1. Reduced Instruction Set Computing [RISC]

Disingkat dengan RISC. Rangkaian instruksi built-in pada processor yang terdiri dari perintah-perintah yang lebih ringkas dibandingkan dengan CISC. RISC memiliki keunggulan dalam hal kecepatannya sehingga banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi yang memerlukan kalkulasi secara intensif. Konsep RISC pertama kali dikembangkan oleh IBM pada era 1970-an. Komputer pertama yang menggunakan RISC adalah komputer mini IBM 807 yang diperkenalkan pada tahun 1980. Dewasa ini, RISC digunakan pada keluarga processor buatan Motorola (PowerPC) dan SUN Microsystems (Sparc, UltraSparc). RISC dikembangkan melalui seorang penelitinya yang bernama John Cocke, beliau menyampaikan bahwa sebenarnya kekhasan dari komputer tidaklah menggunakan banyak instruksi, namun yang dimilikinya adalah instruksi yang kompleks yang dilakukan melalui rangkaian sirkuit.

Pada desain chip mikroprosesor jenis ini, pemroses diharapkan dapat melaksanakan perintah-perintah yang dijalankannya secara cepat dan efisien melalui penyediaan himpunan instruksi yang jumlahnya relatif sedikit, dengan mengambil perintah-perintah yang sangat sederhana, akibatnya arsitektur RISC membatasi jumlah instruksinya yang dipasang ke dalam mikroprosesor tetapi mengoptimasi setiap instruksi sehingga dapat dilaksanakan dengan cepat. Dengan demikian instruksi yang sederhana dapat dilaksanakan lebih cepat apabila dibandingkan dengan mikroprosesor yang dirancang untuk menangan susunan instruksi yang lebih luas. Dengan demikian chip RISC hanya dapat memproses instruksi dalam jumlah terbatas, tetapi instruksi ini dioptimalkan sehingga cepat dieksekusi. Meski demikian, bila harus menangani tugas yang kompleks, instruksi harus dibagi menjadi banyak kode mesin, terutama sebelum chip RISC dapat menanganinya. Karena keterbatasan jumlah instruksi yang ada padanya, apabila terjadi kesalahan dalam pemrosesan akan memudahkan dalam melacak kesalahan tersebut.

Pada tahun 1980-an kapasitas modul memori meningkat dan harganya turun. Penekanan pada desain CPU bergeser ke kinerja, dan RISC menjadi trend baru. Contoh arsitektur RISC meliputi SPARC dari Sun Microsystems; seri MIPS Rxxxx dari MIPS Technologies; Alpha dari Digital Equipment; PowerPC yang dikembangkan bersama oleh IBM dan Motorola; dan RISC dari Hewlett-Packard. Chip RISC menggunakan sejumlah kecil instruksi dengan panjang-sama yang relatif sederhana, yaitu panjangnya selalu 32 bit. Walaupun hal ini memboroskan memori karena harus dibuat program lebih besar, instruksi lebih mudah dan cepat dieksekusi. Karena chip ini berurusan dengan jenis instruksi lebih sedikit, chip RISC membutuhkan lebih sedikit transistor ketimbang chip CISC dan umumnya berkinerja lebih tinggi pada kecepatan clock yang sama, walaupun chip ini harus mengeksekusi lebih banyak instruksi lebih pendek untuk menyelesaikan sebuah fungsi. Kesederhanaan RISC juga mempermudah merancang prosesor superscalar - chip yang dapat mengeksekusi lebih dari satu instruksi pada satu saat. Hampir semua prosesor RISC dan CISC modern adalah superscalar; tetapi untuk mencapai kemampuan ini membuat desain lebih rumit.

Kebalikan dari arsitektur chip mikrprosesor dari RISC adalah CISC (baca ”sisk”, yang merupakan singkatan dari complex instruction set computing, dimana mikroprosesor memiliki lebih banyak instruksi yang terdapat di dalamnya.

