Makalah Organisasi dan Arsitektur Komputer Pipeline

PIPELINE

ARSITEKTUR DAN ORGANISASI KOMPUTER

Dosen : Ardy Mulya Iswardany S.Kom

OLEH :

DWIYANTO BASKORO

120101073

SIA3

SEKOLAH TINGGI MANAJEMEN DAN KOMPUTER

STMIK DUTA BANGSA SURAKARTA

2014

A.    Pengertian Pipeline

Pipeline adalah suatu cara yang digunakan untuk melakukan sejumlah kerja secara bersama tetapi dalam tahap yang berbeda yang dialirkan secara kontinu pada unit pemrosesan.

Dengan cara ini, maka unit pemrosesan selalu bekerja. Pada microprocessor yang tidak menggunakan pipeline, satu instruksi dilakukan sampai selesai, baru instruksi berikutnya dapat dilaksanakan. Sedangkan dalam microprocessor yang menggunakan teknik pipeline, ketika satu instruksi sedangkan diproses, maka instruksi yang berikutnya juga dapat diproses dalam waktu yang bersamaan. Tetapi, instruksi yang diproses secara bersamaan ini, ada dalam tahap proses yang berbeda. Jadi, ada sejumlah tahapan yang akan dilewati oleh sebuah instruksi.

Dengan penerapan pipeline ini pada microprocessor akan didapatkan peningkatan dalam unjuk kerja microprocessor. Hal ini terjadi karena beberapa instruksi dapat dilakukan secara parallel dalam waktu yang bersamaan. Secara kasarnya diharapkan akan didapatkan peningkatan sebesar X kali dibandingkan dengan microprocessor yang tidak menggunakan pipeline, apabila tahapan yang ada dalam satu kali pemrosesan instruksi adalah X tahap. Karena beberapa instruksi diproses secara bersamaan ada kemungkinan instruksi tersebut sama-sama memerlukan resource yang sama, sehingga diperlukan adanya pengaturan yang tepat agar proses tetap berjalan dengan benar. Sedangkan ketergantungan terhadap data, bisa muncul, misalnya instruksi yang berurutan memerlukan data dari instruksi yang sebelumnya. Kasus Jump, juga perlu perhatian, karena ketika sebuah instruksi meminta untuk melompat ke suatu lokasi memori tertentu, akan terjadi perubahan program counter, sedangkan instruksi yang sedang berada dalam salah satu tahap proses yang berikutnya mungkin tidak mengharapkan terjadinya perubahan program counter.

Teknik pipeline ini dapat diterapkan pada berbagai tingkatan dalam system komputer. Bisa pada level yang tinggi, misalnya program aplikasi, sampai pada tingkat yang rendah, seperti pada instruksi yang dijaankan oleh microprocessor. Teknik pipeline yang diterapkan pada microprocessor, dapat dikatakan sebuah arsitektur khusus. Ada perbedaan khusus antara model microprocessor yang tidak menggunakan arsitektur pipeline dengan microprocessor yang menerapkan teknik ini.

Pada microprocessor yang tidak menggunakan pipeline, satu instruksi dilakukan sampai selesai, baru instruksi berikutnya dapat dilaksanakan. Sedangkan dalam microprocessoryang menggunakan teknik pipeline, ketika satu instruksi sedangkan diproses, maka instruksi yang berikutnya juga dapat diproses dalam waktu yang bersamaan. Tetapi, instruksi yang diproses secara bersamaan ini, ada dalam tahap proses yang berbeda.

B.     Tahapan Instruksi Pipeline

Jadi, ada sejumlah tahapan yang akan dilewati oleh sebuah instruksi. Misalnya sebuah microprocessor menyelesaikan sebuah instruksi dalam 4 langkah. Ketika instruksi pertama masuk ke langkah 2, maka instruksi berikutnya diambil untuk diproses pada langkah 1 instruksi tersebut. Begitu seterusnya, ketika instruksi pertama masuk ke langkah 3, instruksi kedua masuk ke langkah 2 dan instruksi ketiga masuk ke langkah 1.

