Dasar-Dasar Pemroses

Arsitektur Von Neumann menjadi dasar hampir setiap komputer serbaguna:

• satu memori tunggal—Penyimpanan Akses Langsung (IAS)—menyimpan baik instruksi program maupun data (konsep program tersimpan).
• sebuah prosesor (CPU) mengambil instruksi dari memori dan menjalankannya satu per satu.
• instruksi dijalankan berurutan kecuali percabangan mengubah alurnya.

Ide program tersimpan inilah yang membuat komputer fleksibel: ubah programnya, maka fungsinya pun berubah, tanpa perlu pengkabelan ulang.

Semua bagian ini berada di dalam satu chip kecil. Diagram nanti di bagian ini menunjukkan bagaimana mereka terhubung; foto di bawah ini menampilkan wujud aslinya.

Unit Aritmatika dan Logika (ALU)

ALU melakukan operasi aritmatika (tambah, kurang, …) dan logika (AND, OR, perbandingan). Ia mengambil operand dari register dan menyimpan hasil kembali ke register.

Unit Kontrol (CU)

Unit kontrol mendekod setiap instruksi dan mengirimkan sinyal kontrol untuk mengeksekusinya—membuka jalur data, memberi tahu ALU apa yang harus dilakukan, serta mengontrol baca dan tulis memori.

Jam sistem

Jam mengirimkan aliran pulsa yang terus-menerus agar CPU tetap sinkron. Setiap instruksi membutuhkan jumlah siklus tetap, dan kecepatan jam (mis. 3.8 GHz) merupakan salah satu faktor kinerja.

"Jelaskan bagaimana CU dan jam sistem bekerja sama": jam memancarkan pulsa dengan frekuensi tetap; unit kontrol menggunakan setiap pulsa untuk memajukan siklus ambil-eksekusi sebanyak satu langkah, mengirim sinyal kontrolnya selaras dengan pulsa, sehingga setiap bagian prosesor berubah keadaan secara bersamaan. Jam yang lebih cepat berarti lebih banyak langkah per detik, hingga batas di mana rangkaian tidak dapat stabil antar pulsa.

Register

Register adalah storan kecil yang sangat pantas di dalam CPU. Register kegunaan khas masing-masing mempunyai tugas tetap dalam kitaran:

• Penghitung Program (PC) — alamat seterusnya instruksi.
• Register Alamat Memori (MAR) — alamat yang sedang dibaca atau ditulis.
• Register Data Memori (MDR) — data yang pergi ke atau dari memori.
• Register Instruksi Semasa (CIR) — instruksi yang sedang dikesan.
• Akumulator (ACC) — nilai yang sedang diproses oleh ALU.
• Register Status — menyimpan penanda (bawa, sifar, negatif,overflow) yang digunakan oleh cabang. Setiap penanda ialah satu bit, ditetapkan atau dihapus oleh ALU selepas operasi: penanda sifar selepas perbandingan yang sepadan, penanda bawa apabila penambahan melampaui kapasiti register, penanda negatif apabila hasil adalah negatif. Lompatan bersyarat membaca penanda untuk memutuskan sama ada bercabang, dan penanda_overflow_ boleh mencetuskan gangguan.
• Register Indeks — offset yang ditambahkan ke alamat dalam pengalamatan indeks; peningkatannya memindai array satu elemen per langkah.

Soal "lengkapi tabel yang menggambarkan peran setiap register" meminta satu kalimat tepat untuk setiap register dengan istilah berikut: PC menyimpan alamat instruksi berikutnya yang akan diambil; MAR menyimpan alamat lokasi yang sedang dibaca atau ditulis; MDR menyimpan data atau instruksi yang baru saja dibaca dari, atau akan segera ditulis ke, lokasi tersebut; CIR menyimpan instruksi yang saat ini sedang didekodi dan dieksekusi; ACC menyimpan hasil operasi aritmatika atau logika terakhir.

Register tujuan umum digunakan oleh pemrogram untuk nilai sementara selama perhitungan. Perpindahan data antara register dan memori ditulis dalam notasi transfer register — mis. MAR ← [PC] ("salin isi PC ke MAR").

Tiga bus internal (kumpulan kabel paralel) menghubungkan komponen-komponen tersebut:

• bus alamat — membawa alamat memori. Satu arah (CPU → memori).
• bus data — membawa data. Dua arah.
• bus kontrol — membawa sinyal kontrol (baca, tulis, interupsi). Dua arah.

Bus alamat $n$-bit dapat mengakses $2^{n}$ lokasi memori. Lebar bus data menentukan berapa banyak bit yang dipindahkan per akses (sering kali merupakan ukuran kata).