2. Complex Instruction Set Computing (CISC)

Complex Instruction Set Computing disingkat CISC (baca : “sisk”) merupakan rangkaian instruksi built-in pada processor yang terdiri dari perintah-perintah yang kompleks. Instruksi-instruksi yang tersedia bertujuan untuk memudahkan para programmer untuk mengembangkan aplikasi untuk plattform CISC. Pada arsitektur CISC seperti Intel x86, yang diperkenalkan pada tahun 1978, bisa terdapat ratusan instruksi program - perintah-perintah sederhana yang menyuruh sistem menambah angka, menyimpan nilai, dan menampilkan hasilnya. Bila semua instruksi panjangnya sama, instruksi sederhana akan memboroskan memori. Instruksi sederhana membutuhkan ruang penyimpanan 8 bit, sementara instruksi yang paling kompleks mengkonsumsi sebanyak 120 bit. Sehingga hal tersebut akan mengurangi kecepatannya.

Arsitektur berbasis CISC juga memungkinkan para perancang prosesor untuk menambahkan set instruksi tambahan untuk keperluan tertentu disamping set instruksi standar yang sudah ada, misalnya set instruksi MMX (Multimedia Extension) yang ditambahkan pada prosesor buatan Intel, dan 3Dnow! pada prosesor keluaran AMD. Karena itulah maka keluarga prosesor CISC lebih banyak digunakan dalam komputer pribadi dimana aplikasinya lebih luas, sementara keluarga prosesor RISC hanya digunakan pada workstation yang biasanya memiliki lingkup aplikasi yang lebih sempit.

Diantara kelebihan dan kekurangan dari arsitektur RISC dan arsitektur CISC sampai sekarang masih menjadi sebuah perdebatan. Ada juga teknologi yang menggabungkan kedua arsitektur tersebut, contohnya : Prosesor Intel dan AMD yang dijual secara komersil sekarang adalah pengembangan dari prosesor x86 yang menggunakan basis prosesor CISC. Lucunya, instruksi set yang didukung oleh kedua prosesor tersebut menggunakan instruksi RISC yang lebih efisien dalam menangani data.

a. APAKAH CISC DAN RISC ITU ?

Ditinjau dari perancangan perangkat instruksinya, ada dua arsitektur prosesor yang menonjol saat ini, yakni arsitektur RISC (Reduce Instruction Set Computer) dan CISC (Complex Instruction Set Computer). Prosesor CISC memiliki instruksi-instruksi kompleks untuk memudahkan penulisan program bahasa assembly, sedangkan prosesor RISC memiliki instruksi-instruksi sederhana yang dapat dieksekusi dengan cepat untuk menyederhanakan implementasi rangkaian kontrol internal prosesor. Karenanya, prosesor RISC dapat dibuat dalam luasan keping semikonduktor yang relatif lebih sempit dengan jumlah komponen yang lebih sedikit dibanding prosesor CISC. Perbedaan orientasi di antara kedua prosesor ini menyebabkan adanya perbedaan sistem secara keseluruhan, termasuk juga perancangan kompilatornya.

b. Ciri-ciri Prosesor RISC dan CISC

Sebenarnya, prosesor RISC tidak sekedar memiliki instruksi-instruksi yang sedikit dan sederhana seperti namanya tetapi juga mencakup banyak ciri-ciri lain yang tidak semuanya disepakati oleh kalangan perancang sendiri. Meskipun demikian, banyak yang telah bersepakat bahwa prosesor memiliki ciri-ciri tertentu untuk membedakannya dengan prosesor RISC dan CISC.

Pertama, prosesor RISC mengeksekusi instruksi pada setiap satu siklus detak (Robinson, 1987 : 144; Johnson, 1987 : 153). Hasil penelitian IBM (International Business Machine) menunjukkan bahwa frekuensi penggunaan instruksi-instruksi kompleks hasil kompilasinya sangat kecil dibanding dengan instruksi-instruksi sederhana. Dengan perancangan yang baik instruksi sederhana dapat dibuat agar bisa dieksekusi dalam satu siklus detak. Ini tidak berarti bahwa dengan sendirinya prosesor RISC mengeksekusi program secara lebih cepat dibanding prosesor CISC. Analogi sederhananya adalah bahwa kecepatan putar motor (putaran per menit) yang makin tinggi pada kendaraan tidaklah berarti bahwa jarak yang ditempuh kendaraan (meter per menit) tersebut menjadi lebih jauh, karena jarak tempuh masih bergantung pada perbandingan roda gigi yang dipakai.