Tahapan Pipeline :

·         Mengambil instruksi dan membuffferkannya

·      Ketika tahapn kedua bebas tahapan pertama mengirimkan instruksi yang dibufferkan tersebut

·      Pada saat tahapan kedua sedang mengeksekusi instruksi, tahapan pertama memanfaatkan siklus memori yang tidak dipakai untuk mengambil dan membuffferkan instruksi berikutnya .

Instuksi Pipeline:

Karena untuk setiap tahap pengerjaan instruksi, komponen yang bekerja berbeda, maka dimungkinkan untuk mengisi kekosongan kerja di komponen tersebut.

 Sebagai contoh :

Instruksi 1: ADD  AX, AX

Instruksi 2: ADD EX, CX

Setelah CU menjemput instruksi 1 dari memori (IF), CU akan menerjemahkan instruksi tersebut(ID). Pada menerjemahkan instruksi  1 tersebut, komponen IF tidak bekerja. Dengan adanya teknologi pipeline menyebabkan IF akan menjemput instruksi 2 pada saat ID menerjemahkan instruksi 1.

Demikian seterusnya pada saat CU menjalankan instruksi 1 (EX), instruksi 2 diterjemahkan (ID).

Contoh pengerjaan instruksi tanpa pipeline

t =	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
ADD AX,AX	IF	DE	IF	DE	EX
ADD BX,CX						IF	DE	IF	DE	EX

Disini instruksi baru akan dijemput jika instruksi sebelumnya telah selesai dilaksanakan.

Contoh pengerjaan instruksi dengan pipeline

t =	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
ADD AX,AX	IF	DE	IF	DE	EX
ADD BX,CX		IF	DE	IF	DE	EX
ADD DX,DX			IF	DE	IF	DE	EX

Disini instruksi baru akan dipanggil setelah tahap IF menganggur (t2).

Dengan adanya pipeline dua instruksi selesai dilaksanakan pada detik keenam (sedangkan pada kasus tanpa pipeline baru selesai pada detik kesepuluh). Dengan demikian telah terjadi percepatan sebanyak 1,67x dari 10T menjadi hanya 6T. Sedangkan untuk pengerjaan 3 buah instruksi terjadi percepatan sebanyak 2, 14 dari 15T menjadi hanya 7T.

Untuk kasus pipeline sendiri, 2 instruksi dapat dikerjakan dalam 6T(CPI = 3) dan instruksi dapat dikerjakan dalam 7T (CPT = 2,3) dan untuk 4 instruksi dapat dikerjakan dalam  8T (CPI =2). Ini berarti untuk 100 instruksi akan dapat dikerjakan dalam 104T (CPI = 1,04). Pada kondisi ideal CPI akan bernilai 1.

Teknik perancangan pipeline mendekomposisikan sebarisan proses ke dalam sub-sub proses atau segmen. Setiap stadium melakukan fungsi khusus dan menghasilkan suatu output yang dikehendaki dengan segera.

Setiap stadium akan memuat suatu input latch, atau disebut juga register atau buffer, yang diikuti oleh satu sirkuit pemrosesan. Sinyal clock dikoneksikan ke masing-masing input latch.

Teknik perancangan pipeline mendekomposisikan sebarisan proses ke dalam sub-subproses atau segmen. Setiap stadium melakukan fungsi khusus dan menghasilkan suatuoutput yang dikehendaki dengan segera.

Setiap stadium akan memuat suatu input latch, atau disebut juga register atau buffer, yang diikuti oleh satu sirkuit pemrosesan. Sinyal clock dikoneksikan ke masing-masing input latch.

C.    Klasifikasi Pipeline

Pipeline dapat kita klasifikasikan menurut fungsi dan konfigurasinya. Secarafungsional, pipeline dapat diklasifikasikan menjadi tiga kelompok pokok : pipeliningaritmatika, instruksi, dan prosesor. Ramamoorthy dan Li (1977) mengajukan tiga skemauntuk mengklasifikasikan pipeline menurut konfigurasi dan strategi kendalinya : unifungsiatau multifungsi ; dan skalar atau vector.

Klasifikasi Berdasarkan Fungsi

·         Pipelining Aritmatika

Proses segmentasi fungsi dari ALU dari sistem yang muncul dalam kategori ini.