• kecepatan clock — lebih banyak siklus per detik.
• jumlah inti — CPU multi-inti menjalankan beberapa thread secara bersamaan.
• ukuran kata — CPU 64-bit menangani potongan data 64-bit per siklus dan dapat mengalamati jauh lebih banyak memori daripada CPU 32-bit.
• jumlah RAM — RAM yang lebih besar menampung lebih banyak himpunan kerja; jika terlalu sedikit, OS akan melakukan pagging ke disk.
• ukuran cache memory — cache yang lebih besar mengurangi waktu akses memori rata-rata.
• tipe penyimpanan sekunder — SSD memuat program jauh lebih cepat daripada HDD.
• lebar dan kecepatan bus — bus yang lebih lebar/cepat memindahkan data lebih cepat.

Cocokkan spesifikasi dengan beban kerja: CPU quad-core mengalahkan dual-core pada pekerjaan paralel, tetapi kecepatan per-core yang lebih tinggi menang pada pekerjaan single-threaded.

Setiap faktor adalah jawaban bernilai dua poin dengan alasan yang disertakan:

• Inti lebih banyak: setiap inti dapat mengambil dan mengeksekusi instruksinya sendiri secara bersamaan, sehingga beberapa program, atau thread dari satu program, berjalan secara paralel. Namun, sebuah program harus ditulis untuk menggunakan lebih dari satu inti, sehingga menggandakan jumlah inti tidak selalu menggandakan kecepatan.
• Kecepatan clock lebih tinggi: lebih banyak siklus ambil-eksekusi per detik, sehingga lebih banyak instruksi per detik; batasnya adalah panas yang dihasilkan.
• Bus lebih lebar: bus data yang lebih lebar memindahkan lebih banyak bit dalam setiap transfer, sehingga transfer yang dibutuhkan lebih sedikit untuk data yang sama; bus alamat yang lebih lebar dapat mengalamati lebih banyak lokasi memori.
• Cache memory: memori kecil dan cepat di dalam atau di samping prosesor yang menyimpan instruksi dan data yang paling baru atau paling sering digunakan. Membacanya dari cache jauh lebih cepat daripada dari RAM, sehingga prosesor menghabiskan waktu lebih sedikit untuk menunggu.

"Jelaskan mengapa komputer baru berkinerja lebih baik" dijawab dengan membandingkan kedua spesifikasi baris demi baris: kecepatan clock yang lebih tinggi mengeksekusi lebih banyak instruksi per detik, inti lebih banyak menjalankan lebih banyak tugas sekaligus, cache lebih besar berarti akses lambat ke RAM lebih sedikit, dan RAM lebih besar berarti transfer ke disk lebih sedikit.

Sebuah port adalah stopkontak fisik untuk menghubungkan periferal:

• USB (Universal Serial Bus) — tujuan umum (keyboard, drive, ponsel).
• HDMI (High Definition Multimedia Interface) — video digital dan audio ke layar.
• VGA (Video Graphics Array) — output video analog lama ke monitor.
• Ethernet (RJ-45) — LAN berkabel. Jack audio — headphone/mikrofon.

Port yang berbeda menggunakan sinyal yang berbeda, sehingga kabel HDMI tidak akan masuk ke soket USB. USB-C bersifat unik karena dapat mengirimkan video, data, dan daya.

"Jelaskan bagaimana komputer terhubung ke monitor melalui HDMI": port HDMI mengirimkan video dan audio sebagai satu sinyal digital melalui satu kabel, sehingga tidak diperlukan konversi ke analog dan gambar tidak terdegradasi; kabel mendukung resolusi definisi tinggi dan port monitor sendiri mendekode sinyal tersebut. Perangkat USB bersifat plug-and-play: saat terhubung, komputer mendeteksi perangkat, mengidentifikasinya, memuat atau menginstal driver yang dibutuhkan, dan dapat menyuplai dayanya, semuanya tanpa perlu restart.

CPU mengulang siklus ambil-eksekusi, satu putaran untuk setiap instruksi mesin.

Ambil

1. alamat PC disalin ke MAR.
2. PC ditambah untuk menunjuk instruksi berikutnya.
3. sinyal baca dikirim melalui bus kontrol.
4. memori menempatkan instruksi pada bus data.
5. instruksi disalin ke MDR, lalu ke CIR.

