1

Chapter 13

Reduced Instruction Set Komputers (RISC)

Reduced Instruction Set Komputer atau Komputasi set instruksi yang disederhanakan pertama

kali digagas oleh John Cocke, peneliti dari IBM di Yorktown, New York pada tahun 1974 saat ia

membuktikan bahwa sekitar 20% instuksi pada sebuah prosesor ternyata menangani sekitar 80% dari

keseluruhan kerjanya. Komputer pertama yang menggunakan konsep RISC ini adalah IBM PC/XT pada era

1980-an. Istilah RISC sendiri pertama kali dipopulerkan oleh David Patterson, pengajar pada University of

California di Berkely.

RISC apabila diterjemahkan berarti Komputasi Kumpulan Instruksi yang Disederhanakan,

merupakan sebuah arsitektur komputer atau arsitektur komputasi modern dengan instruksi-instruksi dan

jenis eksekusi yang paliing sederhana. Arsitektur ini digunakan pada komputer dengan kiinerja tinggi,

seperti komputer vektor. Selain digunakan dalam komputer vektor, desain ini juga diimplementasikan

pada prosesor komputer lain, seperti pada beberapa mikroprosesor Intel 960, Itanium (IA64) dari Intel

Corporation, PowerPC dan Arsetektur POWER dari International Business Machine.

13.1. Instruction Execution Characteristic

Peneliti dalam bidang teknologi komputer telah berhasil mengembangkan bahasa

pemrograman dengan lebih kompleks. Adanya high-level programming languages (HLL)

memungkinkan programmer untuk membuat algoritma menjadi lebih singkat dan sederhana,

lebih memperhatikan rincian, dan mendukung penggunaan pemrograman berstruktur atau

disebut juga pemrograman berorientasi objek.

Namun perkembangan tersebut menimbulkan permasalah baru yang dikenal sebagai

semantic gap, yaitu perbedaan antara operasi-operasi yang disediakan oleh HLL dengan operasi-

operasi yang disediakan oleh arsitektur komputer. Permasalahan ini ditandai dengan tidak

efisiennya eksekusi, program mesin yang berukuran besar, dan kompleksitas compiler. Para

perancang menanggapi permasalahan ini dengan membuat suatu arsitektur dengan maksud

untuk mengurangi celah dari permasalahan yang terjadi. Fitur utama termasuk didalamnya yaitu

set instruksi yang komplek, puluhan mode pengalamatan atau addressing modes, dan

mengimplementasikan berbagai statement HLL dalam perangkat keras atau hardware. Set-set

instruksi yang komplek tersebut dimaksudkan untuk :

1. Memudahkan pekerjaan compiler

2

2. Meningkatkan efisiensi eksekusi, karena operasi yang kompleks dapat diimplementasikan

dalam microcode

3. Memberikan dukungan bagi HLL yang lebih kompleks dan canggih.

Tabel 13.1 Characteristics of some CISC, RISC, and Superscalar Processor

Sementara itu, sejumlah penelitian telah selesai dilakukan dalam beberapa tahun untuk

menentukan pola dan karakteristik eksekusi instruksi mesin yang dihasilkan dari program HLL.

Hasil yang didapat dari penelitian ini memberikan inspirasi beberapa peneliti untuk membuat

arsitektur yang mendukung pemrograman HLL dengan lebih sederhana.

Beberapa aspek komputasi yang ditinjau dalam merancang mesin RISC adalah sebagai

berikut :

Operation performed : menentukan fungsi-fungsi apa saja yang harus dilakukan

oleh prosessor dan interaksinya dengan memori.

Operand used : Jenis-jenis operand dan frekuensi pemakaiannya menentukan

penyusunan memori untuk penyimpanan dan mode pengalamatan untuk

mengaksesnya.

Execution sequencing : menentukan kontrol dan penyusunan pipeline.

13.1.1. Operation

Dewasa ini banyak penelitian yang dilakukan untuk menganalisa sifat program

HLL. Namun, hasil penelitian yang diperoleh masih belum cukup membantu para

perancang dan pengembang mesin set instruksi untuk menunjukkan statement seperti

apa yang paling sering digunakan dalam eksekusi program.

