SISTEM KOMPUTER DAN EKSEKUSI INSTRUKSI

1. Komponen Sistem Komputer

Secara garis besar sistem komputer tersusun dari 3 (tiga) komponen utama, yaitu :

· CPU (Central Processing Unit) atau Prosesor, yang terdiri dari: ALU (Arithmetic and Logic Unit), Register dan Control Unit

· Memory

· I/O Device

Ketiga komponen tersebut dihubungkan dengan suatu Struktur Interkoneksi tertentu. Pengetahuan tentang komponen-komponen ini beserta operasi atau interaksinya memungkinkan kita untuk melihat lebih dalam penyebab kelambatan sistem, jalur alternatif, skala kegagalan sistem dan peluang untuk peningkatan unjuk kerja. Gambar 2.1. memperlihatkan komponen-komponen sebuah sistem komputer.

Gambar 2.1. Komponen Sistem Komputer

Von Neumann berjasa karena idenya tentang Pengendalian Operasi Hardware Komputer melalui manipulasi sinyal kendali. Sebelum idenya direalisasikan, komputer pertama (ENIAC) harus diubah secara fisik (sambungan atau solderannya) jika fungsi komputasi komputer ingin diubah. Tetapi kemudian hal ini tidak terjadi lagi setelah Von Neumann memperkenalkan penggunaan memori untuk menyimpan program yang berupa urutan instruksi untuk dieksekusi dalam manipulasi sinyal kendali. Program ini dibuat untuk mewujudkan operasi tertentu. Ini merupakan peralihan dari rancang ulang hardware menjadi pemrograman software. Arsitektur Von Neumann ini merupakan basis bagi seluruh rancangan komputer sejak komputer generasi pertama. Karakteristik Arsitektur Komputer Von Neuman adalah sebagai berikut:

· Baik data maupun instruksi (urutan kendali) diletakkan dalam memori yang sama. Sehingga data tidak bisa dibedakan dari memori karena keduanya ditulis dengan cara yang sama (biner code) dan diletakkan di tempat yang sama (memori)

· Isi memori dapat diakses berdasarkan alamatnya, tanpa memperdulikan type data atau instruksi yang dikandungnya

· Eksekusi instruksi dilakukan secara berurutan, mulai dari instruksi yang ditulis pada lokasi awal memori , kemudian lokasi berikutnya dan seterusnya sampai akhir program

· Secara umum, yang dilakukan prosesor adalah mengambil instruksi dari memori, kemudian menterjemahkan istruksi tersebut menjadi aksi untuk transfer maupun olah data dalam ALU. Gambar 2.2. memperlihatkan skema hal tersebut.

Gambar 2.2. Cara kerja prosesor

2. Eksekusi Instruksi (Instruction Execution)

Eksekusi instruksi meliputi langkah-langkah berikut :

a) Penentuan alamat instruksi berikutnya yang akan dieksekusi

b) Pengambilan instruksi dari lokasi yang ditunjuk tersebut, kemudian meletakkannya di register instruksi (Instruction Register) yang terletak berdampingan dengan Control Unit.

c) Penterjemahan (decode) instruksi untuk mengetahui operasi apa yang harus dilakukan.

d) Kalkulasi alamat operand (data yang akan dilibatkan dalam operasi), kemudian ambil operand tersebut.

e) Melakukan operasi tertentu terhadap operand tersebut.

f) Simpan hasilnya pada salah satu lokasi data, register atau memori.

g) Pengecekan terhadap keberadaan interupsi. Jika ada, maka eksekusi instruksi berikutnya ditunda dan operasi instruksi interupsi dimulai.

Gambar 2.3 memperlihatkan siklus instruksi yang secara garis besar terdiri dari tahap pengambilan (fetch cycle) dan tahap eksekusi (execution cycle). Sedangkan Gambar 2.4 berisi diagram keadaan (state diagram ) yang merupakan rincian siklus eksekusi instruksi.