Kedua, instruksi pada prosesor RISC memiliki format-tetap, sehingga rangkaian pengontrol instruksi menjadi lebih sederhana dan ini berarti menghemat penggunaan luasan keping semikonduktor. Bila prosesor CISC (misalnya Motorola 68000 atau Zilog Z8000) memanfaatkan 50% - 60% dari luas keping semikonduktor untuk rangkaian pengontrolnya, prosesor RISC hanya memerlukan 6%-10%. Eksekusi instruksi menjadi lebih cepat karena rangkaian menjadi lebih sederhana (Robinson, 1987 : 144; Jonhson 1987 : 153).

Ketiga, instruksi yang berhubungan dengan memori hanya instruksi isi (load) dan instruksi simpan (store) , instruksi lain dilakukan dalam register internal prosesor. Cara ini menyederhanakan mode pengalamatan (addressing) dan memudahkan pengulangan kembali instruksi untuk kondisi-kondisi khusus yang dikehendaki (Robinson,1987 : 144; Johnson, 1987: 153). Dengan ini pula perancang lebih menitikberatkan implementasi banyak register dalam chip prosesor. Dalam prosesor RISC, 100 buah register atau lebih adalah hal yang biasa. Manipulasi data yang terjadi pada register yang umumnya lebih cepat daripada dalam memori menyebabkan prosesor RISC berpotensi beroperasi lebih cepat.

Keempat, prosesor RISC memerlukan waktu kompilasi yang lebih lama daripada prosesor CISC. Karena sedikitnya pilihan instruksi dan mode pengalamatan yang dimiliki prosesor RISC, maka diperlukan optimalisasi perancangan kompilator agar mampu menyusun urutan instruksi-instruksi sederhana secara efisien dan sesuai dengan bahasa pemrograman yang dipilih. Keterkaitan desain prosesor RISC dengan bahasa pemrograman memungkinkan dirancangnya kompilator yang dioptimasi untuk bahasa target tersebut.

Kelima, penggunaan prosesor CISC hanya menghemat sedikit atau sama sekali tidak menghemat memori jika dibandingkan RISC. Kemudian compiler-kompiler pada mesin CISC cenderung menggunakan instruksi-instruksi yang lebih sederhana, karena itu keringkasan instruksi kompleks jarang sekali memegang peranan. Selain itu, karena pada CISC terdapat instruksi yang lebih banyak, maka diperlukan code yang lebih panjang, yang akan menghasilkan instruksi yang lebih panjang pula. RISC cenderung menekankan pada referensi register dibandingkan pada referensi memori, dan referensi register memerlukan bit yang jumlahnnya lebih sedikit.

c. Kesimpulan

RISC dan CISC adalah sebuah teknologi arsitektur computer yang benar-benar mempengaruhi perkembangan arsitektur komputer. CISC ditemukan terlebih dahulu kemudian RISC. CISC (complex instructions sets computer) adalah sebuah arsitektur computer yang memiliki instruksi yang lebih kompleks. Dulu, dalam bahasa mesin dibuat instruksi-instruksi yang lebih banyak dimana hal ini dimaksudkan agar dapat mempermudah (memperingkas) sebuah program. Jadi, dengan perintah yang banyak dapat dibuat program yang mudah. Sedangkan RISC (reduce instructions sets computer) adalah sebuah arsitektur computer yang memiliki instruksi yang lebih sedikit. Memang menurut perkiraan, pada CISC program akan berjalan dengan cepat. Tapi pada kenyataannya tidak. Dengan begitu banyaknya instruksi ternyata membuat program berjalan tidak lebih cepat. Maka dengan RISC perintah-perintah/instruksi-instruksi dikurangi membuat program lebih cepat.

