Menurut Kamus Besar
Bahasa Indonesia, Karakteristik adalah ciri-ciri khusus atau mempunyai sifat
khas sesuai dengan perwatakan tertentu. Instruksi adalah perintah atau arahan
(untuk melakukan suatu pekerjaan atau melaksanakan suatu tugas). Mesin adalah
perkakas untuk menggerakkan, atau membuat sesuatu yang dijalankan dengan
roda-roda dan digerakkan oleh tenaga manusia atau motor penggerak yang
menggunakan bahan bakar minyak atau tenaga alam.
Jadi,
karakteristik-karakteristik instruksi mesin adalah ciri-ciri khusus atau sifat
khas yang dimiliki oleh instruksi-instruksi atau kode operasi dalam pemrograman
komputer.. Operasi CPU ditentukan oleh instruksi-instruksi yang dieksekusinya.
Instruksi-instruksi ini dikenal sebagai intruksi mesin atau instruksi computer.
Set fungsi dari instruksi-instruksi yang berbeda yang dapat di eksekusi oleh
CPU dikenal sebagai set instruksi CPU.
A. Elemen-elemen
Instuksi Mesin
Setiap instruksi harus
terdiri dari informasi yang diperlukan oleh CPU untuk dieksekusi. Gambar
langkah-langkah yang terdapat dalam eksekusi instruksi dan bentuk elemen-elemen
instruksi mesin, adalah sebagai berikut :
- Kode Operasi :
menentukan operasi-operasi yang akan dilakukan (misalnya: ADD,I/O). Operasi itu
dispesifilan oleh sebuah kode biner, dikenal sebagai kode operasi.
- Acuan Operand Sumber
: Operasi dapat melibatkan satu atau lebih operand sumber, dengan kata lain,
operand adalah input bagi operasi.
- Acuan Operand Hasil:
Operasi dapat menghasilkan sebuah hasil.
- Acuan Instruksi
Berikutnya: Elemen ini memberitahukan CPU posisi instruksi berikutnya yang
harus diambil setelah menyelesaikan eksekusi suatu instruksi. Instuksi
berikutnya yang akan diambil berada di memori utama atau pada system memori
virtual, akan berada baik di dalam memori utama atau memori sekunder. Umumnya,
instruksi yang akan segera diambil selanjutnya, berada setelah instruksi saat
itu. Ketika acuan eksplisit dibutuhkan, maka alamat memori utama atau alamat
memori virtual harus disiapkan. Operand sumber dan hasil dapat berada di salah
satu dari ketiga daerah berikut ini:
- Memori Utama atau
Memori Virtual: Dengan adanya acuan instruksi berikutnya, maka alamat memori
utama atau memori virtual harus diketahui.
- Register CPU: Dengan
suatu pengecualian yang jarang terjadi, CPU terdiri dari sebuah register atau
lebih yang dapat diacu oleh instruksi-instruksi mesin. Bila hanya terdapat
sebuah register saja, maka acuan ke instruksi tersebut dapat berbentuk
implicit. Sedangkan jika terdapat lebih dari satu register, maka setiap
register diberi nomor yang unik, dan instruksi harus terdiri dari nomor
register yang dimaksud.
- Perangkat I/O:
Instruksi harus menspesifikan modul I/O dan perangkat yang diperlukan oleh
operasi. Jika digunakan I/O memori terpetakan, maka perangkat ini merupakan
memori utama atau memori virtual.
B. Representasi
Instruksi
Di dalam computer,
instruksi dipresentasikan oleh sehimpunan bit. Himpunan bit ini dibagi menjadi
beberapa bidang, dengan bidang-bidang ini berkaitan dengan elemen-elemen yang
akan memuat instruksi. Layout instruksi ini dikenal sebagai bentuk instruksi.