Untuk dapat mengerti fenomena tersebut, program milik Patterson [PATT82a],

di compile pada VAX, PDP-11, dan Motorola 68000 untuk menentukan jumlah rata-rata

3

instruksi mesin dan referensi memori tiap jenis statement. Kolom kedua dan ketiga pada

Tabel 13.2 menunjukkan seberapa sering instruksi HLL dijalankan pada beberapa jenis

program; data diperoleh dengan mengamati kejadian yang muncul pada saat program

berjalan.

Tabel 13.2 Weighted Relative Dynamic of HLL Operation [PATT82a]

Untuk memperoleh data pada kolom empat dan lima, masing-masing nilai pada

kolom kedua dan ketiga dikalikan dengan jumlah instruksi mesin yang dihasilkan compiler.

Hasil tersebut kemudian di normalisasi. Demikian pula, pada kolom keenam dan ketujuh

diperoleh dengan mengalikan jenis statement yang sering muncul dengan jumlah relatif

referensi memori yang disebabkan oleh masing-masing statement. Data yang dihasilkan

menunjukkan bahwa prosedur call/return menghabiskan waktu paling banyak pada

operasi program HLL.

Pada tabel 13.2 menunjukkan hasil yang signifikan dari berbagai jenis statement

dalam HLL, ketika HLL di compile pada arsitektur set instruksi modern tertentu. Pada

beberapa arsitektur mesin lainnya, hasil yang didapat bisa saja berbeda.

13.1.2. Operands

Meskipun topik ini sangat penting, namun hanya sedikit penelitian tentang jenis-jenis

operand. Penelitian yang dilakukan Patterson terhadap frekuensi dinamik terjadinya

kelas-kelas variabel (Tabel 13.3) dalam program pascal dan C menunjukkan bahwa

mayoritas

4

Tabel 13.3 Dynamic Percentage of Operand

referensi menuju kepada variabel-variabel skalar. Lebih dari 80% skalar bersifat variabel

lokal. Penelitian tersebut menyatakan bahwa jenis arsitektur berpengaruh pada

kecepatan pengaksesan operandd.

13.1.3. Procedure Calls

Prosedur call dan return merupakan aspek yang penting dalam program HLL. Pada

tabel 13.2 menunjukkan bahwa prosedur call merupakan operasi yang menghabiskan

waktu paling banyak dalam program tersebut. Dengan demikian, hal ini akan

menguntungkan dalam mempertimbangkan bagaimana cara-cara melaksanakan operasi

ini secara efisien. Aspek yang perlu diperhatikan yaitu jumlah parameter dan variabel yang

berkaitan dengan prosedur, dan kedalaman pensarangan (nesting).

Dalam penelitian Tanenbaum didapatkan bahwa secara dinamik sebesar 98%

prosedur yang dipanggil hanya memenuhi parameter kurang dari enam argument dan

92% dari prosedur tersebut menggunakan kurang dari enam variabel lokal skalar. Hasil

serupa juga didapatkan dari penelitian tim Berkeley RISC, seperti yang ditunjukkan pada

tabel 13.4.

Tabel 13.4 Prosedur Argument dan Variabel Lokal Skalar

5

13.1.4. Implications

Hasil-hasil penelitian yang telah dilakukan secara umum dapat dinyatakan bahwa

terdapat beberapa faktor yang menentukan karakteristik arsitektur RISC. Pertama,

penggunaan register dalam jumlah yang besar. Hal ini dimaksudkan untuk

mengoptimalkan pereferensian operand. Penelitian yang dilakukan menunjukkan bahwa

terdapat beberapa referensi pada tiap instruksi HLL dan padanya terdapat bagian

perpindahan statement (assignment) yang besar.

Kedua, diperlukan perhatian bagi perancangan instruksi pipeline. Karena tingginya

proporsi instruksi percabangan bersyarat dan prosedur call, instruksi pipeline yang

bersifat langsung dan ringkas akan menjadi tidak efisien. Ketiga, terdapat set instruksi

yang disederhanakan (dikurangi).

13.2. The Use of a Large Register File

Alasan mengapa penyimpanan register direkomendasikan adalah karena register

merupakan perangkat penyimpanan yang paling cepat dibandingkan memori utama dan cache.

Register file secara fisik memiliki bentuk yang kecil, terletak pada chip yang sama dengan ALU dan

unit kontrol, pengaksesan alamatnya lebih dekat daripada cache dan memori. Dengan demikian,

diperlukan strategi agar operand yang paling sering diakses disimpan dalam register dan

meminimalkan operasi register-memori.

