Pengertian RISC, CISC dan superscalar.
Reduced Instruction Set Computing (RISC) atau "Komputasi set instruksi yang disederhanakan" pertama kali digagas oleh John Cocke, peneliti dari IBM di Yorktown, New York pada tahun 1974 saat ia membuktikan bahwa sekitar 20% instruksi pada sebuah prosesor ternyata menangani sekitar 80% dari keseluruhan kerjanya. Komputer pertama yang menggunakan konsep RISC ini adalah IBM PC/XT pada era 1980-an. Istilah RISC sendiri pertama kali dipopulerkan oleh David Patterson, pengajar pada University of California di Berkely.
Definisinya adalah, RISC, yang jika diterjemahkan berarti "Komputasi Kumpulan Instruksi yang Disederhanakan", merupakan sebuah arsitektur komputer atau arsitektur komputasi modern dengan instruksi-instruksi dan jenis eksekusi yang paling sederhana. Arsitektur ini digunakan pada komputer dengan kinerja tinggi, seperti komputer vektor. Selain digunakan dalam komputer vektor, desain ini juga diimplementasikan pada prosesor komputer lain, seperti pada beberapa mikroprosesor Intel 960, Itanium (IA64) dari Intel Corporation, Alpha AXP dari DEC, R4x00 dari MIPS Corporation, PowerPC dan Arsitektur POWER dari International Business Machine. Selain itu, RISC juga umum dipakai pada Advanced RISC Machine (ARM) dan StrongARM (termasuk di antaranya adalah Intel XScale), SPARC dan UltraSPARC dari Sun Microsystems, serta PA-RISC dari Hewlett-Packard.
Selain RISC, desain Central Processing Unit yang lain adalah CISC (Complex Instruction Set Computing), yang jika diterjemahkan ke dalam Bahasa Indonesia berarti Komputasi Kumpulan Instruksi yang kompleks atau rumit.
Complex instruction-set computing atau Complex Instruction-Set Computer (CISC; "Kumpulan instruksi komputasi kompleks") adalah sebuah arsitektur dari set instruksi dimana setiap instruksi akan menjalankan beberapa operasi tingkat rendah, seperti pengambilan dari memory, operasi aritmetika, dan penyimpanan ke dalam memory, semuanya sekaligus hanya di dalam sebuah instruksi. Karakteristik CISC dapat dikatakan bertolak-belakang dengan RISC.
Sebelum proses RISC didesain untuk pertama kalinya, banyak arsitek komputer mencoba menjembatani celah semantik", yaitu bagaimana cara untuk membuat set-set instruksi untuk mempermudah pemrograman level tinggi dengan menyediakan instruksi "level tinggi" seperti pemanggilan procedure, proses pengulangan dan mode-mode pengalamatan kompleks sehingga struktur data dan akses array dapat dikombinasikan dengan sebuah instruksi. Karakteristik CISC yg "sarat informasi" ini memberikan keuntungan di mana ukuran program-program yang dihasilkan akan menjadi relatif lebih kecil, dan penggunaan memory akan semakin berkurang. Karena CISC inilah biaya pembuatan komputer pada saat itu (tahun 1960) menjadi jauh lebih hemat.
Memang setelah itu banyak desain yang memberikan hasil yang lebih baik dengan biaya yang lebih rendah, dan juga mengakibatkan pemrograman level tinggi menjadi lebih sederhana, tetapi pada kenyataannya tidaklah selalu demikian. Contohnya, arsitektur kompleks yang didesain dengan kurang baik (yang menggunakan kode-kode mikro untuk mengakses fungsi-fungsi hardware), akan berada pada situasi di mana akan lebih mudah untuk meningkatkan performansi dengan tidak menggunakan instruksi yang kompleks (seperti instruksi pemanggilan procedure), tetapi dengan menggunakan urutan instruksi yang sederhana.
Satu alasan mengenai hal ini adalah karena set-set instruksi level-tinggi, yang sering disandikan (untuk kode-kode yang kompleks), akan menjadi cukup sulit untuk diterjemahkan kembali dan dijalankan secara efektif dengan jumlah transistor yang terbatas. Oleh karena itu arsitektur -arsitektur ini memerlukan penanganan yang lebih terfokus pada desain prosesor. Pada saat itu di mana jumlah transistor cukup terbatas, mengakibatkan semakin sempitnya peluang ditemukannya cara-cara alternatif untuk optimisasi perkembangan prosesor. Oleh karena itulah, pemikiran untuk menggunakan desain RISC muncul pada pertengahan tahun 1970 (Pusat Penelitian Watson IBM 801 - IBMs) Contoh-contoh prosesor CISC adalah System/360, VAX, PDP-11, varian Motorola 68000 , dan CPU AMD dan Intel x86.
