Upload
cathal
View
59
Download
0
Embed Size (px)
DESCRIPTION
IKI10230 Pengantar Organisasi Komputer Kuliah no. 02: Stored Program Computers. Sumber : 1. Paul Carter, PC Assembly Language 2. Hamacher. Computer Organization , ed-5 3. Materi kuliah CS61C/2000 & CS152/1997, UCB. 18 Februari 2004 - PowerPoint PPT Presentation
Citation preview
1
IKI10230Pengantar Organisasi Komputer
Kuliah no. 02: Stored Program ComputersSumber:1. Paul Carter, PC Assembly Language2. Hamacher. Computer Organization, ed-53. Materi kuliah CS61C/2000 & CS152/1997, UCB
18 Februari 2004
L. Yohanes Stefanus ([email protected])Bobby Nazief ([email protected])
bahan kuliah: http://www.cs.ui.ac.id/kuliah/POK/
2
Review
3
Review: Organisasi Sistem Komputer
I/O systemProcessor
CompilerOperating
System(Windows 98)
Application (Netscape)
Digital DesignCircuit Design
Instruction Set Architecture
° Koordinasi dari berbagai tingkat “abstraksi”
Datapath & Control
transistors
MemoryHardware
Software Assembler
10230
4
Review: Tingkat-tingkat Bahasa Pemrograman
High Level Language Program (e.g., C)
Assembly Language Program
Machine Language Program (80x86)
Control Signal Specification
Compiler
Assembler
Machine Interpretation
A = 25;
B = 8;
C = A * B;A dw 25B dw 8C resw 1mov eax, [A]mov ebx, [B]add eax, ebxmov [C], eax
0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 10001010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 1001 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111
°°
10230
5
Review: 5 Komponen Utama Komputer
Processor (active)
Computer
Control(“brain”)
Datapath(“brawn”)
Memory(passive)
(where programs, data live whenrunning)
Devices
Input
Output
Keyboard, Mouse
Display, Printer
Disk (where programs, data live whennot running)
“CPU”
6
Koreksi: Processor
° Responsible of executing program stored in memory• read instructions & input data• execute• store results (output data)
° Datapath (“otot”):• ALU: Aritmetic & Logical Unit• Exposed register
- Size of register determines processor smallest data unit (i.e., 8-bit, 16-bit, 32-bit, 64-bit computers)
• Hidden register
° Control Unit (“otak”):• interprete instruction• control data transfer between registers• define processsor’s ‘language’ complexity (e.g., RISC vs.
CISC)
7
Year
Tra
nsis
tors
1000
10000
100000
1000000
10000000
100000000
1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
i80386
i4004
i8080
Pentium
i80486
i80286
i8086
Koreksi:Tren Teknologi: Kapasitas Mikroprosesor
2X transistors/ChipEvery 1.5 years
Called “Moore’s Law”
Alpha 21264: 15 millionPentium Pro: 5.5 millionPowerPC 620: 6.9 millionAlpha 21164: 9.3 millionSparc Ultra: 5.2 million
Moore’s Law
Pentium 4: 42 millionPentium III: 9.5 million
8
Komputer Digital
9
Komputer Digital
° Komputer Digital:• Hanya mengenal dua status (mis. ada / tidak
ada tegangan)- Sangat sederhana hanya dapat bernilai: 1 atau 0
biner
• Operasi hanya dapat dilakukan pada bit; yang dapat bernilai 1 atau 0.
- Contoh operasi mengubah (flip, switch) nilai bit, menjadikan bit tertentu 0; test bit jika 0 atau bukan.
100101
switch bit inimenjadi 0
100001
100001
Test bit ini jika 0, switch bit pertama 0
100000
10
Komputer & “things”
° … jadi, apa yang membuat komputer (yang hanya mengenal bits dengan nilai: 0 dan 1) demikian “powerful”?