Terdapat dua pendekatan dasar yang memungkinkan untuk diterapkan yaitu pendekatan

secara perangkat lunak (software) dan pendekatan secara perangkat keras (hardware).

Pendekatan secara perangkat lunak mengandalkan compiler untuk memaksimalkan penggunaan

register. Compiler tersebut akan mengalokasikan register untuk variabel yang paling sering

digunakan. Pendekatan ini membutuhkan algoritma analisis program yang mutakhir. Pendekatan

perangkat keras dilakukan dengan cara memperbanyak jumlah register sehingga akan lebih

banyak variabel yang ditampung didalamnya dalam periode waktu yang lebih lama.

13.2.1. Register Windows

Karena kebanyakan operand direferensikan pada lokal skalar,maka pendekatan yang

dibutuhkan adalah untuk menyimpan referensi tersebut di dalam register, dengan

beberapa register yang disediakan untuk variabel global. Namun yang menjadi masalah

adalah definisi lokal berubah pada setiap prosedur call dan return yang sering terjadi.

6

Pada setiap pemanggilan (call), variabel lokal harus disimpan dari register ke memori,

sehingga register dapat digunakan kembali oleh program. Selain itu, parameter-

parameter yang telah ditentukan harus terpenuhi. Pada pengembalian (return), variabel

dari program induk (parent) harus dikembalikan pada register dan hasilnya harus

dilempar kembali ke program induk (parent).

Solusi masalah ini berdasar pada dua data yang dihasilkan pada bagian 13.1. Pertama,

suatu prosedur hanya menjalankan beberapa parameter dan variabel lokal (Tabel 13.4).

Kedua, aktifasi suatu prosedur berubah-ubah (terjadi fluktuasi) dalam rentang waktu yang

relatif sempit. Untuk menangani hal tersebut maka digunakan beberapa set register yang

berukuran kecil, tiap set register tersebut kemudian ditempatkan pada prosedur yang

berbeda. Pemanggilan sebuah prosedur secara otomatis akan merubah prosesor untuk

lebih menggunakan jendela register, daripada menyimpannya di memori register.

Prosedur yang berjalan berdampingan dengan jendela register akan di-overlap untuk

memenuhi parameter yang ada.

Konsep dari overlap register windows diilustrasikan pada Figure 13.1. Hanya satu

jendela register yang tampak dan memiliki alamat (addressable) seolah-olah itu adalah

satu-satunya set register. Jendela register dibagi menjadi tiga area dengan ukuran yang

telah ditentukan. Lokal register digunakan untuk lokal variabel sesuai dengan yang

ditugaskan oleh compiler. Register sementara (temporary register) digunakan untuk

pertukaran hasil dan parameter dengan level berikutnya yang lebih rendah. Register

sementara (temporary register) pada level satu memiliki bentuk parameter yang sama

dengan register level dibawahnya. Overlap ini memungkinkan parameter-parameter

dapat dilewatkan tanpa perpindahan aktual data.

Figure 13.1 Overlap Register Windows

Bentuk melingkar seperti yang ditunjukkan pada Figure 13.2 menggambarkan lingkaran

buffer dengan enam jendela. CWP (current-window pointer) menunjuk pada jendela

7

yang prosedurnya sedang aktif. SWP (Saved-window pointer) mengidentifikasi jendela

mana yang terakhir disimpan dalam memori. Jika prosedur D dipanggil prosedur E,

argumen untuk E ditempatkan pada register sementara (temporary register) D dan CWP

akan memajukan satu jendela.

Figure 13.2 Circular-Buffer Organization of Ovelapped Windows

Jika prosedur E kemudian memanggil prosedur F, pemanggilan tersebut tidak bisa

dilakukan pada status buffer saat ini. Hal ini dikarenakan jendela F melakukan overlap

jendela A. jika F mengisi temporary register-nya, melakukan persiapan untuk memanggil

prosedur, maka hal tersebut akan merubah parameter dari register A.

Dari penjelasan tersebut, dapat dilihat bahwa jendela register ke-N hanya bisa

menampung N 1 pengaktifan prosedur. Nilai dari N tidak boleh terlalu besar.