Contoh yang sederhana ditunjukkan pada gambar. Pada sebagian besar set
instruksi, dapat digunakan lebih dari satu bentuk. Selama berlangsungnya
eksekusi instruksi, instruksi dibaca ke dalam register instruksi yang terdapat
dalam CPU. Untuk melakukan operasi yang diperlukan, CPU harus dapat
mengeluarkan data dari berbagai bidang instruksi. Opcode direpresentasikan
dengan singkatan-singkatan, yang disebut mnemorik, yang mengindikasikan
operasi, contohnya adalah:
-ADD Add (Menambahkan)
-SUB Substract
(Pengurangan)
-MPY Multiply
(Perkalian)
-DIV Divide (Pembagian)
-LOAD Muatkan data data
dari memori
-STOR Simpan data ke
memori
Operand-operand juga
direpresentasikan secara simbolik. Misalnya instruksi ADD R,Y Berarti tambahkan
niali yang terdapat pada lokasi Y ke isi register R. Dalam contoh ini, Y
berkaitan dengan alamat lokasi di dalam memori, dan R berkaitan dengan register
tertentu. Perlu dicatat bahwa operasi dilakukan terhadap isi alamat, bukan
terhadap alamatnya.
Sehingga adalah mungkin
untuk menuliskan program bahasa mesin dalam bentuk simbolik. Setiap opcode
simbolik memiliki representasi biner yang tetap, dan pemrograman dapat
menetapkan masing-masing operand simbolik. Misalnya, pemrograman dapat
memulainya dengan definisi-definisi:
-X=523
-Y=514
dan seterusnya. Sebuah
program yang sederhana akan menerima input simbol ini, kemudian mengkonversiakn
opcode dan acuan operand menjadi bentuk biner, dan akhirnya membentuk instruksi
mesin biner.
C. Jenis-Jenis
Instruksi
Sebuah instuksi yang
dapat diekspresikan dalam bahasa BASIC atau FORTRAN. X = X+Y Pernyataan ini
menginstruksiakna komputer untuk menambahkan nilai yang tersimpan di Y ke nilai
yang tersimpan di X dan menyimpan hasilnya di X. Variabel X dan Y
berkorespondensi dengan lokasi 513 dan 514. Jika kita mengasumsikan set
instruksi mesin yang sederhana, maka operasi ini dapat dilakukan dengan tiga
buah instruksi:
1. Muatkan sebuah
register dengan isi lokasi memori 513
2. Tambahkan isi lokasi
memori ke register
3. Simpan isi register
di lokasi memori 513
Suatu komputer harus
memiliki set instruksi yang memungkinkan pengguna untuk memformulasikan
pengolahan data atau dengan memperhatikan kemampuan pemrograman bahasa tingkat tinggi.
Agar dapat dieksekusi, setiap program yang ditulis dalam bahasa program tingkat
tinggi harus diterjemahkan ke dalam bahasa mesin. Jadi, set instruksi mesin
harus dapat mengekspresikan setiap instruksi bahas atingkat tinggi.
Adapun Jenis-jenis
instrusi sebagai berikut:
- Pengolahan Data :
Instrusi-instruksi aritmatika dan logika
- Penyimpanan Data :
Instriksi-instruksi memori
- Perpindahan Data :
Instruksi I/O
- Kontrol : Instruksi
pemeriksaan dan percabangan
D. Jumlah Alamat
Salah satu cara
tradisional dalam menjelaskan arsitektur prosesor adalah dengan memakai jumlah
alamat yang terdapat pada masing-masing instruksi. Instruksi aritmatika dan
logika memerlukan operand yang berjumlah banyak. Secara virtual, seluruh
operasi eritmatika dan logika merupakan uner/unary (satu operand) atau biner
(dua operand). Dengan demikian, memerlukan maksimum dua alamat untuk acuan
operand. Hasil sebuah operasi akan memerlukan alamat ketiga.
