ARSITEKTUR REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTERS (RISC)

Posted by : Unknown Selasa, 01 Desember 2015

ARSITEKTUR REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTERS (RISC)

A. Sejarah RISC (REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTERS)

Reduced Instruction Set Computing (RISC) 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% instruksi 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, merupakan sebuah arsitektur komputer atau arsitektur komputasi modern dengan instruksi-instruksi dan jenis eksekusi yang paling sederhana. Biasanya digunakan pada komputer berkinerja tinggi seperti komputer vektor. Bahasa pemprograman memungkinkan programmer dapat mengekspresikan algoritma lebih singkat, lebih memperhatikan rincian, dan mendukung penggunaan pemprograman terstruktur, tetapi ternyata muncul masalah lain yaitu semantic gap, yaitu perbedaan antara operasi-operasi yang disediakan oleh HLL dengan yang disediakan oleh arsitektur komputer, ini ditandai dengan ketidakefisienan eksekusi, program mesin yang berukuran besar,dan kompleksitas kompiler.

Set-set instruksi yang kompleks tersebut dimaksudkan untuk :

· Memudahkan pekerjaan kompiler

· Meningkatkan efisiensie ksekusi, karena operasi yang kompleks dapat diimplementasikan didalam mikrokode.

· Memberikan dukungan bagi HLL yang lebih kompleks dan canggih.

B. Pengertian RISC (REDUCET INSTRUCTION SET COMPUTER)

RISC (Reduce Instruction Set Computer) atau komputasi set instruksi yang disederhanakan merupakan sebuah arsitektur komputer atau arsitektur komputasi modern dengan instruksi-instruksi dan jenis eksekusi yang paling sederhana. Arsitektur ini digunakan pada komputer dengan kinerja tinggi, seperti komputer vector. Desain ini juga diimplementasikan pada prosesor komputer lain, seperti pada beberapa mikroprosesor intel 960, Itanium (IA64) dari Intel Coorporatoin. Selain itu RISC juga umum dipakai pada Advanced RUSC Machine (ARM) dan Strong ARM.

Beberapa elemen penting pada arsitektur RISC :

1. Set instruksi yang terbatas dan sederhana

2. Register general-purpose yang berjumlah banyak, atau penggunaan teknologi kompiler untuk mengoptimalkan pemakaian registernya.

3. Penekanan pada pengoptimalan pipeline instruksi.

Ditinjau dari jenis set instruksinya, ada 2 jenis arsitektur komputer, yaitu:

· Arsitektur komputer dengan kumpulan perintah yang rumit (Complex Instruction Set Computer = CISC)

· Arsitektur komputer dengan kumpulan perintah yang sederhana (Reduced Instruction Set Computer = RISC)

Gambar : Contoh RISC

Konsep Arsitektur RISC

Konsep arsitektur RISC banyak menerapkan proses eksekusi pipeline. Meskipun jumlah perintah tunggal yang diperlukan untuk melakukan pekerjaan yang diberikan mungkin lebih besar, eksekusi secara pipeline memerlukan waktu yang lebih singkat daripada waktu untuk melakukan pekerjaan yang sama dengan menggunakan perintah yang lebih rumit. RISC memerlukan memori yang lebih besar untuk mengakomodasi program yang lebih besar. Dengan mengoptimalkan penggunaan memori register diharapkan siklus operasi semakin cepat.

C. Karakteristik-Karakteristik Eksekusi Instruksi

Salah satu evolusi komputer yang besar adalah evolusi bahasa pemprograman. Bahasa pemprograman memungkinkan programmer dapat mengekspresikan algoritma lebih singkat, lebih memperhatikan rincian, dan mendukung penggunaan pemprograman terstruktur, tetapi ternyata muncul masalah lain yaitu semantic gap, yaitu perbedaan antara operasi-operasi yang disediakan oleh HLL dengan yang disediakan oleh arsitektur computer ini ditandai dengan ketidak efisienan eksekusi, program mesin yang berukuran besar dan kompleksitas kompiler.

Untuk mengurangi kesenjangan ini para perancang menjawabnya dengan arsitektur. Fitur-fiturnya meliputi set-set instruksi yang banyak, lusinan mode pengalamatan, dan statement–statement HLL yang diimplementasikan pada perangkat keras. Set-set instruksi yang kompleks tersebut dimaksudkan untuk :

1. Memudahkan pekerjaan compiler.

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

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

Oleh karena itu untuk memahami RISC perlu memperhatikan karakteristik eksekusi instruksi. Adapun aspek-aspek komputasinya adalah :

Operasi-operasi yang dilakukan,
Operand-operand yang digunakan,
Pengurutan eksekusi,.