Istilah RISC dan CISC saat ini kurang dikenal, setelah melihat perkembangan lebih lanjut dari desain dan implementasi baik CISC dan CISC. Implementasi CISC paralel untuk pertama kalinya, seperti 486 dari Intel, AMD, Cyrix, dan IBM telah mendukung setiap instruksi yang digunakan oleh prosesor-prosesor sebelumnya, meskipun efisiensi tertingginya hanya saat digunakan pada subset x86 yang sederhana (mirip dengan set instruksi RISC, tetapi tanpa batasan penyimpanan/pengambilan data dari RISC). Prosesor-prosesor modern x86 juga telah menyandikan dan membagi lebih banyak lagi instruksi-instruksi kompleks menjadi beberapa "operasi-mikro" internal yang lebih kecil sehingga dapat instruksi-instruksi tersebut dapat dilakukan secara paralel, sehingga mencapai performansi tinggi pada subset instruksi yang lebih besar.
Sudah sering kita mendengar debat yang cukup menarik antara komputer personal IBM dan kompatibelnya yang berlabel Intel Inside dengan komputer Apple yang berlabel PowerPC. Perbedaan utama antara kedua komputer itu ada pada tipe prosesor yang digunakannya. Prosesor PowerPC dari Motorola yang menjadi otak utama komputer Apple Macintosh dipercaya sebagai prosesor RISC, sedangkan Pentium buatan Intel diyakini sebagai prosesor CISC. Kenyataannya komputer personal yang berbasis Intel Pentium saat ini adalah komputer personal yang paling banyak populasinya. Tetapi tidak bisa pungkiri juga bahwa komputer yang berbasis RISC seperti Macintosh, SUN adalah komputer yang handal dengan sistem pipelining, superscalar, operasi floating point dan sebagainya.
Apakah memang RISC lebih lebih baik dari CISC atau sebaliknya. Tetapi tahukah kita dimana sebenarnya letak perbedaan itu. Apakah prosesor dengan instruksi yang lebih sedikit akan lebih baik dari prosesor yang instruksinya kompleks dan lengkap. Apakah memang perbedaan prosesor itu hanya dari banyak atau tidaknya instruksi saja. Bukankah jumlah instruksi tidak berhubungan dengan ke-handal-an suatu prosesor. Pertanyaan-pertanyaan ini yang hendak dijawab melalui tulisan berikut. Namun supaya lebih dekat dengan elektronika praktis, ElectronicLab akan lebih fokus pada mikrokontroler low-cost yang berbasis RISC dan CISC. Sebagai contoh dari mikrokontroler CISC adalah 68HC11 buatan Motorola dan 80C51 dari Intel. Kita juga mengenal keluarga PIC12/16CXX dari Microchip dan COP8 buatan National Semiconductor sebagai mikrokontroler yang berbasis RISC.
CISC adalah singkatan dari Complex Intruction Set Computer dimana prosesor tersebut memiliki set instruksi yang kompleks dan lengkap. Sedangkan RISC adalah singkatan dari Reduced Instruction Set Computer yang artinya prosesor tersebut memiliki set instruksi program yang lebih sedikit. Karena perbedaan keduanya ada pada kata set instruksi yang kompleks atau sederhana (reduced), maka mari kita bahas sedikit tentang intruksi itu sendiri.
Sistem mikrokontroler selalu terdiri dari perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software). Perangkat lunak ini merupakan deretan perintah atau instruksi yang dijalankan oleh prosesor secara sekuensial. Instruksi itu sendiri sebenarnya adalah bit-bit logik 1 atau 0 (biner) yang ada di memori program. Angka-angka biner ini jika lebarnya 8 bit disebut byte dan jika 16 bit disebut word. Deretan logik biner inilah yang dibaca oleh prosesor sebagai perintah atau instruksi. Supaya lebih singkat, angka biner itu biasanya direpresentasikan dengan bilangan hexa (HEX). Tetapi bagi manusia, menulis program dengan angka biner atau hexa sungguh merepotkan. Sehingga dibuatlah bahasa assembler yang direpresentasikan dengan penyingkatan kata-kata yang cukup dimengerti oleh manusia.