8

13.2.2. Global Variables

Teknik register windows seperti yang telah dijelaskan sebelumnya memberikan suatu

cara bagaimana peyusunan yang efisien untuk menyimpan variabel lokal skalar di dalam

register. Akan tetapi teknik ini tidak dapat memenuhi kebutuhan penyimpanan variabel

global yang diakses oleh lebih dari satu prosedur. Terdapat dua pilihan untuk memenuhi

hal tersebut :

1. Variabel-variabel yang dideklarasikan sebagai variabel global pada HLL ditentukan

lokasi memorinya oleh compiler. Namun bagi yang sering mengakses variabel-

variabel global, teknik tersebut tidaklah efisien.

2. Melibatkan set register global didalam CPU. Register-register tersebul harus memiliki

jumlah yang tetap dan tersedia untuk semua prosedure. Pilihan ini merupakan solusi

dari permasalahan pilihan nomor 1.

13.2.3. Large Register File versus Cache

Tabel 13.5 menunjukkan perbandingan karakteristik dari file register berukuran

besar dan cache. Menggunakan file register semestinya dapat menghemat waktu waktu,

karena semua lokal variabel skalar disimpan didalamnya. Disisi lain, menggunakan cache

membuat kapasitas penyimpanan menjadi lebih efisien, karena cache dapat bereaksi

secara dinamik pada keadaan yang sedang terjadi.

Tabel 13.5 Characteristics of Large-Register-File and Cache Organization

Selain itu, umumnya cache memperlakukan semua referensi memori dengan cara yang

sama, termasuk instruksi dan tipe data yang lainnya.

Sebuah file register memungkinkan terjadinya ketidak efisiensian pada

penggunaanya, karena tidak semua prosedur memerlukan alokasi jendela register

dengan kapasitas penuh.

9

Dengan penggunaan file register, perpindahan data antara register dan memori

tergantung dari kedalaman prosedur bersarang. Karena biasanya kedalaman prosedur

bersarang tersebut berubah-ubah dalam rentang waktu yang relatif cepat dan

penggunaan memori pada file register cukup jarang terjadi. Kebanyakan memori cache di

set menjadi asosiatif dengan ukuran yang kecil. Dengan demikian, terdapat suatu resiko

data atau instruksi yang ada akan dihapus dan digantikan oleh variabel yang sering

digunakan.

Untuk mereferensi skalar lokal pada jendela register, digunakan sejumlah jendela

dan register virtual. Hal tersebut dilakukan dengan melalui decoder yang relatif

sederhana untuk memilih salah satu register real. Untuk mereferensikan lokasi memori

pada cache, alamat memori harus dibuat terlebih dahulu. Kompleksitas operasi tersebut

tergantung pada mode pengalamatannya. Pada set associative cache, beberapa bagian

pada alamat digunakan untuk membaca tag sesuai dengan ukuran set-nya. Bagian dari

alamat lainnya dibandingkan dengan tag yang terpilih. Penjelasan tersebut cukup jelas

bahwa meskipun cache sama cepat dengan file register, waktu pengaksesan yang

dibutuhkan cukup lebih lama.

Figure 13.3 Referencing a Scalar

10

13.3. Compiler-Based Register Optimization

Diasumsikan hanya terdapat register dengan jumlah yang kecil (misalnya, 16-32) yang

tersedia pada mesin RISC. Dalam kasus ini, optimasi penggunaan register adalah tanggung jawab

compiler. Sebuah program yang ditulis dengan bahasa pemrograman level tinggi (high-level

language) tentu saja memiliki referensi ke register secara tersirat. Tujuan dari compiler adalah

untuk menyimpan sebanyak mungkin perhitungan operand didalam register untuk

meminimalisasi terjadinya operasi load-and-store.

Secara umum, pendeketan yang dilakukan adalah sebagai berikut. Setiap program yang

akan diletakkan pada register di-assigned ke register simbolik atau register virtual. Kemudian

compiler akan memetakan sejumlah register simbolik ke real register dalam jumlah yang telah

ditentukan. Jika terdapat sejumlah data pada program dengan ukuran yang melebihi kapasitas

register, maka data tersebut akan di-assigned ke lokasi memori.

Inti dari optimisasi adalah untuk menentukan data mana atau data seperti apa yang harus

di-assigned ke register. Teknik yang sering digunakan oleh compiler RISC dikenal sebagai graph

coloring.

