waktu yang bersamaan. – Instruksi yang diproses secara bersamaan ini ada dalam tahap proses yang berbeda. – Ada sejumlah tahapan yang akan dilewati oleh sebuah instruksi.



25



Perbedaan antara model microprocessor yang tidak menggunakan arsitektur Pipeline dengan microprocessor yang menerapkan teknik Pipeline • Microprocessor yang menggunakan teknik pipeline



26



Penerapan Pipeline • Misalnya sebuah microprocessor instruksi dalam 4 langkah.



menyelesaikan



sebuah



• Ketika instruksi pertama masuk ke langkah 2, maka instruksi berikutnya diambil untuk diproses pada langkah 1 instruksi tersebut. • Begitu seterusnya, ketika instruksi pertama masuk ke langkah 3, instruksi kedua masuk ke langkah 2 dan instruksi ketiga masuk ke langkah 1. 27



Contoh Pengerjaan Instruksi Tanpa Pipeline dan Dengan Pipeline • Misalkan terdapat dua instruksi: – Instruksi 1 : ADD AX, AX – Instruksi 2 : ADD EX, CX



• Setelah CU menjemput Instruksi 1 dari memory (IF), CU akan menerjemahkan instruksi tersebut (ID). • Pada saat menterjemahkan Instruksi 1 tersebut, komponen IF tidak bekerja. • Adanya teknologi pipeline menyebabkan IF akan menjemput Instruksi 2 pada saat ID menterjemahkan Instruksi 1. • Demikian seterusnya pada saat CU menjalankan Instruksi 1 (EX), Instruksi 2 diterjemahkan (ID). 28



Contoh Pengerjaan Instruksi Tanpa Pipeline • Pada ilustrasi di bawah, dijelaskan bahwa instruksi baru akan dijemput jika instruksi sebelumnya telah selesai dilaksanakan.



Instruksi 1 



Instruksi 2 



29



Contoh Pengerjaan Instruksi Dengan Pipeline • Pada ilustrasi di bawah, dijelaskan bahwa instruksi baru akan dijemput/dipanggil setelah tahap IF menganggur. • Misalkan ada tiga buah instruksi yang dieksekusi:



Instruksi 1  Instruksi 2  Instruksi 3 



30



Pengerjaan Instruksi Dengan Pipeline • Dengan adanya pipeline, dua instruksi selesai dilaksanakan pada detik keenam, sedangkan kasus tanpa pipeline baru selesai pada detik kesepuluh. • Dengan demikian telah terjadi percepatan sebanyak 1,67 x dari 10T menjadi hanya 6T. • Sedangkan untuk pengerjaan 3 buah instruksi terjadi percepatan sebanyak 2,14 dari 15T menjadi hanya 7T.



31



Terima Kasih



32