- 1. PipelinePaper Organisasi KomputerKelompok 3 :1. Asep Wahyudi
Zein ( 1111600084 )2. Dian Parikesit ( 1111600092 )3. Hasto Gesang
W ( 1111600100 )Magister Komputer - Universitas Budi Luhur2011
2. DAFTAR ISI1. Pengertian
Pipeline..........................................................................................22.
Instruksi Pipeline
............................................................................................43.
Permasalahan di (dalam) Instruksi Pipelining
...............................................114. Implementasi
Pipeline
...................................................................................175.
Beberapa Solusi Pipeline
...............................................................................226.
Keuntungan dan kerugian pipeline
................................................................327.
Daftar Pustaka
...............................................................................................34Pipeline
ComputerPage 2 3. 1. Pengertian PipelinePipeliningPipeline adalah
suatu cara yang digunakan untuk melakukan sejumlah kerja secara
bersamatetapi dalam tahap yang berbeda yang dialirkan secara
kontinu pada unit pemrosesan. Dengancara ini, maka unit pemrosesan
selalu bekerja.Teknik pipeline ini dapat diterapkan pada berbagai
tingkatan dalam sistemkomputer. Bisa padalevel yang tinggi,
misalnya program aplikasi, sampai pada tingkat yang rendah, seperti
padainstruksi yang dijaankan oleh microprocessor.Pada
microprocessor yang tidak menggunakan pipeline, satu instruksi
dilakukan sampai selesai,baru instruksi berikutnya dapat
dilaksanakan. Sedangkan dalam mikroprocessor yangmenggunakan teknik
pipeline, ketika satu instruksi sedangkan diproses, maka instruksi
yangberikutnya juga dapat diproses dalam waktu yang bersamaan.
Tetapi, instruksi yang diprosessecara bersamaan ini, ada dalam
tahap proses yang berbeda. Jadi, ada sejumlah tahapan yangakan
dilewati oleh sebuah instruksi.Dengan penerapan pipeline ini pada
microprocessor akan didapatkan peningkatan dalam unjukkerja
microprocessor. Hal ini terjadi karena beberapa instruksi dapat
dilakukan secara paralleldalam waktu yang bersamaan. Secara
kasarnya diharapkan akan didapatkan peningkatan sebesarX kali
dibandingkan dengan microprocessor yang tidak menggunakan pipeline,
apabila tahapanyang ada dalam satu kali pemrosesan instruksi adalah
X tahap.Karena beberapa instruksi diproses secara bersamaan ada
kemungkinan instruksi tersebut sama-samamemerlukan resource yang
sama, sehingga diperlukan adanya pengaturan yang tepat agarproses
tetap berjalan dengan benar. Sedangkan ketergantungan terhadap
data, bisa muncul,misalnya instruksi yang berurutan memerlukan data
dari instruksi yang sebelumnya. KasusJump, juga perlu perhatian,
karena ketika sebuah instruksi meminta untuk melompat ke
suatulokasi memori tertentu, akan terjadi perubahan program
counter, sedangkan instruksi yangsedang berada dalam salah satu
tahap proses yang berikutnya mungkin tidak mengharapkanterjadinya
perubahan program counter.Teknik pipeline yang diterapkan pada
microprocessor, dapat dikatakan sebuah arsitektur khusus.Ada
perbedaan khusus antara model microprocessor yang tidak menggunakan
arsitektur pipelinedengan microprocessor yang menerapkan teknik
ini.Pada microprocessor yang tidak menggunakan pipeline, satu
instruksi dilakukan sampai selesai,baru instruksi berikutnya dapat
dilaksanakan. Sedangkan dalam microprocessoryangmenggunakan teknik
pipeline, ketika satu instruksi sedangkan diproses, maka instruksi
yangberikutnya juga dapat diproses dalam waktu yang bersamaan.
Tetapi, instruksi yang diprosessecara bersamaan ini, ada dalam
tahap proses yang berbeda.Pipeline ComputerPage 3 4. Jadi, ada
sejumlah tahapan yang akan dilewati oleh sebuah instruksi.Misalnya
sebuah microprocessor menyelesaikan sebuah instruksi dalam 4
langkah. Ketikainstruksi pertama masuk ke langkah 2, maka instruksi
berikutnya diambil untuk diproses padalangkah 1 instruksi tersebut.