3. 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.

a. Sejarah

Seymour Cray's CDC 6600 dari 1965 sering disebut sebagai pertama superscalar desain. Intel i960CA (1988) dan seri AMD 29000-29050 (1990) mikro yang komersial pertama chip tunggal superscalar mikro. CPU RISC seperti ini membawa konsep superscalar untuk mikro komputer RISC karena hasil desain yang sederhana inti, agar mudah instruksi dispatch dan keterlibatan beberapa unit fungsional (seperti ALUs) pada satu CPU dalam rancangan peraturan yang terpaksa waktu. Ini adalah alasan yang RISC desain yang lebih cepat dari CISC desain melalui ke dalam tahun 1980-an dan 1990-an. Kecuali untuk digunakan dalam beberapa CPU-daya baterai perangkat, pada dasarnya semua tujuan-CPU umum dikembangkan sejak 1998 adalah superscalar. Diawali dengan "P6" (Pentium Pro dan Pentium II) pelaksanaan, Intel x86 arsitektur mikro yang telah menerapkan CISC pada set instruksi RISC superscalar mikro. Kompleks petunjuk yang diterjemahkan secara internal ke-RISC seperti "micro-ops" set instruksi RISC, prosesor yang memungkinkan untuk mengambil keuntungan dari performa yang lebih tinggi-prosesor yang melandasi tetap kompatibel dengan prosesor Intel sebelumnya.

b. Dari skalar untuk superscalar

Prosesor yang paling sederhana adalah skalar prosesor. Setiap instruksi dijalankan oleh prosesor skalar manipulates biasanya satu atau dua item data sekaligus. Sebaliknya, setiap instruksi yang dijalankan oleh prosesor vector beroperasi secara simultan pada banyak data item. Sebuah analogi adalah perbedaan antara skalar dan vector aritmatika. Sebuah prosesor superscalar adalah jenis campuran ke dua. Setiap instruksi proses data satu item, namun ada beberapa fungsional berlebihan dalam setiap unit CPU sehingga beberapa petunjuk dapat memproses data terpisah item serentak. Superscalar desain CPU menekankan peningkatan instruksi memberangkatkan akurasi, dan mengoperasikannya menyimpan beberapa unit fungsional digunakan setiap waktu. Hal ini menjadi semakin penting ketika jumlah unit meningkat. Sementara awal superscalar CPU akan memiliki dua ALUs dan satu fpu, desain yang modern seperti PowerPC 970 mencakup empat ALUs, dua FPUs, dan dua unit SIMD. Jika memberangkatkan adalah menjaga tidak efektif di semua unit bosan dengan petunjuk, kinerja sistem akan menderita.

Superscalar prosesor biasanya sustains yang menilai pelaksanaan melebihi satu instruksi per siklus mesin. Tetapi hanya memproses beberapa instruksi serentak tidak membuat sebuah arsitektur superscalar, sejak pipelined, multiprocessor atau multi-inti yang mencapai arsitektur juga, tetapi dengan metode yang berbeda. Dalam superscalar CPU yang memberangkatkan bacaan instruksi dari memori dan memutuskan mana yang dapat dijalankan secara paralel, dispatching mereka ke membazir unit fungsional yang terdapat di dalam satu CPU. Oleh karena itu prosesor superscalar dapat envisioned memiliki beberapa pipa paralel, yang masing-masing adalah instruksi pemrosesan secara simultan dari sebuah instruksi benang.

Keterbatasan

Tersedia dari peningkatan kinerja superscalar teknik dibatasi oleh dua bidang utama:

• Tingkat dari hakiki paralel dalam instruksi streaming, yakni terbatasnya jumlah instruksi level parallelism, dan

• Kompleksitas waktu dan biaya yang terkait memberangkatkan dan ketergantungan memeriksa logika.