° Apakah (dengan “mengandalkan” 0 & 1) komputer dapat merepresentasikan apa saja?
simulasi mobil
..hello buzz
11
Bit
° Dengan bit, bagaimana komputer dapat merepresentasikan:
• Bilangan (numerik)? Alfabet ? Kata? Alamat? Gambar?
• Contoh: Bilangan- Manusia lebih mudah menggunakan representasi/
notasi desimal.- Misalkan: 1, 25, 125, 3896754321- Disebut basis 10, dengan simbol:
Digits: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
° ..tapi komputer hanya mengenal 2 simbol (0 dan 1)
Bagaimana melakukan representasi bilangan yang dikenal manusia?
12
Bit Bilangan
° Bilangan Basis B B simbol per digit:• Basis 10 (Decimal): 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Basis 2 (Binary): 0, 1
° Komputer menyimpan dan beroperasi dalam “binary” Basis 2• Dapat melakukan konversi (representasi)
bilangan dari basis 10 ke basis 2 (dan sebaliknya).
• Decimal: 0,1,2,3,4,5,6,7,8,990 = 9x101 + 0x100
• Binary: 0,11011010 = 1x26 + 0x25 + 1x24 + 1x23 + 0x22 + 1x2 + 0x20
= 64 + 16 + 8 + 2 = 90
13
Bit dapat mepresentasikan “apa saja” !!!
° Bits dapat merepresentasikan apapun!• Karakter? Latin:
- 26 huruf => 5 bits- Huruf besar/kecil + tanda lain => 7 bits,
berapa simbol huruf?- Karakter, bahasa lain => 16 (unicode)
• Logical values?- 0 -> False, 1 => True
• Warna ? Berapa banyak warna => berapa bits?• Alamat? (berapa karakter alfabet ..)
° .. Tapi N bits hanya dapat merepresentasikan 2N sesuatu
14
Apa lagi (sesuatu yang berguna) yang dapat dilakukan?
° Apa yang dapat dilakukan dengan “bilangan”?• … umumnya semua operasi (instruksi) yang
biasa dilakukan pada bilangan!- Tambahkan, Kurangkan, Kalikan, Bagikan,
Bandingkan!
• Contoh: 10 + 7 = 17
1 0 1 0
+ 0 1 1 1
-------------------------
1 0 0 0 1
11 10
7
17
Bagaimana instruksi +, diwakili oleh bits?
15
Bit Instruksi
° Instruksi (Operasi). Apakah dapat diwakili oleh bit?• Contoh:
- 0 => tepuk tangan- 1 => snap jari jempol dan telunjuk- Eksekusi Instruksi: 1 0 1 1 0 0
° Contoh instruksi operasi bilangan:• Misalkan 3 bit (berapa banyak instruksi?):
- 000 => tambahkan 001 => kurangkan- 010 => kalikan 011 => bagikan- 100 => bandingkan dst.
° Jadi bit (data) dapat diartikan sebagai instruksi!
16
Memori
17
Pengalamatan Memori
01
i
2k-1
Alamat n bits
Byte 0Byte 1
Byte i
Byte 2k-1
° k menentukan besarnya ruang alamat (address space) memori:• k = 16 ruang alamat
= 216 (64536) lokasi• k = 32 ruang alamat
= 232 (4 G) lokasi
° n menentukan besarnya suatu word (jumlah bit)• n = 8, 16, 32, 64
° Umumnya ukuran peng-alamatan terkecil adalah dalam orde byte byte addressable
18
Bilangan (data) disimpan di memori
° Memori adalah tempat menyimpan bit data
° Suatu “word” adalah sejumlah bit data tetap, (mis. 16, atau 32 bit) pada satu lokasi di memori
• Byte-addressable memory menyimpan data multi-byte pada lokasi memori yang berurutan
° Alamat menunjuk ke lokasi “word” (byte-1) disimpan.