Begitu seterusnya, ketika instruksi pertama masuk ke langkah
3,instruksi kedua masuk ke langkah 2 dan instruksi ketiga masuk ke
langkah 1.2. Kenapa komputer menggunakan teknik Pipelining?? Drive
for computing speed never ends. Improvements from architecture or
organization point of view are limited Clock speed enhancement is
done, but more improvement should be sought from instruction
execution perspective, instead of hardware design Flyns Taxonomy :
SISD (Single Instruction Single stream of Data), SIMD (Single
Instruction Multiple stream of data) or MIMD Parallel Parallel
Processor : may be a solution Use two processors (or more, instead
of one) in a computer system How do it runs the code ? (program)
Suppose, we have a problem :C = (A2+ B2)3. Intruksi pipelineTahapan
pipeline Mengambil instruksi dan membuffferkannya Ketika tahapn
kedua bebas tahapan pertama mengirimkan instruksi yang
dibufferkantersebut Pada saat tahapan kedua sedang mengeksekusi
instruksi, tahapan pertama memanfaatkansiklus memori yang tidak
dipakai untuk mengambil dan membuffferkan instruksiberikutnya
.Instuksi pipeline:Karena untuk setiap tahap pengerjaan instruksi,
komponen yang bekerja berbeda, makadimungkinkan untuk mengisi
kekosongan kerja di komponen tersebut. Sebagai contoh :Instruksi 1:
ADD AX, AXInstruksi 2: ADD EX, CXSetelah CU menjemput instruksi 1
dari memori (IF), CU akan menerjemahkan instruksitersebut(ID). Pada
menerjemahkan instruksi 1 tersebut, komponen IF tidak bekerja.
Adanyateknologi pipeline menyebabkan IF akan menjemput instruksi 2
pada saat ID menerjemahkaninstruksi 1. Demikian seterusnya pada
saat CU menjalankan instruksi 1 (EX), instruksi 2diterjemahkan
(ID).Pipeline ComputerPage 4 5. Contoh pengerjaan instruksi tanpa
pipelinet =ADD AX,AXADD BX,CX1 2 3 4 5 6 7 8 9 10IF DE IF DE EXIF
DE IF DE EXDisini instruksi baru akan dijemput jika instruksi
sebelumnya telah selesai dilaksanakan.t =ADD AX,AXADD BX,CXADD
DX,DXpipeline1 2 3 4 5 6 7 8 9 10IF DE IF DE EXIF DE IF DE EXIF DE
IF DE EXContohpengerjaaninstruksidenganDisini instruksi baru akan
dipanggil setelah tahap IF menganggur (t2).Dengan adanya pipeline
dua instruksi selesai dilaksanakan pada detik keenam (sedangkan
padakasus tanpa pipeline baru selesai pada detik kesepuluh). Dengan
demikian telah terjadipercepatan sebanyak 1,67x dari 10T menjadi
hanya 6T. Sedangkan untuk pengerjaan 3 buahinstruksi terjadi
percepatan sebanyak 2, 14 dari 15T menjadi hanya 7T.Untuk kasus
pipeline sendiri, 2 instruksi dapat dikerjakan dalam 6T(CPI = 3)
dan instruksi dapatdikerjakan dalam 7T (CPT = 2,3) dan untuk 4
instruksi dapat dikerjakan dalam 8T (CPI =2). Iniberarti utnuk 100
instruksi akan dapat dikerjakan dalam 104T (CPI = 1,04). Pada
kondisi idealCPI akan harga 1.Dalam teknik pipeline, problem dibagi
menjadi deretan yang harus dilaksanakan satu setelahlainnya. Setiap
tugas nantinya akan dieksekusi oleh proses atau prosesor yang
berbeda.Gambar 1 Proses pipelineGambar 2 Pipeline untuk
penjumlahanPipeline ComputerPage 5 6. Filter frekuensi -
Menghilangkan frekuensi tertentu ( katakan f0, f1, f2, f3, dst)
signal, f(t). Signaldapat dilewati pipeline dari kiri.Gambar 3.
