Arsitektur CPU

Gambar 4. Arsitektur CPU Internal (dari mikroprosesor 8 bit disederhanakan)

Hubungan ke chip lain dalam sistem dilakukan lewat data bus, address bus & control bus. Mikroprosesor merupakan inti dari sistem, bekerja menurut daur umpan dan eksekusi (Fetch and Execute).

Selama fase umpan CPU menerima instruksi dari lokasi memori (tempat program disimpan). Umpan diterima mikroprosesor yang akan menempatkan alamat dari lokasi memori pada address bus, sehingga akan mengaktifkan jalur kontrol baca bekerja. Address decoder chip akan memilih memory chip yang sesuai untuk meletakkan isi alamat (yaitu instruksi dalam bentuk kata 8 bit tersandi) yang disebut Op-Code pada data bus. CPU menerima instruksi & menyimpannya  ke dalam  register internal yang disebut instruction register (IR).

Selama fase eksekusi, instruksi yang diterima CPU akan disandikan dan dieksekusi. Yang dilakukan dengan cara CPU membangkitkan isyarat pewaktuan & kontrol yang diperlukan untuk melaksanakan instruksi tersebut. Dalam fase eksekusi tersebut terdapat operasi aritmatika sederhana (seperti penjumlahan / pengurangan atau transfer data yang lebih rumit dari dan ke piranti pheriperal / memory).

Kedua fase fetch and execute, memerlukan waktu  >1 pulsa detak (lebih dari satu pulsa detak). Saat suatu instruksi selesai dilaksanakan alamat bus yang memulai kembali daur-umpan dan eksekusi (fetch and execute).

1)     Penyangga bus

Dalam sistem, bus berfungsi menghubungkan mikroprosesor ke semua piranti memori dan interface, tapi mikroprosesor dari MOS sering tidak memadai untuk sistem yang besar, sehingga digunakan penyangga bus, untuk mempertinggi kemampuan dari penyangga bus. Ada dua jenis penyangga / penggerak bus, yaitu pengirim (transmitter) untuk menggerakkan bus & penerima (receiver) untuk mendengarkan bus. Pada bus dua arah (seperti data bus, pengirim/penerima disebut penyangga dua arah/transreceiver) sering di gunakan juga.

Penyannga tiga kondisi juga sering dipakai untuk memutuskan bus dari mikroprosesor. Cara ini dipakai jika piranti eksternal digunakan untuk mengendalikan sistem dari CPU on-board. Di dalam CPU hubungan antara elemen-elemen yang ada dilakukan melalui data bus internal 8 bit & jalur kontrol dari blok pewaktuan & logika kontrol. Data bus internal dihubungkan dengan data bus sistem, lewat penyangga dua arah (transreceiver) logika kontrol dan pewaktuan dilakukan oleh isyarat kontrol untuk keseluruhan sistem. Satu-satunya isyarat kontrol diumpankan ke CPU adalah interupsi yang masuk ke dalam instruction decoder (ID) untuk menghentikan operasi mikroprosesor.

                    Gambar 5. Penyangga data dan alamat

2)     Unit Aritmatika dan Logika

Berfungsi melakukan fungsi aritmatika dan fungsi logika (seperti operasi NAND atau OR) pada 2 bilangan, sehingga ALU harus memiliki dua input yaitu : Input A untuk bilangan 1, & Input B untuk bilangan 2. Kedua bilangan tersebut pertama kali disimpan dalam 2 register 8 bit, accumulator (ACC) untuk input A dan sebuah register sementara (Temp) untuk input B setelah operasi ALU selesai, hasilnya akan disimpan dalam ACC menggantikan isi yang lama.

3)     Instruction Register (IR)

IR merupakan register 8 bit yang digunakan untuk menyimpan instruksi tersandi, yaitu saat instruksi tersebut digunakan atau sampai instruksi berikutnya diumpankan dan disimpan, begitu seterusnya.

4)    Instruction Decoder (ID)

ID yaitu berupa instruksi tersandi adalah kata 8 bit yang dinamakan Operational Code (Op-Code). Setiap instruksi (seperti tambah atau simpan) memiliki sandi atau kode yang berbeda atau dengan kata lain setiap mikroprosesor memilki Op-Code yang berbeda yang disajikan dalam bentuk instruction set. Op-Code yang tersimpan akan diumpankan ke ID dari IR. Decoder akan merinci sandi / kode tersebut dan menginstruksikan “ TIMING AND CONTROL LOGIC” Untuk membangkitkan isyarat pewaktuan dan kontrol yang diperlukan untuk melaksanakan instruksi tersebut.

5)    Program Counter (PC)

PC atau pencacah program digunakan untuk melacak program dan meyakinkan bahwa CPU menerima instruksi yang sesuai dengan urutan yang ditentukan oleh program.

Telah diketahui bahwa mikroprosesor akan melaksanakan tugas menurut urutan tertentu yang disebut program. Program adalah berisi sejumlah instruksi, dan setiap instruksi berisi Op-Code, sedang data yang akan diproses disebut Operand. Instruksi-instruksi disusun dalam urutan logika tertentu dan disimpan secara berurutan pada lokasi memori, yang disebut alamat program. Tabel bawah ini menggambarkan konstruksi dari program :

 

PC berupa register 16 bit yang berisi alamat lokasi program, berikut ini merupakan penjelasan dari tabel di atas :

Ø   Untuk memulai program, CPU menempatkan alamat awal (Starting Address) 0A20 (tempat operator 1 disimpan) dalam program, yang selanjutnya akan ditempatkan pada address bus untuk mengumpan instruksi pertama. Instruksi 1 akan diumpankan ke CPU lewat data bus & disimpan dalam IR. Pada kondisi ini pencacah program akan bertambah menjadi 0A20 + 1 = 0A21, operator 1 tidak memiliki data, sehingga segera dapat dilaksanakan. Setelah instruksi 1 selesai dilaksanakan maka CPU memberitahu pencacah program untuk mendapatkan isi (0A21) ke dalam bus alamat (address bus) untuk mengumpankan instruksi 2, dan menyimpannya dalam IR. Jika ini terjadi pencacah program akan bertambah menjadi 0A21 + 1 = 0A22, yang berisi data (operand 2). Operator 2 akan disampaikan, tapi tidak bisa diselesaikan  tanpa data yang sesuai yaitu berupa bilangan yang tersimpan dalam suatu lokasi atau ditambahkan ke bilangan lain yang sudah ada dalam ACC lalu operand 2 akan diumpankan dengan menempatkan isi pencacah program, 0A22 pada address bus. Operand 2 muncul pada data bus, saat pencacah program bertambah menjadi 0A23 (0A22 + 1). Saat instruksi 2 selesai dilaksanakan, pencacah program akan meletakkan isinya yang baru, 0A23 ke address bus untuk mengumpan instruksi 3, dan seterusnya.

Ø   Sebuah instruksi dapat berisi lebih dari 1 operand 8 bit sebagai contoh dua operand 8 bit diperlukan untuk mengakomodasi alamat 16 bit.