Dengan demikian,
instruksi perlu memiliki empat buah acuan alamat: dua buah operand, sebuah
hasil operasi, dan sebuah alamat instruksi berikutnya. Sebagian besar CPU
merupakan variasi satu, dua, atau tiga alamat dengan alamat instruksi
berikutnya merupakan implisit (diperoleh dari pencacah program). Format tiga
alamat tidak umum digunakan, karena instruksi-instruksi tersebut memerlukan
bentuk instruksi yang lebih relatif lebih panjang untuk menampung acuan-acuan
tiga alamat. Sedangkan bentuk dua alamat mengurangi kebuatuahan ruang akan
tetapi menimbulkan kesulitan. Instruksi yang lebih sederhana adalah instruksi
satu alamat. Agar alamat ini dapat berfungsi, alamat perlu diimplisitkan.
E. Rancangan Set
Instruksi
Salah satu hal yang
paling menarik tentang rancangan komputer adalah rancangan set instruksi.
Karena rancangan ini mempengaruhi banak aspek sistem komputer, maka rancangan
set instruksi sangat kompleks. Set instruksi menentukan banyak fungsi yang akan
dilakukan oleh CPU dan karena itu memiliki efek yang sangat menentukan
implementasi CPU. Set instruksi merupakan alat bagi pemrogram untuk mengontrol
CPU. Dengan demikian, kebutuhan-kebutuhan pemrogram harus menjadi bahan
pertimbangan dalam merancang set instruksi. Masalah rancangan
fundamental yang paling signifikan meliputi:
- Repertoi Operasi:
Berapa banyak dan opersai-operasi apa yang harus disediakan, dan sekompleks
apakah operasi itu seharusnya.
- Jenis data : berbagai
jenis data pada saat operasi dijalankan
- Bentuk instruksi :
Panjang instruksi (dalam bit), jumlah alamat, ukuran bidang, dan sebagainya.
- Register : Jumlah
register CPU yang dapat diacu oleh instruksi, dan fungsinya.
- Pengalamatan: Mode
untuk menspesifikasikan alamat suatu operand.
Masalah-masalah ini
saling berkaitan dan harus diperhatikan dalam merancang set instruksi.
Kesimpulan
- Instruksi mesin
(machine intruction) yang dieksekusi membentuk suatu operasi dan berbagai macam
fungsi CPU.
- Kumpulan fungsi yang
dapat dieksekusi CPU disebut set instruksi (istruction set) CPU.
- Karakteristik
instruksi mesin, meliputi:
- Elemen-elemen
instruksi
- Representasi instruksi
- Jenis-jenis instruksi
- Penggunaan alamat
- Rancangan set
instruksi
1.ELEMEN-ELEMEN DARI INSTRUKSI MESIN
(SET INSTRUKSI)
- Operation Code (opcode)
: menentukan operasi yang akan dilaksanakan
- Source Operand
Reference : merupakan input bagi operasi yang akan dilaksanakan
- Result Operand
Reference : merupakan hasil dari operasi yang dilaksanakan
- Next instruction
Reference : memberitahu CPU untuk mengambil (fetch) instruksi berikutnya
setelah instruksi yang dijalankan selesai.
- Source dan result
operands dapat berupa salah Satu diantara tiga jenis berikut ini:
- Main or Virtual
Memory
- CPU Register
- I/O Device
2. DESAIN SET INSTRUKSI
Desain set instruksi
merupakan masalah yang sangat komplek 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:
- Operation Repertoire:
Berapa banyak dan operasi apa saja yang disediakan, dan berapa sulit operasinya
- Data Types:
tipe/jenis data yang dapat olah
Instruction Format: panjangnya, banyaknya alamat, dsb.
- Register: Banyaknya
register yang dapat digunakan.
- Addressing: Mode
pengalamatan untuk operand.
3. FORMAT INSTRUKSI
Suatu instruksi terdiri
dari beberapa field yang sesuai dengan elemen dalam instruksi tersebut. Layout
dari suatu instruksi sering disebut sebagai Format Instruksi (Instruction
Format).