Ujian meminta langkah-langkah ini dalam notasi transfer register, di mana [X] berarti isi register X dan [[MAR]] berarti isi lokasi memori yang alamatnya ada di MAR:

MAR ← [PC]          the address of the next instruction goes to the MAR
PC  ← [PC] + 1      the PC now points to the following instruction
MDR ← [[MAR]]       the instruction at that address is read into the MDR
CIR ← [MDR]         the instruction is copied into the CIR for decoding

Urutan itu penting: PC ditambah segera setelah alamatnya disalin, sehingga lompatan yang dieksekusi nanti masih bisa menimpa nilainya. Selama eksekusi, notasi yang sama menggambarkan setiap instruksi; untuk LDD 200, contohnya MAR ← 200, MDR ← [[MAR]], ACC ← [MDR].

Decode

CU mengdecode instruksi di CIR — operasi apa, dan operand atau alamat mana.

Eksekusi

CU melaksanakannya: aritmatika/logika dikirim ke ALU (hasil ke ACC); muat/simpan memindahkan data antara memori dan register; percabangan mengubah PC. Kemudian siklus berulang.

Interrupt adalah sinyal yang menghentikan sementara siklus normal agar CPU dapat menangani peristiwa mendesak (tekanan tombol, paket datang, kesalahan perangkat keras, pembagian nol, timer OS).

Menangani satu:

1. selesaikan instruksi saat ini.
2. simpan keadaan (PC dan register).
3. muat alamat rutin layanan interrupt (ISR) ke dalam PC dan jalankan.
4. ISR menangani peristiwa tersebut.
5. pulihkan keadaan yang disimpan dan lanjutkan.

Interrupt memungkinkan sistem merespons dengan cepat tanpa CPU terus-menerus memeriksa perangkat, dan merupakan cara OS melakukan multitasking.

"Jelaskan bagaimana interrupt dari perangkat input dideteksi dan ditangani dalam siklus F-E" adalah jawaban bernilai empat poin dengan poin-poin berikut: perangkat mengirim sinyal interrupt yang menetapkan flag interrupt di dalam register interrupt; prosesor memeriksa register tersebut pada akhir setiap siklus fetch-execute, setelah instruksi saat ini selesai dieksekusi; jika flag ditetapkan dan interrupt memiliki prioritas lebih tinggi daripada tugas saat ini, isi PC dan register lainnya disimpan ke dalam tumpukan (stack); alamat rutin layanan interrupt dimuat ke dalam PC dan rutin dijalankan; ketika selesai, nilai yang disimpan dikembalikan dari tumpukan dan program yang terinterupsi dilanjutkan dari tempat ia berhenti.

Penyebab yang layak disebutkan: interrupt perangkat keras dari perangkat (tombol ditekan, buffer printer kosong, paket jaringan datang), interrupt perangkat lunak dari kesalahan (pembagian nol, instruksi ilegal, overflow aritmatika), interrupt timer dari sistem operasi menandai akhir slice waktu, dan peringatan kegagalan daya.

*Bagaimana interrupt masuk ke dalam siklus fetch-execute

CPU sebenarnya menjalankan kode mesin — pola bit, spesifik untuk satu arsitektur. Bahasa assembly adalah bentuk yang mudah dibaca, dengan satu instruksi per instruksi mesin, ditulis menggunakan mnemonik seperti LDD, ADD, JMP. Assembler menerjemahkannya menjadi kode mesin.

*Assembler mengubah mnemonik menjadi pola bit kode mesin

Assembler dua-lintasan

Assembler dua-lintasan membaca sumber dua kali:

• lintasan 1 membangun tabel simbol: setiap kali label (seperti LOOP:) muncul, catat alamatnya; belum ada kode.
• lintasan 2 menghasilkan kode: terjemahkan setiap instruksi, dan ketika satu merujuk pada label (seperti JMP LOOP), cari alamatnya di tabel simbol.

Dua lintasan menangani referensi maju (lompatan ke label yang didefinisikan nanti).

Contoh dikerjakan. Terapkan proses dua-lintasan ke program ini, di mana instruksi pertama disimpan di alamat 100.

        LDD  COUNT
LOOP:   DEC  ACC
        CMP  #0
        JPN  LOOP
        END
COUNT:  5

Lewat 1 membaca setiap baris, menghitung alamat yang akan ditempati, dan mencatat setiap label dalam tabel simbol: LOOP = 101 (baris DEC) dan COUNT = 105 (baris data). Tidak ada kode yang dihasilkan. Lewat 2 membaca program lagi dan menerjemahkan setiap baris menjadi kode mesin, mengganti setiap mnemonik dengan opcode-nya dan setiap alamat simbolik dengan angka dari tabel simbol: LDD COUNT menjadi opcode untuk LDD dengan operand 105, dan JPN LOOP menjadi opcode untuk JPN dengan operand 101. Lompatan kembali ke LOOP dapat diselesaikan dalam satu kali lewat, tetapi lompatan maju ke label yang belum terlihat tidak bisa, itulah sebabnya assembler membuat dua kali lewat.