Bahasa assembler ini biasanya diambil dari bahasa Inggris dan presentasinya itu disebut dengan Mnemonic. Masing-masing pabrik mikroprosesor melengkapi chip buatannya dengan set instruksi yang akan dipakai untuk membuat program.
Biner Hexa Mnemonic
10110110 B6 LDAA ...
10010111 97 STAA ...
01001010 4A DECA ...
10001010 8A ORAA ...
00100110 26 BNE ...
00000001 01 NOP...
01111110 7E JMP ...
Sebagian set instruksi 68HC11
Pada awalnya, instruksi yang tersedia amat sederhana dan sedikit. Kemudian desainer mikroprosesor berlomba-lomba untuk melengkapi set instruksi itu selengkap-lengkapnya. Jumlah instruksi itu berkembang seiring dengan perkembangan desain mikroprosesor yang semakin lengkap dengan mode pengalamatan yang bermacam-macam. Mikroprosesor lalu memiliki banyak instruksi manipulasi bit dan seterusnya dilengkapi dengan instruksi-instruksi aritmatik seperti penjumlahan, pengurangan, perkalian dan pembagian. Seperti contohnya 68HC11 banyak sekali memiliki set instruksi untuk percabangan seperti BNE, BLO, BLS, BMI, BRCLR, BRSET dan sebagainya.
Perancang mikroprosesor juga memperkaya ragam instruksi tersebut dengan membuat satu instruksi tunggal untuk program yang biasanya dijalankan dengan beberapa intruksi. Misalnya pada 80C51 untuk contoh program berikut ini.
LABEL ...
...
DEC R0
MOV A,R0
JNZ LABEL
Program 'decrement' 80C51
Program ini adalah program pengulangan yang mengurangi isi register R0 sampai register R0 menjadi kosong (nol). Intel menambah set instruksinya dengan membuat satu instruksi khusus untuk keperluan seperti ini :
LABEL ....
DJNZ R0,LABEL
Instruksi 'decrement jump not zero' 80C51
Kedua contoh program ini hasilnya tidak berbeda. Namun demikian, instruksi kompleks seperti DJNZ mempermudah pembuat program. Set instruksi yang lengkap diharapkan akan semakin membuat pengguna mikroprosesor leluasa menulis program dalam bahasa assembler yang mendekati bahasa pemrograman level tinggi. Intel 80C51 yang dikembangkan dari basis prosesor 8048 dirilis pada tahun 1976 memiliki tidak kurang dari 111 instruksi. Tidak ketinggalan, 68HC11 dari Motorola yang populer di tahun 1984 dilengkapi dengan 145 instruksi. Karena banyak dan kompleksnya instruksi yang dimiliki 68HC11 dan 80C51, kedua contoh mikrokontroler ini disebut sebagai prosesor CISC.
Debat CISC versus RISC dimulai ketika pada tahun 1974 IBM mengembangkan prosesor 801 RISC. Argumen yang dipakai waktu itu adalah mengapa diperlukan instruksi yang kompleks. Sebab pada prinsipnya, instruksi yang kompleks bisa dikerjakan oleh instruksi-instruksi yang lebih sederhana dan kecil. Ketika itu penggunaan bahasa tingkat tinggi seperti Fortran dan kompiler lain (compiler/interpreter) mulai berkembang. Apalagi saat ini compiler seperti C/C++ sudah lazim digunakan. Sehingga sebenarnya tidaklah diperlukan instruksi yang kompleks di tingkat prosesor. Kompiler yang akan bekerja men-terjemahkan program dari bahasa tingkat tinggi menjadi bahasa mesin.
Untuk melihat bagaimana perbedaan instruksi RISC dan CISC, mari kita lihat bagaimana keduanya melakukan perkalian misalnya c = a x b. Mikrokontroler 68HC11 melakukannya dengan program sebagai berikut :
LDAA #$5
LDAB #$10
MUL
Program 5x10 dengan 68HC11
Cukup tiga baris saja dan setelah ini accumulator D pada 68HC11 akan berisi hasil perkalian dari accumulator A dan B, yakni 5 x 10 = 50. Program yang sama dengan PIC16CXX, adalah seperti berikut ini.