Pipeline untuk filter frekuensiPipeline dapat meningkatkan
kecepatan untuk problem yang sekuensial, dalam tiga
tipekomputasi:1. Jika lebih dari satu instance dari problem yang
akan dieksekusi2. Jika ada deretan item data yang harus diproses,
masing-masing membutuhkan operasi ganda3. Jika informasi untuk
memulai proses berikutnya dpt diberikan sebelum proses
selesaimelaksanakan operasi internalnya.Diagram Ruang-Waktu
Pipeline Tipe 1Gambar 4. Diagram ruang waktu pipelinePipeline
ComputerPage 6 7. Gambar 5 Diagram Ruang-Waktu AlternatifDiagram
Ruang-Waktu Pipeline Tipe 2Gambar 6 Pemrosesan pipeline 10 elemen
dataPipeline ComputerPage 7 8. Diagram Ruang-Waktu Pipeline Tipe
3Gambar 7 Pemrosesan pipeline, informasi di-pass sebelum proses
selesaiJika jumlah tahap lebih besar dari jumlah prosesor dalam
pipeline, kelompok tahap dapatdiassign untuk tiap prosesor.Gambar 8
Partitioning processes onto processors.Pipeline ComputerPage 8 9.
Platform Komputisai untuk Aplikasi Pipelinegambar 9 Sistem
multiprosesor dengan konfigurasiContoh Program Penjumlahan
AngkaGambar 10 Penjumlahan PipelineKode dasar untuk proses Pi
:recv(&accumulation, P i-1 );accumulation = accumulation +
number;send(&accumulation, P i+1 );Kecuali untuk proses
pertama, P0 , yaitusend(&number, P 1 );Dan proses terakhir ,
Pn-1 , yaiturecv(&number, P n-2 );accumulation = accumulation +
number;Pipeline ComputerPage 9 10. Program SPMDif (process > 0)
{recv(&accumulation, P i-1 );accumulation = accumulation +
number;}if (process < n-1) send(&accumulation, P i+1 );Hasil
akhir ada di proses terakhir.Selain penjumlahan, operasi aritmatika
lainnya dapat dilakukan juga.Gambar 11 Penjumlahan angka pipeline
dengan proses master dan konfigurasi cincin.Gambar 12 Penjumlahan
angka pipeline denganakses langsung ke proses slave.Pipeline
ComputerPage 10 11. AnalisaContoh pertama adalah Tipe 1. Dengan
asumsi bahwa tiap proses melakukan aksi serupa dalamtiap siklus
pipeline. Kemudian akan dilakukan komputasi dan komunikasi yang
dibutuhkandalam siklus pipelineWaktu total eksekusit total = (waktu
untuk satu siklus pipeline)(jumlah siklus)t total = (t comp + t
comm )(m + p - 1)Dimana ada m instances problem dan p tahap
pipeline (proses)Waktu rata-rata untuk komputasi diberikan oleh:t a
= t total /m4. Permasalahan di (dalam) Instruksi Pipelining VARIASI
WAKTU:Tidak semua tahap memakan waktu yang sama. Ini berarti untuk
mendapatkan kecepatan dalamintruksi pipelining sangat ditentukan
oleh tahap yang paling lambat. Masalah ini sangat akutdalam
memproses instruksi, sejak instruksi yang berbeda memiliki
persyaratanoperand waktu proses yang berbeda. Selain itu,
diperlukan mekanisme sinkronisasi untukmemastikan bahwa data lewat
dari stage ke stage hanya ketika kedua stage siap. DATA BERBAHAYA
(DATA HAZARDS):Ketika beberapa instruksi di eksekusi secara
parsial, masalah timbul jika mereka referensi datayang sama. Kita
harus memastikan bahwa instruksi selanjutnya tidak berusaha untuk
mengaksesdata lebih cepat dari instruksi sebelumnya, jika ini
terjadi akan menyebabkan hasil yang salah.Sebagai contoh, instruksi
N +1 tidak harus diperbolehkan untuk mengambil sebuah operand
yangbelum disimpan oleh instruksi N. PERCABANGAN (BRANCH):untuk
mengambil instruksi berikutnya, kita harus tahu mana saja yang
dibutuhkan, Jika instruksiini adalah cabang bersyarat (conditional
branch) instruksi berikutnya mungkin tidak diketahuisampai saat
diproses. JEDA(INTERUPTSI):Pipeline ComputerPage 11 12. interupsi
membuat instruksi extra yang tidak terencana untuk masuk kedalam
aliran intruksi.jeda(Interrupt) harus berperan antar instruksi.