Permasalahan yang terdapat pada graph coloring adalah sebagai berikut. Terdapat

sebuah grafik yang terdiri dari simpul dan node, setiap node diberi warna sehingga setiap node

yang bersebelahan memiliki warna yang berbeda. Pertama, program akan melakukan analisa

untuk membuat grafik interferensi register. Node-node yang terdapat pada grafik adalah registes

simbolik. Jika dua register simbolik tersebut aktif secara bersamaan dalam bagian program, maka

kedua register tersebut digabungkan dengan sebuah simpul untuk menggambarkan interferensi

yang terjadi. Kemudian graph tersebut diwarnai dengan n warna, dimana n adalah jumlah

register. Node yang berwarna sama di masukkan ke dalam register yang sama juga. Jika proses

tersebut tidak sepenuhnya berhasil, maka node-node yang tidak diberi warna akan diletakkan ke

dalam memori dan operasi load-and-store akan digunakan untuk memberikan ruang yang

digunakan sejumlah data ketika diperlukan. Proses tersebut dapat dilihat pada Figure 13.4.

11

Figure 13.4 Graph Coloring Approach

13.4. Reduced Instruction Set Architecture

Pokok bahasan pada bagian ini adalah membahas karakteristik umum dan tujuan dari

mengurangi instruksi set arsitektur yang secara spesifik dapat dilihat pada bagian dari bab ini.

13.4.1. Why CISC

Alasan utama dari penggunaan CISC adalah diharapkan CISC akan menghasilkan

progam yang lebih kecil dan lebih cepat. Terdapat dua keuntungan pada program yang

berukuran lebih kecil. Pertama, penggunaan resource lebih hemat karena program yang

berukuran kecil mengkonsumsi sedikit memori. Kedua, program yang berukuran kecil

memiliki performa yang baik.

13.4.2. Characteristics of Reduced Instruction Set Architectures

Karakteristik pertama dari arsitektur RISC adalah siklus mesin ditentukan oleh

waktu yang digunakan untuk mengambil dua buah operand dari register, melakukan

operasi ALU, dan menyimpan hasil operasinya ke dalam register. Selain itu instruksi mesin

RISC tidak lagi kompleks dan harus dapat mengeksekusi dengan cepat seperti

mikroinstruksi pada mesin-mesin CISC. Hanya dibutuhkan sedikit microcode atau bahkan

tidak sama sekali dalam penggunaan instruksi sederhana tersebut. Instruksi seperti itu

akan dieksekusi lebih cepat karena tidak perlu mengakses penyimpanan mikroprogram

saat eksekusi instruksi sedang berlangsung.

12

Karakteristik yang kedua adalah operasi dari register-ke register. Operasi ini

hanya terdiri dari operasi pengaksesan memori LOAD dan STORE. Fitur rancangan ini

menyederhanakan set instruksi begitu juga dengan unit kontrol. Keuntungan lainnya

memungkinkan optimasi pemakaian register sehingga operand yang sering diakses akan

tetap berada pada register.

Karakteristik ketiga dari arsitektur RISC adalah penggunaan mode pengalamatan

yang sederhana. Hampir semua instruksi RISC menggunakan pengalamatan register

dengan cara yang sederhana.

Figure 13.5 Two comparisons of Register-toRegister and Memory-to-Memory

Approaches

Karakteristik keempat adalah penggunaan format instruksi yang sederhana.

Umumnya, hanya satu atau sedikit format yang digunakan. Panjang instruksi sudah

ditentukan. Fitur ini memiliki beberapa kelebihan karena dengan menggunakan field

yang tetap dan pengaksesan operand register dapat dilakukan secara bersama-sama.

13.4.3. CISC versus RISC Characterisics

Rancangan RISC dapat memperoleh keuntungan dengan mengambil sejumlah

fitur dari CISC dan rancangan CISC dapat memperoleh keuntungan dengan mengambil

sejumlah fitur dari RISC. Artinya adalah hasil yang diperoleh dari sejumlah rancangan RISC

13

terbaru yang dikenal dengan PowerPC, tidak lagi murni RISC. Dan rancangan CISC

terbaru yang dikenal sebagai Pentium, memiliki beberapa karakteristik RISC. Pada Tabel

13.7 terdapat beberapa daftar perbandingan karakteristik masing-masing prosesor.