Contoh set instruksi

Cambridge menggunakan set kecil umum, dicetak dalam tabel referensi soal, dengan satu register tujuan umum, akumulator (ACC), dan register indeks (IX). Operand yang ditulis #n adalah bilangan desimal, Bn bilangan biner dan &n bilangan heksadesimal; <address> adalah nomor lokasi atau label.

Soal "instruksi bahasa assembly dikelompokkan" meminta nama-nama kelompok, dan satu instruksi dari setiap: perpindahan data, input dan output, aritmatika, lompatan tak bersyarat dan bersyarat, perbandingan, serta manipulasi bit.

Mode pengalamatan (atau modes of addressing) menjelaskan bagaimana CPU menemukan operand:

• pengalamatan langsung — operand adalah nilai dalam instruksi. LDM #10 memuat 10.
• pengalamatan langsung — instruksi berisi alamat; operand adalah nilai di sana. LDD 200.
• pengalamatan tidak langsung — instruksi berisi alamat yang berisi alamat lain, yaitu datanya. LDI 200.
• pengalamatan terindeks — alamat efektif adalah address + index register; digunakan untuk array. LDX 100 dengan IR = 5 membaca alamat 105.

(Pengalamatan relatif memberikan alamat sebagai offset dari PC — digunakan untuk lompatan.)

Contoh terpecahkan. Memori berisi: lokasi 200 = 250, lokasi 250 = 99, lokasi 105 = 7. Register indeks memegang 5. Apa yang ada di accumulator setelah masing-masing LDM #200, LDD 200, LDI 200 dan LDX 100? Ikuti sejauh mana setiap mode harus mencari. LDM #200 adalah langsung - operand adalah angka yang ditulis dalam instruksi, jadi accumulator memegang 200. LDD 200 adalah tidak langsung - pergi ke lokasi 200 dan ambil apa yang ada di sana: 250. LDI 200 adalah tidak langsung - lokasi 200 memegang 250, yang merupakan alamat lain, jadi lanjutkan ke lokasi 250: 99. LDX 100 adalah terindeks - tambahkan register indeks ke alamat, $100 + 5 = 105$, dan baca lokasi 105: 7. Hitung loncatannya agar tetap terpisah: langsung 0, tidak langsung 1, tidak langsung 2, terindeks 1 (setelah indeks ditambahkan).

Untuk melacaknya: buat tabel dengan kolom untuk PC, ACC, register indeks, setiap variabel, dan flag apa pun. Langkahkan melalui instruksi, perbarui tabel setelah setiap langkah; ikuti percabangan ketika mengubah PC; hentikan di END. Pola umum adalah loop melintasi array menggunakan pengalamatan indeks.

Contoh terpecahkan. Telusuri program ini. Alamat 200 memegang 5 dan alamat 201 memegang 0.

100   LDD  200
101   CMP  #0
102   JPE  108
103   OUT
104   DEC  ACC
105   STO  200
106   LDD  201
107   JMP  100
108   END

Tulis satu baris untuk setiap instruksi yang dieksekusi, isi hanya kolom yang berubah:

dan seterusnya, hingga LDD 200 memuat 0, perbandingan menetapkan tanda sama, JPE 108 diambil dan program berakhir. Tiga hal yang pemeriksa periksa: a CMP tidak mengubah register, hanya tanda; lompatan yang tidak diambil masih dihitung sebagai dieksekusi; dan OUT menghasilkan karakter, jadi masuk ke kolom output, bukan kolom ACC. "Nyatakan efek mengganti LDD 10 dengan LDM #10": ACC akan berisi angka 10 alih-alih isi alamat 10.

Geser logis memindahkan semua bit ke kiri atau kanan sejumlah tempat, mengisi posisi baru dengan 0.

• geser kiri oleh 1 (LSL #1) — bit bergerak ke kiri, sebuah 0 masuk dari kanan; untuk bilangan unsigned ini adalah × 2.
• geser kanan oleh 1 (LSR #1) — bit bergerak ke kanan, sebuah 0 masuk dari kiri; untuk bilangan unsigned ini adalah integer ÷ 2.

Mengeser sebanyak $n$ tempat mengalikan atau membagi dengan $2^{n}$. Contoh: 00001011 (11) LSL #1 → 00010110 (22).

Bit yang digeser keluar dari ujung hilang, jadi perkalian hanya benar selama mereka nol. LSL #2 pada integer dua-komplemen 11001010 menghasilkan 00101000: dua angka 1 yang jatuh dari kiri hilang, bit tanda telah berubah, dan hasilnya tidak lagi empat kali aslinya.

