Arsitektur Set Instruksi

Set Instruksi (bahasa Inggris: Instruction Set, atau Instruction Set Architecture (ISA)) didefinisikan sebagai suatu aspek dalam arsitektur komputer yang dapat dilihat oleh para pemrogram. Secara umum, ISA ini mencakup jenis data yang didukung, jenis instruksi yang dipakai, jenis register, mode pengalamatan, arsitektur memori, penanganan interupsi, eksepsi, dan operasi I/O eksternalnya (jika ada). Arsitektur set instruksi berbeda dengan mikroarsitektur, yang merupakan sejumlah teknik desain prosesor yang digunakan, dalam prosesor tertentu, untuk menerapkan set instruksi. Prosesor dengan microarchitectures yang berbeda dapat berbagi set instruksi yang sama. Sebagai contoh, Intel Pentium dan AMD Athlon mengimplementasikan versi yang hampir identik dari set instruksi x86, tetapi memiliki desain internal yang berbeda secara radikal.



Klasifikasi Set Instruksi
Ada 2 jenis klasifikasi set instruksi yang utama yaitu :

1. CISC (Complex Instruction Set of Computing)
2. RISC (Reduced Instruction Set of Computing)

CISC (Complex Instruction Set of Computing)
CISC (Complex Instruction Set of Computing) adalah desain prosesor dimana instruksi tunggal dapat menjalankan beberapa operasi tingkat rendah (seperti beban dari memori, operasi aritmatika, dan penyimpanan memori) atau mampu menjalankan operasi multi-langkah atau mode pengalamatan dalam instruksi tunggal. Istilah ini surut diciptakan berbeda dengan Reduced Instruction Set of Computing (RISC) dan karena itu telah menjadi sesuatu dari istilah umum untuk segala sesuatu yang bukan RISC, dari komputer mainframe yang besar dan kompleks untuk mikrokontroler sederhana di mana beban memori dan operasional penyimpanan tidak lepas dari instruksi aritmatika.

RISC (Reduced Instruction Set of Computing)
RISC (Reduced Instruction Set of Computing) adalah strategi desain CPU berdasarkan ide bahwa set instruksi yang disederhanakan memberikan kinerja yang lebih tinggi bila dikombinasikan dengan arsitektur mikroprosesor mampu melaksanakan instruksi tersebut menggunakan siklus mikroprosesor yang lebih sedikit per instruksi. [1] Sebuah komputer berdasarkan strategi ini adalah set instruksi komputer berkurang, juga disebut RISC. Arsitektur menentang disebut kompleks set instruksi komputasi (CISC). 

Karakteristik dan Fungsi Set Instruksi

• Operasi dari CPU ditentukan oleh instruksi-instruksi yang dilaksanakan atau dijalankannya. Instruksi ini sering disebut sebagai instruksi mesin (mechine instructions) atau instruksi komputer (computer instructions). 
• Kumpulan dari instruksi-instruksi yang berbeda yang dapat dijalankan oleh CPU disebut set Instruksi (Instruction Set).

 Elemen-elemen dari 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.

Design set instruksi merupakan masalah yang sangat kompleks yang melibatkan banyak aspek, diantaranya adalah :

1. Kelengkapan set instruksi
2. Ortogonalitas (sifat independensi instruksi)
3. Kompatibilitas : Source Code Compatibility & Object Code Compatibility

Suatu instruksi terdiri dari beberapa field yang sesuai dengan elemen dalam instruksi tersebut. Layout dari suatu instruksi sering disebut sebagai Format Instruksi (Instruction Format).




Jenis Operand

• Address
• Numbers : Integer, Floating Point, Decimal
• Character : ASCII, EBCDIC
• Logical Data

Jenis Instruksi

• Data processing: Arithmetic dan Logic Instructions
• Data storage: Memory instructions
• Data Movement: I/O instructions
• Control: Test and branch instructions

Jenis Addressing Mode (Teknik Pengalamatan)

1. Immediate
2. Direct
3. Indirect
4. Register
5. Register Indirect
6. Displacement
7. Stack

 Immediate Addressing
- Pengalamatan yang paling sederhana.
- Operand benar-benar ada dalam instruksi atau bagian dari intsruksi
- Operand sama dengan field alamat
- Umumnya bilangan akan disimpan dalam bentuk complement dua
- Bit paling kiri sebagai bit tanda
- Ketika operand dimuatkan ke dalam register data, bit tanda digeser ke kiri hingga maksimum word data

Keuntungan :
- Tidak adanya referensi memori selain dari instruksi yang diperlukan untuk memperoleh operand
- Menghemat siklus instruksi sehingga proses keseluruhanakan akan cepat

Kekurangan :
- Ukuran bilangan dibatasi oleh ukuran field

Contoh :
- ADD 7 ; tambahkan 7 pada akumulator

Direct Addressing
- Teknik ini banyak digunakan pada komputer lama dan komputer kecil
- Hanya memerlukan sebuah referensi memori dan tidak memerlukan kalkulus khusus

Kelebihan :
- Field alamat berisi efektif address sebuah operand

Kekurangan :
- Keterbatasan field alamat karena panjang field alamat biasanya lebih kecil dibandingkan panjang word

Contoh :
- ADD A ; tambahkan isi pada lokasi alamat A ke akumulator

Indirect Addressing
- Merupakan mode pengalamatan tak langsung
- Field alamat mengacu pada alamat word di alamat memori, yang pada gilirannya akan berisi alamat operand yang panjang

Kelebihan :
- Ruang bagi alamat menjadi besar sehingga semakin banyak alamat yang dapat referensi

Kekurangan :
- Diperlukan referensi memori ganda dalam satu fetch sehingga memperlambat proses operasi

Contoh :
- ADD (A) ; tambahkan isi memori yang ditunjuk oleh isi alamat A ke akumulator


Register Addressing

- Metode pengalamatan register mirip dengan mode pengalamatan langsung

- Perbedaanya 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

Keuntungan :
- Diperlukan field alamat berukuran kecil dalam instruksi dan tidak diperlukan referensi memori

- Akses ke register 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
- Keuntungan dan keterbatasan pengalamatan register tidak langsung pada dasarnya 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

Displacement Addressing

- Menggabungkan kemampuan pengalamatan langsung dan pengalamatan register tidak langsung
- Mode ini mensyaratkan instruksi memiliki dua buah field alamat, sedikitnya sebuah field yang eksplisit
- Operand berada pada alamat A ditambahkan isi register
Tiga model displacement
- Relative addressing : register yang direferensi secara implisit adalah Program Counter (PC)
- Alamat efektif didapatkan dari alamat instruksi saat itu ditambahkan ke field alamat
- Memanfaatkan konsep lokalitas memori untuk menyediakan operand-operand berikutnya
Base register addressing : 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  : 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-pprogram iteratif

Contoh :
- Field eksplisit bernilai A dan field imlisit mengarah pada register

Stack Addressing

- Stack adalah array lokasi yang linier = pushdown list = last-in-firs-out
- Stack merupakan blok lokasi yang terbaik
- Btir ditambahkan ke puncak stack sehingga setiap 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. 

Referensi :

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Instruction_set
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Complex_instruction_set_computing
3. https://en.wikipedia.org/wiki/Reduced_instruction_set_computing
4. http://www.slideshare.net/Henniheny/set-instruksi-27850098