Gambar 2.3. Siklus Instruksi

Gambar 2.4. Diagram Keadaan untuk Langkah Instruksi

Gambar 2.5 memperlihatkan contoh siklus eksekusi sebuah instruksi yang terdiri dari 6 tahap, yaitu :

1. Karena PC (Program Counter) berisi angka 300, maka instruksi yang akan diambil adalah instruksi yang terletak di memori alamat 300, yaitu instruksi dengan kode 1940. Instruksi tersebut diambil dari memori kemudian disimpan di register instruksi (Instruction Register).

2. Misalkan kode 1940 merupakan instruksi dengan kode operasi (Operation Code, opcode) 1, diikuti dengan 940 yang merupakan alamat operand. Opcode 1 berarti instruksi untuk mengcopy data dari alamat operand (dalam hal ini 940) ke akumulator. Maka data yang terletak di alamat 940 dicopy ke accumulator untuk diproses dalam siklus eksekusi ini.

3. Setelah itu isi PC ditambah satu (incremented) sehingga isinya menjadi 301. Artinya, instruksi berikutnya yang harus diambil dari memori dan dieksekusi terletak di memori alamat 301, yaitu instruksi dengan kode 5941. Instruksi tersebut mengandung opcode 5 dan alamat operand 941.

4. Karena 5 berarti penjumlahan antara isi akumulator dengan isi memori yang alamatnya diberikan di sebelah angka 5, maka isi akumulator dijumlahkan dengan isi memori alamat 941. Kemudian hasil penjumlahannya dikembalikan ke akumulator.

5. Setelah PC ditambah satu, maka isinya menjadi 302, sehingga instruksi berikutnya yang diambil dari memori adalah 2941, yaitu opcode 2 dan operand 941.

6. Arti 2941 adalah perintah untuk mengcopy isi akumulator ke memori alamat 941.

Gambar 2.5. Contoh Eksekusi Program

3. Interupsi (Interrupt)

Dalam proses eksekusi program, dikenal istilah interupsi, yaitu mekanisme pengalihan kendali CPU dari program utama atau eksekusi normal ke program subrutin karena interupsi dari suatu modul I/O. Biasanya I/O device ini 1 sampai 10 kali lebih lambat dari CPU, sehingga sangat tidak efisien jika CPU harus menunggunya tanpa melakukan operasi apapun. Selama menunggu I/O device tersebut, CPU dapat melakukan operasi eksekusi program normal. Tetapi ketika terjadi interupsi, eksekusi normal tersebut dihentikan sementara untuk melayani interupsi berupa eksekusi program atau instruksi lain. Gambar 2.6. memperlihatkan alur kendali kendali eksekusi program dengan dan tanpa interupsi. Pada gambar (a) terlihat bahwa pengalihan kendali eksekusi dilakukan karena opcode instruksi terakhir, dalam hal ini instruksi CALL, bukan karena dicegat oleh interupsi. Sedangkan pada gambar (b) dan (c), pengalihan kendali eksekusi disebabkan oleh interupsi. Perbedaan gambar (b) dengan (c) adalah sebagai berikut. Pada short I/O wait, penundaan eksekusi program (program suspending) dapat terjadi di mana saja pada akhir eksekusi instruksi. Gambar 2.7. memperlihatkan proses ini lebih rinci. Sedangkan pada Long I/O wait (lihat juga gambar 2.8.), program suspending hanya boleh terjadi pada saat-saat tertentu saja, yaitu pada akhir potongan program, bukan pada akhir eksekusi instruksi saat terjadinya interupsi.