• Alamat dapat direpresen-tasikan oleh bit
• Alamat juga sebagai “bilangan” (yang dapat dimanipulasikan)
101101100110
00000
11111 = 2k - 1
01110
Alamat
data
19
Pengalamatan Data: Endianess (1/2)
alamat data multi-byte adalah:
° Big Endian: alamat dari most significant byte• IBM 360/370, Motorola 68k, MIPS, Sparc, HP PA
° Little Endian: alamat dari least significant byte• Intel 80x86, DEC Vax, DEC Alpha
0 msb lsb
1 04 5 0
lsb msb
0 1
0
4 0 5
20
Pengalamatan Data: Endianess (2/2)
01234567
i
2k-1
1Alamat
500
Big Endian
0123
i
2k-1
0Alamat
051
Little Endian1500
2600
21
Apa saja yang dapat disimpan?
° Apa yang dapat disimpan?• Bilangan• Karakter• Alamat data• Representasi “sesuatu”
di dunia luar • ..
101101100110
00000
11111 = 2k - 1
01110
Big Idea: Komputer dapat menyimpan apapun.
anything
22
Stored Program
23
The Stored Program Computer (1/2)
° Konsep Kunci:• Data dapat diartikan sebagai instruksi!
• Data di komputer mampu merepresentasikan sesuatu (thing, anything)! Tergantung intrepetasi dan operasi yang diinginkan.
° BIG IDEA: STORED PROGRAM program dapat disimpan sebagai data dan dijalankan oleh komputer
• Merupakan konsep awal komputer Von Neumann Architecture (1955).
24
The Stored Program Computer (2/2)
° Memori menyimpan instruksi dan data sebagai bit.
° Instruksi diambil oleh prosesor dari memori, diartikan, dan, dieksekusi (operands/data diambil, diolah, dan disimpan ke memori).
° Contoh Instruksi 4-digit (á 4 bit) 16 bit (2 byte) ≈ 2 lokasi memoridigit-1: Operasi: 0 => add, 1 => sub, ...digit-2: Alamat hasildigit-3: Alamat op1digit-4: Alamat op2
0 0 8 4 62 1 6 8 64 0 0 6 16 0 0 1 78 0 0 0 010 0 0 0 012 0 0 0 014 0 0 0 016 0 0 0 018 0 0 0 0
data
instruksiinstruksi 0: 0846 0=add (jenis instruksi), 8=addr. result, 4=addr op1, 6=addr op2
Apa yang berada di lokasi 4,6,8 setelah eksekusi instruksi ke-1, ke-2?
25
0 0 8 4 62 1 6 8 64 0 0 6 16 0 0 1 78 0 0 0 010 0 0 0 012 0 0 0 014 0 0 0 016 0 0 0 018 0 0 0 0
0 0 8 4 62 1 6 8 64 0 0 6 16 0 0 1 78 0 0 7 810 0 0 0 012 0 0 0 014 0 0 0 016 0 0 0 018 0 0 0 0
Operasi pada Memori
Processor (active)
Control(“brain”)
Datapath(“brawn”)
0846
006100170078
0846: Add (8),(4),(6) ; M[8] M[4] + M[6]
1. Instruction Fetch2. Data Read
3. Data Store (write)
26
Jadi, apa artinya?
° Program adalah kumpulan bit yang tersimpan di memori merepresentasikan instruksi & data
° Program tersebut dijalankan oleh prosesor:• untuk mengolah/manipulasi bilangan,
karakter, pixels … (Aplikasi, Software)• untuk mengontrol penggunaan sumber daya
komputer dan menjalankan program lain (Operating Systems)
27
Bahasa Rakitan
(Assembly Language)
28
Bahasa Mesin Bahasa Rakitan
0846: Add (8),(4),(6)
° Bahasa Mesin kumpulan bit yang merepresentasikan Operasi & Operand
° Bahasa Rakitan representasi dari Bahasa Mesin dalam bahasa (kumpulan huruf & angka) yang lebih mudah dimengerti oleh manusia
mnemonic
M[8] M[4] + M[6]
Bahasa Mesin Bahasa Rakitan
29
The Program is ...