4. JENIS-JENIS OPERAND
Addresses (akan dibahas
pada addressing modes)
Numbers :
- Integer or fixed point
- Floating point
- Decimal (BCD)
Characters :
- ASCII
- EBCDIC
Logical Data : Bila
data berbentuk binary: 0 dan 1
5. JENIS INSTRUKSI
- Data processing: Arithmetic dan Logic Instructions
- Data storage: Memory instructions
- Data Movement: I/O instructions
- Control: Test and branch instructions
6. TRANSFER DATA
- Menetapkan lokasi
operand sumber dan operand tujuan.
- Lokasi-lokasi tersebut
dapat berupa memori, register atau bagian paling atas daripada stack.
- Menetapkan panjang data
yang dipindahkan.
- Menetapkan mode
pengalamatan.
- Tindakan CPU untuk
melakukan transfer data adalah :
- Memindahkan data
dari satu lokasi ke lokasi lain.
- Apabila memori
dilibatkan :
- Menetapkan alamat memori.
- Menjalankan transformasi alamat memori
virtual ke alamat memori aktual.
- Mengawali pembacaan /
penulisan memori
Operasi set instruksi
untuk transfer data :
- MOVE : memindahkan word
atau blok dari sumber ke tujuan
- STORE : memindahkan
word dari prosesor ke memori.
- LOAD : memindahkan word
dari memori ke prosesor.
- EXCHANGE : menukar isi
sumber ke tujuan.
- CLEAR / RESET :
memindahkan word 0 ke tujuan.
- SET : memindahkan word
1 ke tujuan.
- PUSH : memindahkan word
dari sumber ke bagian paling atas stack.
- POP : memindahkan word
dari bagian paling atas sumber
7. ARITHMETIC
Tindakan CPU untuk
melakukan operasi arithmetic :
1. Transfer data
sebelum atau sesudah.
2. Melakukan fungsi
dalam ALU.
3. Menset kode-kode
kondisi dan flag.
Operasi set instruksi
untuk arithmetic :
1. ADD :
penjumlahan 5.
ABSOLUTE
2. SUBTRACT :
pengurangan 6. NEGATIVE
3. MULTIPLY :
perkalian 7. DECREMENT
4. DIVIDE :
pembagian 8.
INCREMENT
Nomor 5 sampai 8
merupakan instruksi operand tunggal.
8. LOGICAL
Tindakan CPU sama
dengan arithmetic
Operasi set instruksi
untuk operasi logical :
1. AND, OR, NOT, EXOR
2. COMPARE : melakukan perbandingan
logika.
3. TEST : menguji kondisi
tertentu.
4. SHIFT : operand menggeser ke kiri
atau kanan menyebabkan konstanta pada ujung bit.
5. ROTATE : operand
menggeser ke kiri atau ke kanan dengan ujung yang terjalin.
9. CONVERSI
Tindakan CPU sama
dengan arithmetic dan logical.
Instruksi yang mengubah
format instruksi yang beroperasi terhadap format data.
Misalnya pengubahan
bilangan desimal menjadi bilangan biner.
Operasi set instruksi
untuk conversi :
1. TRANSLATE : menterjemahkan nilai-nilai
dalam suatu bagian memori berdasrkan tabel korespodensi.
2. CONVERT : mengkonversi isi suatu word
dari suatu bentuk ke bentuk lainnya.
10. INPUT / OUPUT
Tindakan CPU untuk
melakukan INPUT /OUTPUT :
1. Apabila memory mapped I/O maka menentukan alamat
memory mapped.
2. Mengawali perintah
ke modul I/O
Operasi set instruksi
Input / Ouput :
1. INPUT : memindahkan
data dari pernagkat I/O tertentu ke tujuan
2. OUTPUT : memindahkan
data dari sumber tertentu ke perangkat I/O
3. START I/O :
memindahkan instruksi ke prosesor I/O untuk mengawali operasi I/O
4. TEST I/O :
memindahkan informasi dari sistem I/O ke tujuan
11.TRANSFER CONTROL
Tindakan CPU untuk
transfer control :
Mengupdate program
counter untuk subrutin , call / return.