Gambar 2.6. Alur Kendali Program dengan dan tanpa interups

Gambar 2.7. Pengalihan Kendali via interupsi

Gambar 2.8. Program Timing: Long I/O wait

Prosesor dan Operating System bertanggung jawab untuk mengidentifikasi interupsi, menunda eksekusi program normal, melayani interupsi dengan mengeksekusi program atau instruksi tertentu, kemudian melanjutkan eksekusi program normal yang tertunda tadi. Interupsi diproses dalam siklus interupsi yang terkandung dalam keseluruhan siklus instruksi. Gambar 2.9. memperlihatkan siklus eksekusi instruksi yang memungkinkan adanya interupsi. Sedangkan gambar 2.10. memperlihatkan lebih rinci siklus eksekusi yang diselipi interupsi. Gambar 2.10. ini merupakan modifikasi gambar 2.4.

Gambar 2.9. Siklus Instruksi dengan interupsi

Gambar 2.10. Diagram Keadaan untuk Siklus Instruksi, dengan interupsi.

Berikut ini adalah urutan siklus interupsi :

a. Pada setiap akhir eksekusi instruksi, yaitu setelah penyimpanan operand ke dalam memori atau register, prosesor mengecek keberadaan interupsi.

b. Jika tidak ada interupsi, maka eksekusi program normal dilanjutkan ke instruksi berikutnya. Tetapi jika ada, maka :

· Eksekusi program normal ditunda sementara dan keadaan prosesor (isi seluruh register penting) direkam dalam tumpukan (stack).

· Lompat ke Interrupt Service Routine (ISR), yaitu ke lokasi memori yang berisi program pelayanan untuk interupsi terkait. Kemudian proses eksekusi instruksi dimulai seperti biasa.

· Setelah eksekusi program ISR selesai, keadaan prosesor ketika ditunda sementara (suspended) dikembalikan, yaitu mengcopy isi stack ke dalam register-register. Setelah itu eksekusi instruksi dimulai seperti biasa.

Sebuah sistem komputer dapat memiliki beberapa sampai lusinan sumber interupsi, masing-masing akan dilayani oleh ISR terkait. Proses yang harus dilakukan jika lebih dari 1 interupsi terjadi pada waktu bersamaan, atau interupsi datang ketika prosesor sedang mengeksekusi ISR interupsi lain, adalah sebagai berikut:

· Sebelumnya, sistem harus menentukan tingkatan prioritas untuk setiap interupsi.

· Pada saat memulai siklus interupsi, interupsi yang memiliki prioritas lebih tinggi dapat menunda eksekusi ISR yang sedang berlangsung.

· Interupsi lainnya akan dilayani kemudian.

· Jika interupsi terjadi ketika prosesor sedang mengeksekusi ISR, maka :

§ Instruksi yang terbaru diabaikan (dengan cara disable interrupt) sampai proses eksekusi ISR selesai. Misal pada mikrokontroler Motorolla MC68HC11.

§ Identifikasi dan pelayanan interupsi dilakukan hanya jika interupsi terbaru memiliki prioritas lebih tinggi dari interupsi yang sedang dilayani. Misal pada prosesor Intel 8085.

Gambar 2.11. memperlihatkan skema eksekusi program yang disela oleh 2 interupsi. Kedua ISR dieksekusi secara berurutan (sequential), sebagaimana terlihat pada gambar (a). Sedangkan gambar (b) memperlihatkan skema eksekusi yang disela oleh 1 interupsi, kemudian ketika ISR pertama dieksekusi, disela lagi oleh interupsi berikutnya yang memiliki prioritas lebih tinggi.

Gambar 2.11.Peralihan Kendali dengan interupsi ganda.

Sedangkan Gambar 2.12. memperlihatkan skema eksekusi program yang disela oleh 3 interupsi. ISR komunikasi dapat menyela ISR printer karena prioritas komunikasi lebih tinggi daripada printer. Sedangkan ISR disk tidak dapat menyela ISR komunikasi karena prioritas disk lebih rendah dari komunikasi. Tetapi karena disk memiliki prioritas lebih tinggi daripada printer, maka segera setelah ISR komunikasi dieksekusi, ISR disk dieksekusi.