° lokasi instruksi0000 0846 Add 8,4,6 ; M[8] M[4] +
M[6] ; M[8] = 61 + 17
= 780002 1686 Sub 6,8,6 ; M[6] M[8] –
M[6] ; M[6] = 78 – 17 = 61
° Data:Sebelum Sesudah
• M[4] = 0061 M[4] = 0061• M[6] = 0017 M[6] = 0061• M[8] = 0000 M[8] = 0078
30
Format Instruksi
° Instruksi membutuhkan argumen sebagai input dan menghasilkan produk sebagai output
• argumen input operand• produk output operand
° Format instruksi:• <op-code> <out-op>,<in-op1>,<in-op2>,...
° Berapa jumlah operand yang dibutuhkan?
31
Jumlah Operand Kelas Set Instruksi
° 3-address instruction
Add C,A,B ; C A] + [B]OperationDestination,Source1,Source2atauOperationSource1,Source2,Destination
° 2-address instructionAdd A,B ; A A] + [B]OperationDestination,Source
° 1-address instructionLoad B ; acc B
Add A ; acc acc] + [A]
° 0-address instructionPush B ; tos BPush A ; tos A; [next] = B
Add ; tos tos] + [next]
32
Jenis-jenis Operasi (tidak banyak berubah sejak
1960)Data Transfers memory-to-memory moveregister-to-register movememory-to-register move
Arithmetic & Logic integer (binary + decimal) or FPAdd, Subtract, Multiply, Divide
not, and, or, set, clearshift left/right, rotate left/right
Program Sequencing & Control
unconditional, conditional Branchcall, returntrap, return
Synchronization test & set (atomic r-m-w)String search, translateGraphics (MMX) parallel subword ops (4 16bit add)
Input/Output Transfers register-to-i/o device move
33
Eksekusi Instruksi
34
Eksekusi Instruksi (1/2)
° Instruksi dan data bersama-sama berada di memori:• Data diakses secara acak (tergantung alamat operand)• Instruksi umumnya dijalankan secara berurut (sekuensial)
° Urutan ini menjamin logika alur program: terdapat urutan perintah ke mesin.
• Instruksi disimpan secara berurut pada lokasi di memori• Eksekusi instruksi dilakukan mulai dari alamat terkecil
° Bagaimana mengetahui “posisi” instruksi saat ini (berikutnya?)
• Gunakan register khusus: Program Counter
35
0 0 8 4 62 1 6 8 64 0 0 6 16 0 0 1 78 0 0 0 010 0 0 0 012 0 0 0 014 0 0 0 016 0 0 0 018 0 0 0 0
0 0 8 4 62 1 6 8 64 0 0 6 16 0 0 1 78 0 0 7 810 0 0 0 012 0 0 0 014 0 0 0 016 0 0 0 018 0 0 0 0
Eksekusi Instruksi (2/2)
PC (Program Counter)
Program couter (PC) berisi alamat lokasi instruksi yang akan dieksekusi pada siklus berikutnya. Setelah instruksi dieksekusi, maka PC akan “increment” dan menunjuk pada instruksi berikutnya (next location)PC = PC + 2; dst
.. dikenal dengan istilah: straight line sequencing
024
0 0 8 4 62 1 6 8 64 0 0 6 16 0 0 6 18 0 0 7 810 0 0 0 012 0 0 0 014 0 0 0 016 0 0 0 018 0 0 0 0
36
Branching
37
Decision…
° Instruksi aritmatika, transfer data memberikan kemampuan kita untuk melakukan komputasi data
• Sama seperti “kalkulator”
° Untuk sebuah komputer, maka diperlukan kemampuan untuk memilih, “make decisions” ..
° Analogi HLL: assembly language harus mendukung statement:
if (condition == true) do “this”;else do “that”;exit;
Exit
i == j?