Tabel 13.7 Characteristic of Some Prosesor

Bagaimanapun juga, stategi pada RISC memberikan beberapa kelebihan. Karena

masing-masing instruksi hanya dengan satu siklus untuk eksekusi maka seluruh program

dapat dikerjakan setara dengan kecepatan dari eksekusi instruksi MULT. Secara

perangkat keras, prosesor RISC tidak teralu banyak membutuhkan transistor

dibandingkan dengan CISC. Sehingga menyisakan ruang untuk general purpose register.

Selain itu, karena semua instruksi dikerjakan dalam waktu yang sama, maka dimungkinka

untuk melakukan pipelining.

Memisahkan instruksi LOAD dan STORE sebenarnya mengurangi kerja yang

harus dilakukan oleh prosesor. Pada CISC, setelah instruksi MULT dieksekusi, prosesor

akan secara otomatis menghapus isi register. Jika ada operand yang dibutuhkan lagi untuk

operasi berikutnya, maka prosesor harus menyimpan ulang data tersebut dari memori ke

register. Sedangkan pada RISC, operand tetap berada dalam register hingga ada data lain

yang disimpan ke dalam register yang bersangkutan.

Pendekatan CISC bertujuan untuk meminimalkan jumlah instruksi per program,

dengan cara mengorbankan kecepatan eksekusi sekian siklus/detik. Lain halnya dengan

14

RISC, tujuannya adalah mengurangi jumlah siklus/detik, namun konsekuensi yang

diterima adalah bertambahnya jumlah instruksi per program.

13.5. Risc Pipelining

Teknologi pipeline yang digunakan pada komputer bertujuan untuk meningkatkan kinerja dari

komputer. Secara sederhana, pipeline adalah suatu cara yang digunakan untuk melakukan

sejumlah kerja secara bersamaan tetapi dalam tahap yang berbeda yang dialirkan secara berlanjut

pada unit prosesor. Dengan cara ini, maka unit prosesor akan selalu bekerja.

13.5.1. Pipelining with Regular Instructions

Umumnya pada arsitektur RISC menggunakan instruksi register to register. Dan tiap siklus

instruksi memiliki dua tahap :

I : Instruction fetch.

E : Execute. Menjalankan operasi ALU dengan register input dan output.

Pada operasi load and store, terdapat tiga tahap yang dibutuhkan :

I : Instruction fetch.

E : Execute. Mengkalkulasi pengalamatan memori

D : Memory. Melakukan operasi register-to-memory atau memory-to-register.

Figure 13.6a menunjukkan urutan instruksi yang dikerjakan tanpa menggunakan

pipeline. Jelas sekali hal tersebut cukup membutuhkan waktu proses yang lama. Figure

13.6b menunjukkan skema pipeline dengan dua tahap, dimana tahap I dan E merupakan

dua instruksi yang berbeda namun dikerjakan dalam waktu yang bersamaan. Namun,

instruksi yang diproses secara bersamaan tersebut terdapat dalam tahap proses yang

berbeda.

15

Figure 13.6 The Effect of Pipelining

Karena beberapa instruksi diproses secara bersamaan, terdapat kemungkinan

instruksi tersebut memerlukan resource yang sama. Sehingga diperlukan adanya

pengaturan yang tepat agar proses tetap berjalan dengan benar.

13.5.2. Optimization of Pipelining

Delayed Branch

Prosedur ini diilustrasikan pada Tabel 13.8. Pada kolom dengan nama normal

branch, dapat diketahui terdapat simbol instruksi program bahasa mesin.

Tabel 13.8 Normal and Delayed Branch

Setelah alamat 102 di eksekusi, instruksi selanjutnya yang harus dieksekusi adalah

105. Sebuah instruksi NOOP disisipkan setelah terjadinya percabangan agar pipeline

16

yang terjadi tetap berjalan dengan baik. Hasil yang diperoleh dari pengggunaan

delayed branch dapat dilihat pada figure 13.7.

Figure 13.7 Use of the Delayed Branch

Prosedur delayed branch hanya akan berjalan pada percabangan tak bersyarat,

call, dan return. Untuk percabangan bersyarat, prosedur ini tidak bisa diterapkan.

Delayed Load

Teknik delayed load ini dapat digunakan pada instruksi LOAD. Pada instruksi

tersebut, register yang menjadi target dari load akan dikunci oleh prosesor.

