ARSITEKTUR DASAR MIKROPROSESOR

Arsitektur Internal Mikroprosesor

1.  Arsitektur umum mikroprosesor

Secara umum, mikroprosesor berisi unit aritmetika/logika (ALU), register, bus internal, serta unit kendali, seperti terlihat pada Gambar I-2. Register dan ALU dihubungkan dengan bus internal dalam mikroprosesor sehingga register dan memori (melalui bus data) dapat mensuplai data ke ALU dan menerima hasilnya. Dalam contoh ini, terdapat 2 buah register, A dan B, yang digunakan untuk secara temporer menyimpan hasil komputasi. Bus internal X dan Y digunakan untuk mentransfer data sebagai operand yang akan diolah ALU. Bus internal Z digunakan untuk mentransfer hasil operasi ALU ke register atau memori (melalui bus data). Register MA⁽²⁾ (Memory Address) berisi informasi alamat memori yang akan diakses. Unit kendali mengendalikan semua operasi dalam mikroprosesor. Perhatikan kepala panah yang menunjukkan arah aliran data.

2.  Intel 8086

Intel 8086 adalah mikroprosesor 16 bit, di mana dia dapat bekerja secara internal menggunakan operasi 16 bit dan secara eksternal dapat mentransfer data 16 bit melalui bus data. Prosesor 8086 dapat dihubungkan dengan bus alamat yang berukuran 20 bit, sehingga mampu mengalamati memori maksimal 2²⁰ = 1.048.576 byte (1 MB). Diagram blok arsitektur 8086 dapat dilihat pada Gambar I-3. Mikroprosesor 8086 terbagi atas 2 unit, yaitu unit antarmuka bus (bus interface unit, BIU) dan unit pengeksekusi (execution unit, EU).

Unit Antarmuka Bus (BIU)

Unit ini merupakan bagian yang berhubungan langsung dengan “pihak luar”: bus alamat dan bus data. BIU mengirim alamat ke bus alamat, mengambil instruksi (fetch) dari memori, membaca data dari port dan memori, serta menulis data ke port dan memori (menangani transfer data antara bus dan unit eksekusi). BIU tersusun atas:

Instruction Stream Byte Queue (ISBQ). BIU memfetch instruksi dari memori sebanyak-banyaknya 6 buah instruksi ke depan. Hal ini dilakukan agar eksekusi progam menjadi lebih cepat. Instruksi yang sudah diambil ini ditaruh di ISBQ yang berupa 6 buah register first-in-first-out. BIU dapat melakukan fetching selagi EU menerjemahkan dan mengeksekusi instruksi yang tidak membutuhkan penggunaan bus (misalnya operasi matematis menggunakan register internal). Ketika EU selesai melaksanakan suatu instruksi, maka dia tinggal mengambil perintah berikutnya di ISBQ, tanpa harus mengirim alamat ke memori untuk mengambil instruksi berikutnya, sehingga eksekusi akan lebih cepat. Kegiatan fetching instruksi berikutnya selagi menjalankan suatu instruksi disebut sebagai: pipelining. Pada mikroprosesor yang lebih baru, ukuran ISBQ tidak hanya 6 byte tetapi mencapai 512 byte, ini efektif untuk program yang mempunyai banyak kalang (struktur program yang berulang).

Register segmen. BIU berisi 4 buah register segmen 16 bit, yaitu: code segment (CS), data segment (DS), extra segment (ES), dan stack segment (SS). Sistem komputer 8086 mempunyai bus alamat 20 bit, tetapi ukuran register - termasuk register alamat (memory address register) – yang dimilikinya hanya 16 bit, lantas bagaimana cara mengatasinya. Cara pemberian alamat 20 bit dilakukan menggunakan 2 komponen alamat: segmen dan offset, yang masing-masing berukuran 16 bit. BIU akan menggeser ke kiri nilai segmen sebanyak 4 bit (mengalikan dengan 16), kemudian menambahkan offset untuk memperoleh alamat fisik memori yang dikirimkan melalui bus alamat. Untuk lebih jelasnya, diberi contoh untuk memberi alamat fisik $38AB4⁽³⁾, segmen dapat diisi dengan angka $348A, dan offset diisi dengan angka $4214, lihat Gambar I-4. Cara penulisan kombinasi segmen dan offset adalah:

segmen:offset

Sehingga untuk contoh ini, penulisannya adalah $348A:$4214. Perlu diingat bahwa kita bisa menggunakan kombinasi nilai segmen dan offset yang bervariasi untuk memberi alamat fisik yang sama, misalnya $38AB:$0004, $3800:$0AB4, dsb.

 

Gambar I-4. Contoh cara pengalamatan memori pada mikroprosesor 8086

Secara umum, suatu program terdiri atas 4 bagian: segmen code yang berisi instruksi; segmen data, berisi data yang telah dialokasikan sebelumnya (statik); segmen ekstra, untuk variabel dinamik; serta segmen stack yang dipakai untuk menyimpan informasi pada saat pemanggilan subrutin. Informasi segmen disimpan dalam keempat register segmen sesuai dengan namanya.

Instruction Pointer (IP), adalah register berisi informasi offset yang bersama-sama CS menunjuk posisi dalam memori di mana instruksi berikutnya berada.

Unit Eksekusi (EU)

Unit ini memberitahu BIU di mana mengambil instruksi dan data, menerjemahkan kode instruksi, dan menjalankannya. EU tersusun atas:

Dekoder instruksi, yang mengambil urut-urutan instruksi dari ISBQ kemudian menerjemahkannya ke runtutan aksi yang harus dikerjakan oleh EU.

Sistem kontrol, merupakan rangkaian yang mengendalikan kerja mikroprosesor berdasarkan instruksi yang telah diterjemahkan oleh dekoder instruksi tadi.

Arithmetic Logic Unit (ALU), yaitu bagian dari mikroprosesor yang dapat melakukan operasi matematis (misalnya operasi penjumlahan, pengurangan, perkalian, dan pembagian) dan logika (misalnya operasi AND, OR, XOR, geser, dan rotasi) 16 bit.

Register flag (bendera), yaitu register flip-flop 16 bit yang menunjukkan kondisi yang dihasilkan oleh eksekusi suatu operasi oleh EU. Selain itu flag juga mengatur beberapa operasi tertentu. Terdapat 9 flag dalam register flag 8086,

Register serbaguna, merupakan register yang dapat digunakan untuk menyimpan data yang akan diolah atau hasil suatu operasi oleh ALU. Terdiri atas 8 buah register 8 bit, yaitu AH, AL, BH, BL, CH, CL, DH, dan DL. Register-register ini juga dapat digunakan secara berpasangan sehingga membentuk register 16 bit, yaitu; AX (gabungan dari AH dan AL), BX, CX, dan DX. AX biasanya digunakan untuk menyimpan hasil operasi, sehingga disebut akumulator. CX biasanya digunakan untuk pencacah untuk keperluan perulangan/kalang (loop), sehingga disebut counter. BX dan DX biasanya digunakan sebagai offset dari alamat data di memori (dengan segmen DS).

Register pointer dan indeks, terdiri atas Stack Pointer (SP), Base Pointer (BP), Source Index (SI), dan Destination Index (DI). Stack (tumpukan) adalah bagian dari memori yang digunakan untuk menyimpan informasi alamat program yang ditinggalkan pada saat terjadi pemanggilan subrutin/subprogram. Demikian juga apabila subrutin tersebut berupa fungsi yang menggunakan parameter, maka data parameter akan disimpan pula di stack. Alamat tumpukan terluar dari stack ditunjuk oleh SS:SP. Sedangkan BP digunakan sebagai offset yang menunjuk ke parameter-parameter fungsi yang dipanggil. SI dan DI biasanya digunakan sebagai offset (masing-masing berpasangan dengan ES dan DS) yang menunjuk ke suatu variabel/data untuk operasi string (larik data).