MOVLW 0x10
MOVWF Reg1
MOVLW 0x05
MOVWF Reg2
CLRW
LOOP ADDWF Reg1,0
CFSZ Reg2,1
GOTO LOOP
…
…
Program 5x10 dengan PIC16CXX
Prosesor PIC16CXX yang RISC ini, tidak memiliki instruksi perkalian yang khusus. Tetapi perkalian 5x10 itu sama saja dengan penjumlahan nilai 10 sebanyak 5 kali. Kelihatannya membuat program assembly dengan prosesor RISC menjadi lebih kompleks dibandingkan dengan prosesor CISC. Tetapi perlu diingat, untuk membuat instruksi yang kompleks seperti instruksi MUL dan instruksi lain yang rumit pada prosesor CISC, diperlukan hardware yang kompleks juga. Dibutuhkan ribuan gerbang logik (logic gates) transistor untuk membuat prosesor yang demikian. Instruksi yang kompleks juga membutuhkan jumlah siklus mesin (machine cycle) yang lebih panjang untuk dapat menyelesaikan eksekusinya. Instruksi perkalian MUL pada 68HC11 memerlukan 10 siklus mesin dan instruksi pembagiannya memerlukan 41 siklus mesin.
Pendukung RISC berkesimpulan, bahwa prosesor yang tidak rumit akan semakin cepat dan handal. Hampir semua instruksi prosesor RISC adalah instruksi dasar (belum tentu sederhana), sehingga instruksi-instruksi ini umumnya hanya memerlukan 1 siklus mesin untuk menjalankannya. Kecuali instruksi percabangan yang membutuhkan 2 siklus mesin. RISC biasanya dibuat dengan arsitektur Harvard, karena arsitektur ini yang memungkinkan untuk membuat eksekusi instruksi selesai dikerjakan dalam satu atau dua siklus mesin.
Sebagai perbandingan jumlah instruksi pada prosesor RISC, COP8 hanya dilengkapi dengan 58 instruksi dan PIC12/16CXX hanya memiliki 33 instruksi saja. Untuk merealisasikan instruksi dasar yang jumlah tidak banyak ini, mikroprosesor RISC tidak memerlukan gerbang logik yang banyak. Karena itu dimensi dice IC dan konsumsi daya prosesor RISC umumnya lebih kecil dibanding prosesor CISC. Bukan karena kebetulan, keluarga mikrokontroler PICXX banyak yang dirilis ke pasar dengan ukuran mini. Misalnya PIC12C508 adalah mikrokontroler DIP 8 pin.
CISC dan RISC perbedaannya tidak signifikan jika hanya dilihat dari terminologi set instruksinya yang kompleks atau tidak (reduced). Lebih dari itu, RISC dan CISC berbeda dalam filosofi arsitekturnya. Filosofi arsitektur CISC adalah memindahkan kerumitan software ke dalam hardware. Teknologi pembuatan IC saat ini memungkinkan untuk menamam ribuan bahkan jutaan transistor di dalam satu dice. Bermacam-macam instruksi yang mendekati bahasa pemrogram tingkat tinggi dapat dibuat dengan tujuan untuk memudahkan programmer membuat programnya. Beberapa prosesor CISC umumnya memiliki microcode berupa firmware internal di dalam chip-nya yang berguna untuk menterjemahkan instruksi makro. Mekanisme ini bisa memperlambat eksekusi instruksi, namun efektif untuk membuat instruksi-instruksi yang kompleks. Untuk aplikasi-aplikasi tertentu yang membutuhkan singlechip komputer, prosesor CISC bisa menjadi pilihan.
Sebaliknya, filosofi arsitektur RISC adalah arsitektur prosesor yang tidak rumit dengan membatasi jumlah instruksi hanya pada instruksi dasar yang diperlukan saja. Kerumitan membuat program dalam bahasa mesin diatasi dengan membuat bahasa program tingkat tinggi dan compiler yang sesuai. Karena tidak rumit, teorinya mikroprosesor RISC adalah mikroprosesor yang low-cost dalam arti yang sebenarnya. Namun demikian, kelebihan ruang pada prosesor RISC dimanfaatkan untuk membuat sistem-sistem tambahan yang ada pada prosesor modern saat ini. Banyak prosesor RISC yang di dalam chip-nya dilengkapi dengan sistem superscalar, pipelining, caches memory, register-register dan sebagainya, yang tujuannya untuk membuat prosesor itu menjadi semakin cepat.