Operasi set instruksi
untuk transfer control :
- JUMP (cabang) :
pemindahan tidak bersyarat dan memuat PC dengan alamat tertentu.
- JUMP BERSYARAT :
menguji persyaratan tertentu danmemuat PC dengan alamat tertentu atau tidak melakukan apa tergantung dari persyaratan.
- JUMP SUBRUTIN :
melompat ke alamat tertentu.
- RETURN : mengganti
isi PC dan register lainnya yang berasal dari lokasi tertentu.
- EXECUTE : mengambil
operand dari lokasi tertentu dan mengeksekusi sebagai instruksi
- SKIP : menambah PC
sehingga melompati instruksi berikutnya.
- SKIP BERSYARAT :
melompat atau tidak melakukan apa-apa berdasarkan pada persyaratan
- HALT : menghentikan
eksekusi program.
- WAIT (HOLD) :
melanjutkan eksekusi pada saat persyaratan dipenuhi.
- NO OPERATION :
tidak ada operasi yang dilakukan.
12. CONTROL SYSTEM
Hanya dapat dieksekusi
ketika prosesor berada dalam keadaan khusus tertentu atau sedang mengeksekusi
suatu program yang berada dalam area khusus, biasanya digunakan dalam sistem
operasi.
Contoh : membaca atau
mengubah register kontrol.
13. JUMLAH ALAMAT (NUMBER OF ADDRESSES)
Salah satu cara
tradisional untuk menggambarkan arsitektur prosessor adalah dengan melihat
jumlah alamat yang terkandung dalam setiap instruksinya. Jumlah alamat maksimum
yang mungkin diperlukan dalam sebuah instruksi :
1. Empat Alamat ( dua operand, satu hasil,
satu untuk alamat instruksi berikutnya)
2. Tiga Alamat (dua operand,
satu hasil)
3. Dua Alamat (satu
operand merangkap hasil, satunya lagi operand)
4. Satu Alamat
(menggunakan accumulator untuk menyimpancoperand dan hasilnya)
14. Macam-macam instruksi menurut jumlah
operasi yang dispesifikasikan
1. Memori To Register
Instruction
2. Memori To Memori Instruction
3. Register To Register Instruction
15. ADDRESSING MODES
Jenis-jenis addressing
modes (Teknik Pengalama-tan) yang paling umum:
- Immediate
- Direct
- Indirect
- Register
- Register Indirect
- Displacement
- Stack
Pengenalan Mode
Pengalamatan
Mode pengalamatan
adalah bagaimana cara menunjuk dan
mengalamati suatu lokasi memori pada
sebuah alamat di mana operand akan diambil. Mode pengalamatan diterapkan
pada set instruksi, dimana pada umumnya instruksi terdiri dari opcode (kode
operasi) dan alamat. Setiap mode pengalamatan memberikan fleksibilitas khusus
yang sangat penting. Mode pengalamatan ini meliputi direct addressing, indirect
addressing, dan immediate addressing.
1. Direct Addresing
Dalam mode pengalamatan
direct addressing, harga yang akan dipakai diambil langsung dalam alamat memori
lain. Contohnya: MOV A,30h. Dalam instruksi ini akan dibaca data dari RAM
internal dengan alamat 30h dan kemudian disimpan dalam akumulator. Mode
pengalamatan ini cukup cepat, meskipun harga yang didapat tidak langsung
seperti immediate, namun cukup cepat karena disimpan dalam RAM internal.
Demikian pula akan lebih mudah menggunakan mode ini daripada mode immediate
karena harga yang didapat bisa dari lokasi memori yang mungkin variabel.