Geser kanan aritmatika mempertahankan bit tanda sehingga bilangan bulat negatif tetap negatif. Geser siklik (rotate) memasukkan kembali bit yang jatuh dari satu ujung ke ujung lainnya, sehingga tidak ada bit yang hilang.

"Tunjukkan hasil geser kanan aritmatika 3 tempat pada 10011110": salin bit tanda ke setiap tempat yang kosong, 11110011. Geser yang sama pada 01011100 menghasilkan 00001011. Geser kiri siklis 1 tempat pada 10000110 menghasilkan 00001101: 1 di depan muncul kembali di sebelah kanan.

Perbedaan antara dua geser kanan adalah satu bit. Ambil 11110000, yang bernilai 240 dibaca sebagai unsigned dan $-16$ dibaca sebagai signed. LSR #1 membawa masuk 0 dan menghasilkan 01111000 $= 120$, yang merupakan setengah yang benar dari 240. ASR #1 menyalin bit tanda alih-alih dan menghasilkan 11111000 $= -8$, yang merupakan setengah yang benar dari $-16$. Keduanya tidak salah — masing-masing membagi dua nilai di bawah satu pembacaan.

Manipulasi bit untuk pemantauan/kontrol

Perangkat tertanam sering menggunakan satu bit dari register per sinyal (mis. bit $n$ = LED $n$). Menggunakan masker — masking bit — Anda dapat:

• set bit $n$: R = R OR sebuah masker dengan bit $n$ diset.
• clear bit $n$: R = R AND sebuah masker dengan bit $n$ clear dan sisanya set.
• toggle bit $n$: R = R XOR sebuah masker dengan bit $n$ diset.
• test bit $n$: R AND masker, lalu periksa apakah hasilnya bukan nol.

Manipulasi bit cepat, menggunakan sedikit memori, dan memungkinkan satu byte menampung hingga 8 status on/off.

Dalam instruksi ujian, ini adalah AND, OR dan XOR dengan masker yang ditulis sebagai operand desimal, biner atau heksadesimal. Dengan ACC yang berisi 10101100:

"Tulis instruksi yang set bit paling signifikan menjadi 1 dan membiarkan yang lain tidak berubah": OR #1, atau OR B00000001. Untuk clear bit gunakan AND dengan masker yang memiliki 0 di tempat tersebut dan 1s di tempat lain; untuk test bit, AND dengan masker yang hanya memiliki 1 di tempat tersebut, lalu bandingkan hasilnya dengan nol. Dalam perangkat pemantauan, satu bit register per sensor memungkinkan satu AND memeriksa apakah sensor tertentu on, dan satu OR mengaktifkan bit kontrol aktuator tanpa mengganggu yang lain.

Soal definisi dinilai berdasarkan frasa tetap. Hafalkan ini persis, dan berikan hanya satu jawaban.

• Pelajari siklus ambil-eksekusi dalam istilah transfer-register (PC, MAR, MDR, CIR, ACC) dan apa yang meningkatkan PC.
• Sebutkan pekerjaan setiap register; bus alamat satu arah, bus data dua arah.
• Bedakan mode pengalamatan (langsung, tidak langsung, terindeks) — pertanyaan yang sering muncul.
• Jelaskan bagaimana kecepatan clock, jumlah inti, ukuran cache dan panjang kata mempengaruhi kinerja.
• Untuk pergeseran biner, nyatakan apakah itu logika atau aritmatika; pergeseran kiri mengalikan dengan 2, pergeseran kanan membagi dengan 2.

Kesalahan umum

• Mengatakan PC memegang instruksi saat ini, atau MDR memegang alamat. PC memegang alamat instruksi berikutnya; MDR memegang data atau instruksi, tidak pernah alamat.
• Meninggalkan peningkatan PC keluar dari pengambilan, atau meletakkannya setelah eksekusi. Hal itu terjadi begitu alamat disalin ke MAR.
• Membaca LDD 10 sebagai "muat 10". LDD 10 memuat isi alamat 10; LDM #10 memuat angka 10.
• Memasukkan nilai di kolom ACC untuk CMP atau OUT. Perbandingan hanya menetapkan flag; output pergi ke kolom output.
• Mengatakan interupsi ditangani "segera". Prosessor menyelesaikan instruksi saat ini dan memeriksa interupsi di akhir siklus.
• Menggunakan pergeseran logika kanan pada bilangan dua komplemen negatif. Hanya pergeseran aritmatika yang mempertahankan bit tanda.