Kemudian prosesor akan melanjutkan untuk mengeksekusi instruksi-instruksi

berikutnya. Jika compiler dapat mengatur ulang instruksi, selagi load masih berada

dalam pipeline, maka tingkat efisiensi akan bertambah.

17

Loop Unrolling

Loop Unrolling merupakan teknik compiler yang digunakan untuk membenahi

instruksi yang bersifat paralel. Performa loop unrolling dapat ditingkatkan dengan

cara :

- Meningkatkan instruksi yang bersifat paralel dengan membenahi permforma

pipeline

- Membenahi register dan data caches

Figure 13.8 Loop Unrolling

13.6. MIPS R4000

R4000 merupakan sebuah mikroprosesor yang dikembangkan oleh MIPS Computer System

dan mengimplementasikan MIPS III instruction set (ISA). MIPS R4000 adalah mikroprosesor

pertama kali yang berukuran 64-bit, dan pertama kali menerapkan MIPS III. Pada awal tahun 1990,

ketika prosesor RISC diharapkan untuk menggantikan mikroprosesor CISC, MIPS R4000 terpilih

sebagai Advanced Computing Environment (ACE).

Penggunaan ukuran 64-bit memberikan beberapa keuntungan daripada arsitektur dengan

ukuran 32-bit. Keuntungan tersebut adalah memungkinkan adanya kapasitas alamat (address)

yang lebih besar. Cukup besar untuk sistem operasi memetakan file lebih dari satu terabyte secara

langsung pada virtual memory agar lebih mudah diakses.

18

Chip prosesor R4000 dibagi menjadi dua bagian, bagian pertama berisi CPU dan yang lainnya

berisi coprocessor untuk manajamen memori. Prosesor R4000 memiliki arsitektur yang sangat

sederhana. Tujuannya adalah untuk merancang sebuah sistem dengan logika eksekusi instruksi

sesederhana mungkin. Prosesor ini mendukung 32 dan 64-bit register dan juga menyediakan

cache dengan kecepatan hingga 128 Kbytes.

13.6.1. Instruction Set

MIPS memiliki panjang instruksi sebesar 32-bit. Panjang instruksi tersebut

berguna untuk menyederhanakan instruksi fetch dan decode juga menyederhanakan

instruksi fetch dengan unit pengelola memori virtual. Fomat instruksi seperti yang

ditunjukkan Figure 13.9 merupakan bentuk penyederhanaan instruksi decode.

Tabel 13.9 MIPS R-series Instruction Set

19

Figure 13.9 MIPS Instruction Formats

13.6.2. Instruction Pipeline

MIPS R4000 memiliki delapan bagian pipeline, yang berarti terdapat delapan instruksi

yang berada dalam pipeline pada waktu yang bersamaan. Delapan pipeline tersebut

adalah sebagai berikut :

- Pengambilan instruksi pada paruh pertama

- Pengambilan instruksi pada paruh kedua

- File register

- Eksekusi instruksi

- Data cache pertama

- Data cache kedua

- Pengecekan Tag

- Penulisan ulang

Ilustrasi dari pipeline delapan bagian pada MIPS R4000 ditunjukkan oleh Figure 13.10b.

20

Figure 13.10 Theoretical R3000 dan Actual R4000 Superpipelines

13.7. SPARC

SPARC (Scalable Processor Architecture) adalah mikroprosesor berarsitektur RISC yang

didesain oleh Sun Microsystems tahun 1985. SPARC internasional bermaksud untuk membuka

arsitektur SPARC demi membuat ekosistem yang lebih besar bagi pengembang desainnya, yang

izinnya telah diberikan kepada beberapa manufaktur, termasuk Texas Instrument, Atmel, Cypress

Semiconduktor, dan Fujitsu. Sehingga arstitektur SPARC terbuka penuh dan non-eksklusif.

Implementsai arsitektr SPARC pada awalnya dirancang dan digunakan untuk sistem Sun-4

workstation and server, menggantikan versi sebelumya Sun-3 yang berbasis keluarga prosesor

Motorola 68000. Kemudian, prosesor SPARC digunakan fi server SMP (Symmetric multiprocessing)

yang antara lain diproduksi oleh Sun Microsystem, Soulbourne dan Fujitsu.