· Operasi

Beberapa penelitian telah menganalisis tingkah laku program HLL (High Level Language). Assignment Statement sangat menonjol yang menyatakan bahwa perpindahan sederhana merupakan satu hal yang penting. Hasil penelitian ini merupakan hal yang penting bagi perancang set instruksi mesin yang mengindikasikan jenis instruksi mana yang sering terjadi karena harus didukung optimal.

· Operand

Penelitian Paterson telah memperhatikan [PATT82a] frekuensi dinamik terjadinya kelas-kelas variabel. Hasil yang konsisten diantara program pascal dan C menunjukkan mayoritas referensi menunjuk ke variable scalar. Penelitian ini telah menguji tingkah laku dinamik program HLL yang tidak tergantung pada arsitektur tertentu. Penelitian [LUND77] menguji instruksi DEC-10 dan secara dinamik menemukan setiap instruksi rata-rata mereferensi 0,5 operand dalam memori dan rata-rata mereferensi 1,4 register. Tentu saja angka ini tergantung pada arsitektur dan kompiler namun sudah cukup menjelaskan frekuensi pengaksesan operand sehingga menyatakan pentingnya sebuah arsitektur.

· Procedure Calls

Dalam HLL procedure call dan return merupakan aspek penting karena merupakan operasi yang membutuhkan banyak waktu dalam program yang dikompalasi sehingga banyak berguna untuk memperhatikan cara implementasi operasi ini secara efisien. Adapun aspeknya yang penting adalah jumlah parameter dan variabel yang berkaitan dengan prosedur dan kedalaman pensarangan (nesting).

E. Sifat-Sifat RISC (REDUCED INSTUCTION SET COMPUTER)

Semua atau setidaknya sebagian besar (80%) instruksi harus dieksekusi dalam satu siklus clock.
Satu instruksi harus memiliki ukuran setandar, yaitu sama dengan ukuran kata dasar (basic word length)
Jumlah jenis instruksinya harus kecil, tidak melebihi 128
Jumlah format instruksinya harus kecil, tidak melebihi kira-kira 4
Jumlah addressing mode harus kecil, tidak melebihi kira-kira 4
Akses kememori hanya dilakukan dengan instruksi load dan store
Semua operasi, kecuali operasi load dan strore merupakan operasi register ke register didalam CPU
Memiliki hardwired controlunit
Memiliki relative banyak register serbaguna internal CPU

F. Karakteristik Arsitektur Reduced Instruction Set Computers (RISC)

Arsitektur RISC memiliki beberapa karakteristik diantaranya :

1. Siklus mesin ditentukan oleh waktu yang digunakan untuk mengambil dua buah operand dari register, melakukan operasi ALU, dan menyimpan hasil operasinya kedalam register, dengan demikian instruksi mesin RISC tidak boleh lebih kompleks dan harus dapat mengeksekusi secepat mikro instruksi pada mesin-mesin CISC. Dengan menggunakan instruksi sederhana atau instruksi satu siklus hanya dibutuhkan satu mikrokode atau tidak sama sekali, instruksi mesin dapat dihardwired. Instruksi seperti itu akan dieksekusi lebih cepat dibanding yang sejenis pada yang lain karena tidak perlu mengakses penyimpanan kontrol mikro program saat eksekusi instruksi berlangsung.

2. Operasi berbentuk dari register-ke register yang hanya terdiri dari operasi load dan store yang mengakses memori. Fitur rancangan ini menyederhanakan set instruksi sehingga menyederhanakan pula unit control. Keuntungan lainnya memungkinkan optimasi pemakaian register sehingga operand yang sering diakses akan tetap ada di penyimpan berkecepatan tinggi. Penekanan pada operasi register ke register merupakan hal yang unik bagi perancangan RISC.

3. Penggunaan mode pengalamatan sederhana, hampir sama dengan instruksi menggunakan pengalamatan register,. Beberapa mode tambahan seperti pergeseran dan pe-relatif dapat dimasukkan selain itu banyak mod kompleks dapat disintesis pada perangkat lunak dibanding yang sederhana, selain dapat menyederhanakan sel instruksi dan unit kontrol.

4. Penggunaan format-format instruksi sederhana, panjang instruksinya tetap dan disesuaikan dengan panjang word. Fitur ini memiliki beberapa kelebihan karena dengan menggunakan field yang tetap pendekodean opcode dan pengaksesan operand register dapat dilakukan secara bersama-sama.