yaitu, ketika satu instruksi telah selesai danberikutnya belum
dimulai. Dengan pipelining, instruksi berikutnya biasanya dimulai
sebelumyang sekarang telah selesai.Semua masalah ini harus
diselesaikan dalam konteks kebutuhan kita untuk mendaatkan
kinerjadengan kecepatan tinggi. Jika kita tidak dapat mencapai
kecepatan yang cukup, pipeliningmungkin tidak sepadan.Instance
Tunggal Problemt comp = 1t comm = 2(t startup + t data )t total =
(2(t startup + t data ) + 1)nKompleksitas waktu = O(n).Instances
Ganda Problemt total = (2(t startup + t data ) + 1)(m + n - 1)t a =
t total /m 2(t startup + t data ) + 1Yaitu, satu siklus
pipeline.Mem-partisi Data dengan Instances Gande Problemt comp = dt
comm = 2(t startup + t data )t total = (2(t startup + t data ) +
d)(m + n/d - 1)Dengan menaikkan d, partisi data, pengaruh
komunikasi dihilangkan. Akan tetapi naiknya partisidata menurunkan
paralelisme dan terkadang menaikkan waktu eksekusi.Pipeline
ComputerPage 12 13. Mengurutkan AngkaVersi paralel dari insertion
sort. (versi sekuensialnya adalah menempatka kartu yang
dimainkanberurut dgn memindahkan kartu untuk menyisipkannya dalam
posisi-nya).Gambar 13 Langkah dalam insertion sort dengan lima
angkaAlgortima dasar untuk proses Pi adalahrecv(&number, P i-1
);if (number > x) {send(&x, P i+1 );x = number;} else
send(&number, P i+1 );Dengan n angka, berapa banyak proses ke
yang akan diterima diketahui, diberikan oleh n - i.Berapa banyak
yang di pass kedepan juga diketahui; diberikan oleh n - i - 1
karena satu darijumlah yang diterima tidak di pass kedepan. Maka
loop sederhana dapat digunakan.Pipeline ComputerPage 13 14. Gambar
14 Pipeline untuk sorting menggunakan insertion sort.Gambar 15
Insertion sort dengan hasil kembali ke proses master m,enggunakan
konfigurasi barisdua arahDengan mengembalikan hasilnya, proses i
dapat ditulis dalam bentukright_procno = n - i - 1; /*no of
processes to the right */recv(&x, P i-1 );for (j = 0; j <
right_procno; j++) {recv(&number, P i-1 );if (number > x)
{send(&x, P i+1 );x = number;} else send(&number, P i+1
);}send(&number, P i-1 ); /* send number held */for (j = 0; j
< right_procno; j++) {/*pass on other nos */recv(&x, P i+1
);send(&x, P i-1 );}Pipeline ComputerPage 14 15.
SekuensialJelas merupakan algoritma sorting yang buruk dan tidak
cocok kecuali untuk jumlah n yangsangat kecilts = (n - 1) + (n - 2)
+ + 2 + 1 = n (n + 1) / 2ParalelSetiap siklus pipeline membutuhkan
paling tidakt comp = 1t comm = 2(t startup + t data )Waktu eksekusi
total, t total , diberikan oleht total = (t comp + t comm )(2n - 1)
= (1 + 2(t startup + t data ))(2n - 1)Gambar 16 Insertion sort
dengan hasil dikembalikanPembangkit Bilangan PrimaDeretan integer
dibangkitkan dari 2 Bilangan pertama, 2 adalah prima dan disimpan.
Seluruhkelipatan bilangan ini dihilangkan karena bukan merupakan
bilangan prima. Proses dilakukansecara berulang untuk bilangan
berikutnya. Algoritma membuang nonprima, dan menginggalkanhanya
bilangan prima.Pipeline ComputerPage 15 16. Kode SekuensialUmumnya
menggunakan array dengan nilai awal 1 (TRUE) dan diset 0 (FALSE)
jika indekselemen bukan bilangan prima.Dengan menyatakan angka
terakhir adalah n maka dapat ditulis:for (i = 2; i < n;
i++)prime[i] = 1; /* Initialize array */for (i = 2; i