Binari yang ada telah dijalankan program tahap hakiki paralel. Dalam beberapa kasus petunjuk tidak tergantung pada satu sama lain dan dapat dijalankan secara bersamaan. Dalam kasus lain mereka yang antar-tergantung: satu instruksi dampak baik sumber daya atau hasil lainnya. Petunjuk yang = b + c; d = e + f dapat berjalan secara bersamaan karena tidak ada yang bergantung pada hasil perhitungan lain. Namun, petunjuk yang = b + c; d = a + f mungkin tidak akan runnable secara paralel, tergantung pada urutan petunjuk yang lengkap saat mereka bergerak melalui unit. Bila jumlah yang dikeluarkan secara simultan petunjuk meningkat, biaya memeriksa dependensi meningkat sangat pesat. Hal ini diperparah oleh kebutuhan untuk memeriksa dependensi di waktu dan menjalankan di CPU jam menilai. Ini termasuk biaya tambahan gerbang logika diperlukan untuk melaksanakan pemeriksaan, dan waktu tunda yang melalui pintu. Penelitian menunjukkan pintu gerbang biaya dalam beberapa kasus dapat NK pintu, dan biaya keterlambatan k2logn, dimana n adalah jumlah instruksi pada prosesor's set instruksi, dan k adalah jumlah bersamaan menurunkan petunjuk. Dalam matematika, ini disebut sebagai combinatoric masalah melibatkan permutations.

Meski mungkin berisi instruksi streaming tidak antar-instruksi dependensi, superscalar CPU yang sebenarnya harus memeriksa bahwa kemungkinan, karena tidak ada jaminan lain dan kegagalan untuk mendeteksi suatu dependensi akan menghasilkan hasil yang salah. Tidak peduli bagaimana lanjutan proses yang semikonduktor atau cara cepat kecepatan yang berpindah, ini tempat yang praktis membatasi berapa petunjuk dapat menurunkan secara bersamaan. Meskipun proses kemajuan akan mengijinkan pernah lebih besar jumlah unit fungsional (misalnya, ALUs), beban instruksi memeriksa dependensi sehingga tumbuh pesat yang dicapai superscalar dispatch batas relatif kecil. - Kemungkinan pada urutan lima hingga enam secara bersamaan menurunkan petunjuk. Namun akhirnya tak terhingga cepat memeriksa ketergantungan pada logika konvensional yang lain superscalar CPU, jika instruksi streaming itu sendiri memiliki banyak dependensi, ini juga akan membatasi speedup mungkin. Dengan demikian tingkat hakiki paralel dalam kode streaming bentuk kedua keterbatasan.

c. Alternatif

Secara kolektif, kedua batas berkendara investigasi ke alternatif arsitektur meningkatkan kinerja seperti Long Sangat Instruksi Word (VLIW), secara paralel Instruksi Computing (EPIC), serentak multithreading (SMT), dan multi-core. Dengan VLIW, tugas yang memberatkan ketergantungan memeriksa hardware dengan logika berjalan di waktu akan dihapus dan didelegasikan kepada compiler. Instruksi secara paralel Computing (EPIC) adalah seperti VLIW, dengan tambahan cache prefetching petunjuk.

Serentak multithreading, sering disingkat sebagai SMT, adalah teknik untuk meningkatkan efisiensi superscalar CPU. SMT izin dari beberapa rangkaian independen untuk pelaksanaan lebih baik memanfaatkan sumber daya yang disediakan oleh prosesor arsitektur modern.

Superscalar berbeda dari prosesor multi-core yang berlebihan di unit fungsional tidak seluruh prosesor. Satu prosesor terdiri dari halus-halus unit fungsional seperti ALU, kelipatan bulat, bulat Shifter, floating point unit, dll Mungkin ada beberapa versi dari masing-masing unit fungsional untuk memungkinkan pelaksanaan banyak instruksi secara paralel. Ini berbeda dari multicore CPU yang serentak proses instruksi dari beberapa rangkaian, satu per benang inti. Ia juga berbeda dari pipelined CPU, dimana beberapa instruksi dapat dilakukan serentak di berbagai tahapan pelaksanaan, assembly-line mode. Berbagai alternatif teknik tidak saling eksklusif-mereka dapat (dan sering adalah) digabungkan dalam satu prosesor. Dengan demikian yang multicore CPU dapat di mana masing-masing inti adalah independen prosesor berisi beberapa pipa paralel, masing-masing pipa yang superscalar. Beberapa prosesor juga termasuk vector kemampuan.

Daftar Pustaka :

http://www.geocities.com/maskardun/CISC_RISC.htm

http://margono.staff.uns.ac.id/2008/10/31/complex-instruction-set-computing-cisc/

http://artikel.total.or.id/search.php?kk=Superscalar

http://fqorib160.blogspot.com/2009/06/superscalar-processor.html