Kelebihan dan
kekurangan dari Direct Addresing antara lain :
-Kelebihan
----Field alamat berisi efektif address
sebuah operand
- Kelemahan
----Keterbatasan field alamat karena panjang
field alamat biasanya lebih kecil dibandingkan panjang word
2. Indirect Addresing
Mode pengalamatan
indirect addressing sangat berguna karena dapat memberikan fleksibilitas tinggi
dalam mengalamati suatu harga. Mode ini pula satu-satunya cara untuk mengakses
128 byte lebih dari RAM internal pada keluarga 8052. Contoh: MOV A,@R0. Dalam
instruksi tersebut, 89C51 akan mengambil harga yang berada pada alamat memori
yang ditunjukkan oleh isi dari R0 dan kemudian mengisikannya ke akumulator.
Mode pengalamatan indirect addressing selalu merujuk pada RAM internal dan
tidak pernah merujuk pada SFR. Karena itu, menggunakan mode ini untuk
mengalamati alamat lebih dari 7Fh hanya digunakan untuk keluarga 8052 yang
memiliki 256 byte spasi RAM internal.
Kelebihan dan
kekurangan dari Indirect Addresing antara lain :
- Kelebihan
---Ruang bagi alamat menjadi besar
sehingga semakin banyak alamat yang dapat referensi
- Kekurangan
---Diperlukan referensi memori ganda dalam
satu fetch sehingga memperlambat preoses operasi
3. Immediate Addresing
Mode pengalamatan
immediate addressing sangat umum dipakai karena harga yang akan disimpan dalam
memori langsung mengikuti kode operasi dalam memori. Dengan kata lain, tidak
diperlukan pengambilan harga dari alamat lain untuk disimpan. Contohnya: MOV
A,#20h. Dalam instruksi tersebut, akumulator akan diisi dengan harga yang
langsung mengikutinya, dalam hal ini 20h. Mode ini sangatlah cepat karena harga
yang dipakai langsung tersedia.
Kelebihan dan
kekurangan dari Immedieate Addresing antara lain :
- Keuntungan
---Tidak adanya referensi memori selain
dari instruksi yang diperlukan untuk memperoleh operand
---Menghemat siklus instruksi sehingga
proses keseluruhan akan cepat
- Kekurangan
---Ukuran bilangan dibatasi oleh ukuran
field alamat
B. Pengenalan pada
Register Addressing
Register adalah
merupakan sebagian memori dari mikro prosessor yang dapat diakses dengan
kecepatan tinggi. Metode pengalamatan register ini mirip dengan mode pengalamatan langsung.
Perbedaannya 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.
Kelebihan dan
kekurangan Register Addressing :
- Keuntungan
pengalamatan register
- Diperlukan field alamat berukuran
kecil dalam instruksi dan tidak diperlukan referensi memori
- Akses ke regster lebih cepat daripada
akses ke memori, sehingga proses eksekusi akan lebih cepat
Kerugian
- Ruang alamat menjadi terbatas
Register Indirect
Addressing
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
Kelebihanan dan kekurangan pengalamatan register tidak langsung adalah 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
C. Pengenalan Displacement
Addressing dan Stack Addresing
Displacement Addressing
adalah menggabungkan kemampuan pengalamatan langsung dan pengalamatan register
tidak langsung. Mode ini mensyaratkan instruksi memiliki dua buah field alamat,
sedikitnya sebuah field yang eksplisit
Field eksplisit
bernilai A dan field implisit mengarah pada register.
Ada tiga model
displacement : Relative addressing, Base register addressing, Indexing
- Relative addressing
Register yang
direferensi secara implisit adalah program counter (PC)
- Alamat efektif relative addresing
didapatkan dari alamat instruksi saat itu ditambahkan ke field alamat
- Relativ addressing memanfaatkan konsep
lokalitas memori untuk menyediakan operand-operand berikutnya
- Base register addresing, 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 adalah 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-program iterative
Stack adalah array
lokasi yang linier = pushdown list = last-in-first-out. Stack merupakan blok
lokasi yang terbalik. Butir ditambakan ke puncak stack sehingga setiap saat
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.