CONTOH RISC dan CISC

G. Ciri-Ciri RISC

1. Instruksi berukuran tunggal.

2. Ukuran yang umum adalah 4 byte.

3. Jumlah pengalamatan data sedikit, biasanya kurang dari 5 buah.

4. Tidak terdapat pengalamatan tak langsung yang mengharuskan melakukan sebuah akses memori agar memperoleh alamat operand lainnya dalam memori.

5. Tidak terdapat operasi yang menggabungkan operasi load/store dengan operasi aritmatika, seperti penambahan ke memori dan penambahan dari memori.

6. Tidak terdapat lebih dari satu operand beralamat memori per instruksi.

7. Tidak mendukung perataan sembarang bagi data untuk operasi load/ store.

8. Jumlah maksimum pemakaian memori manajemen bagi suatu alamat data adalah sebuah instruksi.

9. Jumlah bit bagi integer register spesifier sama dengan 5 atau lebih, artinya sedikitnya 32 buah register integer dapat direferensikan sekaligus secara eksplisit.

10. Jumlah bit floating point register spesifier sama dengan 4 atau lebih, artinya sedikitnya 16 register floating point dapat direferensikan sekaligus secara eksplisit.

Beberapa prosesor implementasi dari arsiteketur RISC adalah AMD 29000, MIPS R2000, SPARC, MC 88000, HP PA, IBM RT/TC, IBM RS/6000, intel i860, Motorola 88000 (keluarga Motorola), PowerPC G5.

H. Contoh Penerapan RISC (REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTER)

1. Komputer vekto

2. Mikroprosesor intel 960

3. Itanium (IA64) dari Intel Corporation

4. Power PC dari International Bussines Machine, dll

I. Prosessor Yang Menggunakan Sistem Risc

Power PC dibangun dengan arsitektur RISC Proyek mini komputer 801 di IBM pada tahun 1975 mengawali banyak konsep arsitektur yang digunakan dalam sistem RISC. 801 bersama dengan prosessor RISC I Berkeley, meluncurkan gerakan RISC, namun 801 hanya merupakan prototipe yang ditujukan untuk mengenalkan konsep desain. Keberhasilan memperkenalkan 801 menyebabkan IBM membangun produk workstation RISC komersial yaitu PC RT pada tahun 1986, dengan mengadaptasi konsep arsitektural 801 kedalam kinerja yang sebanding atau yang lebih baik. IBM RISC System/6000 merupakan mesin RISC super scalar1 yang dipasarkan sebagai workstation berunjuk kerja tinggi, tidak lama kemudian IBM mengkaitkan mesin ini sebagai arsitektur POWER.

IBM kemudian menjalin kerjasama dengan Motorola, pembuat mikroprosessor seri 6800, dan Apple, yang menggunakan keping Motorola dalam komputer Macintoshnya dan hasilnya adalah seri mesin yang mengimplementasikan arsitektur PowerPC yang diturunkan dari arsitektur POWER dan merupakan sistem RISC superscalar. Sejauh ini diperkenalkan empat anggota kelompok PowerPC yaitu :

1. 601,merupakan mesin 32-bit yang ditujukan untuk membawa arsitektur PowerPCkepasar secepat mungkin.

2. 603, merupakan mesin 32-bit yang ditujukan bagi low-end desktop dan komputer portable dengan implementasi yang lebih efesien.

3. 604, merupakan mesin 32-bit yang ditujukan bagi low-end server dan desktop, dengan menggunakan teknik rancangan superscalar lanjutan guna mendapatkan kinerja yang lebih baik.

4. 620, ditujukan bagi high-end server, sekaligus merupakan kelompok PowerPC pertama yang mengimplementasikan arsitektur 64 bit penuh, termasuk regiater 64-bit dan lintasan data.

Power PC sendiri adalah jenis prosesor yang big-endian, yang mendukung baik mode big-endian maupun litlle-endian. Arsitektur bi-endian memungkinkan pembuat perangkat lunak untuk memilih mode yang mana saja ketika harus memindahkan sistem operasi dan aplikasi dari suatu mesin ke mesin lainnya. Byte, halfword, word, doubleword merupakan jenis data umum. Prosesor mengiterpretasikan isi item data tertentu tergantung pada instruksi.

· Unsigned Halfword : seperti diatas namun dengan kuantitas 16-bit.

· Signed Halfword : digunakan untuk operasi aritmatika, dimuatkan kedalam memori dengan sign-extending pada sebelah kiri keukuran penuh register (yaitu, bit tanda disalinkan keposisi-posisi yang kosong).