13.7.1. SPARC Register Set

Fitur arsitektur SPARC memiliki file register yang besar, lebih dari 100 register. Seperti

pada RISC Berkeley, suatu prosedur yang berjalan pada SPARC dapat mengakses hanya 32

register, yaitu r0 sampai r31. Delapan dari register (r0 sampai r7) adalah bersifat global

dengan kata lain dapat diakses dari semua prosedur. Sedangkan 24 register lainnya adalah

window register. 24 window register tersebut dibagi menjadi 3 grup sehingga masing-masing

grup memiliki 8 register seperti yang terlihat pada Figure 13.11.

21

Figure 13.11 SPARC Register Layout with Three Procedures

- r31 sampai r24 adalah ins, berisi parameter input.

- r23 sampai r16 adalah locals, berisi parameter lokal dari prosedur

- r15 sampai r8 adalah outs, berisi parameter keluaran yang akan dilewatkan ke

prosedur selanjutnya.

Seperti yang terlihat pada Figure 13.11, secara fisik register outs dari prosedur pemanggil

adalah register ins dari prosedur yang dipanggil. Prosedur pemanggil melewatkan parameter

ke prosedur yang dipanggil melalui register out, yang merupakan register ins dari prosedur

yang dipanggil. Jendela register dari prosedur yang saat ini berjalan disebut sebagai Active

22

Window, yang ditunjukkan oleh CWP (Current Window Pointer) pada PSR (Processor Status

Register).

Mikroprosesor implementasi dari SPARC saat ini menggunakan 8 jendela dengan 136

register. Jendela tersebut diberi nomor 0 sampai nwindows 1 secara berurutan. Figure 13.12

menunjukkan contoh implementasi mikroprosesor delapan jendela register berbentuk

bundar.

Figure 13.12 Eight Register Windows Forming a Circular Stack in SPARC

13.7.2. Instruction Set

Arsitektur SPARC memiliki jenis instruksi sebagai berikut :

- Load / Store

- Arithmetic / Logical / Shift

- Control Transfer

- Read / Write Control Register

- Floating-point operate

23

- Coprocessor operate

13.7.3. Instruction Format

Format instruksi SPARC (Figure 13.14) memiliki tiga instruksi dasar yaitu :

- CALL

- Instruksi bercabang (Branch)

- Instruksi operasi (register-to-register)

13.8. RISC versus CISC Controversy

Masih terdapat kontroversi antara para ahli tentang arsitektur mana yang lebih baik. Beberapa

mengatakan bahwa arsitektur RISC lebih murah dan lebih cepat. Namun, desain arsitektur RISC

menempatkan suatu beban yang besar pada perangkat lunak. Perangkat lunak yang dibutuhkan

akan menjadi lebih kompleks.

Pendekatan RISC yang telah dilakukan dapat dikelompokkan menjadi dua kategori :

- Kuantitatif : suatu upaya untuk membandingkan ukuran dan kecepatan program

pada mesin RISC dan CISC yang memiliki teknologi yang sebanding.

- Kualitatif : pengujian yang dilakukan terhadap suatu masalah seperti

permasalahan HLL program dan penggunaan VLSI secara optimal.

Terdapat beberapa masalah dalam usaha untuk membandingkan masing-masing mesin RISC

dan CISC :

- Tidak adanya sepasang mesin RISC dan CISC yang bisa dibandingkan dalam hal

life-cycle cost, tingkat teknologi, gate complexity, kecanggihan compiler,

pendukung sistem operasi, dan lain sebagainya.

- Tidak ada pengujian yang pasti pada seperangkat program yang sudah ada.

- Sebagian besar analisis perbandingan pada mesin RISC lebih dilakukan pada

mesin mainan daripada produk yang telah dikomersialkan.

Dalam tahun-tahun terakhir, kontroversi RISC vs CISC mulai mereda. Hal ini dikarenakan

timbulnya sebuah konvergensi teknologi secara bertahap. Selaras dengan kepadatan chip dan

kecepatan perangkat keras yang mengalami peningkatan, sistem arsitektur RISC telah menjadi

lebih kompleks pula. Pada saat yang bersamaan, untuk memaksimalkan kinerja performanya,

24

desain arsitektur CISC memfokuskan pada permasalahan yang terjadi pada arsitektur

konvensional seperti kenaikan jumlah general-purpose register.