Superscalar
Salah satu jenis dari arsitektur, dimana superscalar adalah sebuah uniprocessor yang dapat mengeksekusi dua atau lebih operasi scalar dalm bentuk paralel.
Merupakan salah satu
rancangan untuk meningkatkan kecepatan CPU. Kebanyakan dari
komputer saat ini menggunakan mekanisme superscalar ini. Standar
pipeline yang digunakan adalah untuk pengolahan bilangan matematika
integer (bilangan bulat, bilangan yang tidak memiliki pecahan), kebanyakan CPU juga memiliki kemampuan untuk
pengolahan untuk data floating point (bilangan berkoma). Pipeline yang mengolah integer dapat juga digunakan untuk mengolah data bertipe floating point ini, namun untuk aplikasi tertentu, terutama untuk aplikasi keperluan ilmiah CPU yang memiliki kemampuan pengolahan floating point dapat meningkatkan kecepatan prosesnya secara dramatis. Peristiwa menarik yang bisa dilakukan dengan metoda superscalar ini adalah dalam hal memperkirakan pencabangan instruksi (
brach prediction) serta perkiraan eksekusi perintah (
speculative execution). Peristiwa ini sangat menguntungkan buat program yang membutuhkan pencabangan dari kelompok intruksi yang dijalankankannya. Program yang terdiri dari kelompok perintah bercabang ini sering digunakan dalam pemrograman. Contohnya dalam menentukan aktifitas yang dilakukan oleh suatu sistem berdasarkan umur seseorang yang sedang diolahnya, katakanlah jika umur yang bersangkutan lebih dari 18 tahun, maka akan diberlakukan instruksi yang berhubungan dengan umur tersebut, anggaplah seseorang tersebut dianggap telah dewasa, sedangkan untuk kondisi lainnya dianggap belum dewasa. Tentu perlakuannya akan dibedakan sesuai dengan sistem yang sedang dijalankan. Lalu apa yang dilakukan oleh CPU untuk hal ini? Komputer akan membandingkan nilai umur data yang diperolehnya dengan 18 tahun sehingga komputer dapat menentukan langkah dan sikap yang harus diambilnya berdasarkan hasil perbandingan tersebut. Sikap yang diambil tentu akan diambil berdasarkan pencabangan yang ada. Pada CPU yang mendukung perintah pencabangan ini, CPU membutuhkan lumayan banyak clock cycle, mengingat CPU menempatkan semuanya pada pipeline dan menemukan perintah berikutnya yang akan dieksekusinya. Sirkuit untuk branch prediction melakukan pekerjaan ini bekerja sama dengan pipeline, yang dilakukan sebelum proses di ALU dilaksanakan, dan memperkirakan hasil dari pencabangan tersebut. Jika CPU berfikir bahwa branch akan menuju suatu cabang, biasanya berdasarkan pekerjaan sebelumnya, maka perintah berikutnya sudah dipersiapkan untuk dieksekusi berikut data-datanya, bahkan dengan adanya pipeline ini, bila tidak diperlukan suatu referensi dari instruksi terakhir, maka bisa dilaksanakan dengan segera, karena data dan instruksi yang dibutuhkan telah dipersiapkan sebelumnya.. Dalam hal speculative execution, artinya CPU akan menggunakan melakukan perhitungan pada pipeline yang berbeda berdasarkan kemungkinan yang diperkirakan oleh komputer. Jika kemungkinan yang dilakukan oleh komputer tepat, maka hasilnya sudah bisa diambil langsung dan tinggal melanjutkan perintah berikutnya, sedangkan jika kemungkinan yang diperkirakan oleh komputer tidak tepat, maka akan dilaksanakan kemungkinan lain sesuai dengan logika instruksi tersebut. Teknik yang digunakan untuk pipeline dan superscalar ini bisa melaksanakan branch prediction dan speculative execution tentunya membutuhkan ekstra transistor yang tidak sedikit untuk hal tersebut. Sebagai perbandingan, komputer yang membangkitkan pemrosesan pada PC pertama yang dikeluarkan oleh
IBM pada mesin
8088 memiliki sekitar 29.000
transistor. Sedangkan pada mesin
Pentium III, dengan teknologi superscalar dan
superpipeline, mendukung branch prediction, speculative execution serta berbagai kemampuan lainnya memiliki sekitar 7,5 juta transistor. Beberapa CPU terkini lainnya seperti
HP 8500 memiliki sekitar 140 juta transistor.
.jpg)