· Unsigned Word : digunakan untuk operasi logika dan berfungsi sebagai pointer lokal.

· Signed Word : digunakan untuk operasi aritmatika.

· Unsigned Doubleword : digunakan sebagai pointer alamat.

· Byte String : panjangnya mulai 0 hingga 128 byte. Selain itu PowerPC mendukung data floating poing presisi tunggal dan presisi ganda yang ditetapkan pada IEEE 754.

J. Kelebihan dan Kekurangan

Teknologi RISC relatif masih baru oleh karena itu tidak ada perdebatan dalam menggunakan RISC ataupun CISC, karena tekhnologi terus berkembang dan arsitektur berada dalam sebuah spektrum, bukannya berada dalam dua kategori yang jelas maka penilaian yang tegas akan sangat kecil kemungkinan untuk terjadi.

Kelebihan

1. Berkaitan dengan penyederhanaan kompiler, dimana tugas pembuat kompiler untuk menghasilkan rangkaian instruksi mesin bagi semua pernyataan HLL. Instruksi mesin yang kompleks seringkali sulit digunakan karena kompiler harus menemukan kasus-kasus yang sesuai dengan konsepnya. Pekerjaan mengoptimalkan kode yang dihasilkan untuk meminimalkan ukuran kode, mengurangi hitungan eksekusi instruksi, dan meningkatkan pipelining jauh lebih mudah apabila menggunakan RISC dibanding menggunakan CISC.

2. Arsitektur RISC yang mendasari PowerPC memiliki kecenderungan lebih menekankan pada referensi register dibanding referensi memori, dan referensi register memerlukan bit yang lebih sedikit sehingga memiliki akses eksekusi instruksi lebih cepat.

3. Kecenderungan operasi register ke register akan lebih menyederhanakan set instruksi dan menyederhanakan unit kontrol serta pengoptimasian register akan menyebabkan operand-operand yang sering diakses akan tetap berada dipenyimpan berkecepatan tinggi.

4. Penggunaan mode pengalamatan dan format instruksi yang lebih sederhana.

Kekurangan

1. Program yang dihasilkan dalam bahasa simbolik akan lebih panjang (instruksinya lebih banyak).

2. Program berukuran lebih besar sehingga membutuhkan memori yang lebih banyak, ini tentunya kurang menghemat sumber daya.

3. Program yang berukuran lebih besar akan menyebabkan menurunnya kinerja, yaitu instruksi yang lebih banyak artinya akan lebih banyak byte-byte instruksi yang harus diambil.

4. Pada lingkungan paging akan menyebabkan kemungkinan terjadinya page fault lebih besar.

PENUTUP

Kesimpulan

Kebanyakan riset tentang prosesor RISC ditujukan untuk memperbaiki kinerja sistem komputer secara keseluruhan. Prosesor RISC hanya menggunkan instruksi-instruksi sederhana yang bisa dieksekusi dalam satu siklus. bagaimanapun juga, strategi pada RISC memberikan beberapa kelebihan. karena di RISC diciptakan untuk instruksi-instruksi komputasi yang paling sederhana, masing-masing instruksi hanya membutuhkan satu siklus detak umtuk eksekusi. Secara perangkat keras, prosesor RISC tidak terlalu banyak membutuhkan transistor dibandingkan dengan CISC, sehingga menyisakan ruangan untuk register-register serbaguna (general purpose register). Selain itu, karena semua instruksi dikerjakan dalam waktu yang sama maka dimungkinkan untuk melakukan pipelining.

Saran

Perkembangan teknologi kini semakin cepat, termasuk teknologi RISC, dimana teknologi ini akan memudahkan kita dalam pengkomputasian, dengan terciptanya teknologi-teknologi yang semakin maju, akan mempermudah dalam kehidupan, maka peningkatan secara kontinyu dari teknologi tersebut sangatlah diperlukan.

DAFTAR PUSTAKA

Stalling, Williams, Organisasi Dan Arsitektur Komputer : Perancangan Kinerja. Jilid 1, Terj. Gurnita Priatna, Jakarta : Prenhallindo,1998.

Stalling, Williams, Organisasi Dan Arsitektur Komputer : Perancangan Kinerja. Jilid 2, Terj. Gurnita Priatna, Jakarta : Prenhallindo,1998.

PowerPC Siap Masuki 2-GHz, Komputek, Juni 2001, edisi 219 minggu II, hal 3. http://www.lib.usm.my/Moro/GPI/bab10.html