“this”
(false) i != j
(true) i == j
“that”
38
Branching° Dampak dari pengambilan keputusan yang
bergantung pada suatu kondisi tertentu adalah terjadinya pencabangan (branching):
• Instruksi tidak lagi diambil dari lokasi memori yang “berurut”, tetapi “meloncat” ke lokasi memori tertentu PC diisi dengan nilai baru, tidak di-increment
° Manipulasi PC dengan memberikan alamat baru (tidak “berurut”) juga digunakan untuk mengubah alur eksekusi program tanpa bergantung pada kondisi tertentu (jump)
39
Branching: Contoh
ii+1wi+2w
i+(n-1)wi+nw
SUMNum1Num2
NumN
Move R0,Num1Add R0,Num2
Alamat
Add R0,Num3
Mov SUM,R0Add R0,NumN
LOOP
SUMNNum1Num2
NumN
Move R1,NClear R0
Determine address ofnext number and addNext number to R0
Alamat
n
Move SUM,R0Branch>0 LOOPDecrement R1
R0 = ∑ Ni
PC
40
Conditional Branching
° Branch>0 LOOP• Periksa kondisi (hasil operasi > 0?):
memeriksa Condition Code Flags yang berada di Status Register:
- N: hasil operasi sebelumnya menghasilkan bil. negatif- Z: hasil operasi sebelumnya menghasilkan 0- V: hasil operasi sebelumnya menghasilkan overflow- C: hasil operasi sebelumnya menghasilkan carry
>0: hasil ≠ 0 (kondisi Z-flag == FALSE)
• Jika ya, loncat ke LOOP (PC lokasi LOOP)
• Jika tidak, lanjutkan eksekusi
41
I/O
42
Organisasi Input/Output
Prosesor
Bus
SOUT
DATAOUT
Display
SIN
DATAIN
Keyboard
° Pada prinsipnya sama dengan data transfer (memori/register), bedanya peranti I/O lebih lambat
° Perlu mekanisme pemeriksaan kesiapan peranti I/O:• Baca informasi status di SIN/SOUT untuk
memastikan peranti I/O siap• Jika “siap” lakukan operasi transfer data dari/ke
peranti I/O ybs.
43
I/O Device Examples and Speed
° I/O Speed: bytes transferred per second(from mouse to display: million-to-1)
° Device Behavior Partner Data Rate (Kbytes/sec)
Keyboard Input Human 0.01
Mouse Input Human 0.02
Line Printer Output Human 1.00
Floppy disk Storage Machine 50.00
Laser Printer Output Human 100.00
Magnetic Disk Storage Machine 10,000.00
Network-LAN I or O Machine 10,000.00
Graphics Display Output Human 30,000.00
44
Penutup
45
0 0 8 4 62 1 6 8 64 0 0 6 16 0 0 1 78 0 0 0 010 0 0 0 012 0 0 0 014 0 0 0 016 0 0 0 018 0 0 0 0
0 0 8 4 62 1 6 8 64 0 0 6 16 0 0 1 78 0 0 7 810 0 0 0 012 0 0 0 014 0 0 0 016 0 0 0 018 0 0 0 0
Stored-program Computer
Processor (active)
Control(“brain”)
Datapath(“brawn”)
0846
006100170078
0 0 8 4 62 1 6 8 64 0 0 6 16 0 0 6 18 0 0 7 810 0 0 0 012 0 0 0 014 0 0 0 016 0 0 0 018 0 0 0 0
1686
007800170061
PC
PC
PC
komputer dapat diprogram untuk memenuhi kebutuhan pengguna dengan jalan mengisi memori dengan instruksi & data yang sesuai
operasi yang dilakukan oleh komputer ditentukan oleh instruksi & data yang tersimpan di memori
46
Computer is ...
The great Richard Feynman, in his Lectures on Computation, summed up von Neumann computers by saying,
"the inside of a computer is as dumb as hell, but it goes like mad!"