• Pipelining Instruksi

Dalam suatu komputer non-pipeline, CPU bekerja melalui suatu siklus      yang berkesinambungan dari fetch-decode-eksekusi untuk semua instruksinya. Proses fetchsuatu instruksi tidak akan dimulai sampai eksekusi instruksi sebelumnya selesai.Untuk mem-pipeline fungsi ini, instruksi-instruksi yang berdampingan di-fetch darimemori ketika instruksi yang sebelumnya di-decode dan dijalankan. Proses pipelininginstruksi instruction look ahead, mem-fetch instruksi secara berurutan. Dengandemikian, jika suatu instruksi menyebabkan percabangan keluar dari urutan itu maka pipe akan dikosongkan dari seluruh instruksi yang telah di-fetch sebelumnya daninstruksi percabangan tersebut di-fetch. Proses pipelining instruksi dikerjakan pada hampir semua komputer berkemampuan tinggi.

·         Pipelining Prosesor

Sewaktu stage dari suatu pipeline, prosesor aktual dan latch-latch saling berbagi memori di  antara prosesor-prosesor tersebut, sehingga pipeline tersebut disebut sebagai pipeline prosesor. Dalam pipeline ini, setiap prosesor mempunyaisuatu tugas tertentu yang akan dijalankan pada aliran data. Pipelining banyak prosesor(multiple prosesor) merupakan konsep yang relatif baru dan belum umum.

Klasifikasi Berdasarkan Konfigurasi

• Unifungsi atau multifungsi

Kemampuan suatu pipeline menjalankan hanya satu jenis pokok operasi disebut sebagai pipeline unifungsi.

Misalnya, perkalian floating-point mensyaratkan pipeline agar juga menjalankan operasi yang sama pada setiap kelompok input. Jika pipeline dapat menjalankan fungsi-fungsi yang berbeda maka disebut sebagai pipeline multifungsi. Fungsi-fungsi yang berbeda itu bisa dijalankan baik pada waktu yang bersamaan ataupun berbeda, dengan menghubungkan subkelompok-subkelompok stage yang berbeda dalam pipeline. Pipeline disusun seperlunya sesuai dengan nilai input kendali tambahan.

·         Statis atau dinamis 

Ketika instruksi-instruksi yang berjenis sama akan dijalankan secara bersamaan waktunya, maka digunakan pipeline statis. Pipeline ini dapat berupa pipeline fungsional maupun multifungsional tetapi mungkin mengasumsikan hanya satu konfigurasi fungsional pada suatu waktu. Suatu pipeline multifungsi statis dapat bekerja paling baik jika fungsi yang akan dijalankan tidak sering berubah. Antara perubahan, pipeline terlihat sebagai pipeline unifungsi dan mengulangi operasi yang sama berulang-ulang. Sebelum mengganti fungsi tersebut, kelompok input terakhir dari fungsi sebelumnya harus benar-benar telah melewati pipeline. Kemudian pipeline dikonfigurasikan untuk fungsi yang baru dan input yang baru boleh masuk ke dalampipe. Dengan pipeline dinamis, beberapa konfigurasi fungsional dapat muncul sekaligus. Hal ini berarti harus digunakan sebuah pipeline multifungsional. Dalam kasus ini, konfigurasi pipe berubah-ubah secara konstan, tergantung pada data manauntuk fungsi yang mana pada stage yang mana untuk setiap penangguhan clock. Pipeline dinamis memerlukan kendali yang sangat kompleks dan mekanisme perangkat untuk mengkonfigurasikan pipe bagi input-input tertentu. Untuk alasan ini, pipelining aktual tidak berada di bawah kendali programmer melainkan dibangun kedalam arsitektur mesin tersebut.

·         Skalar atau vektor

Suatu pipeline skalar memproses serangkaian operasi skalar pada operand skalar. Salah satu  contoh berupa operasi ADD dalam loop FOR. Pipeline vector dirancang untuk memproses instruksi vektor dengan menggunakan operand vektor.Komputer yang mempunyai instruksi-instruksi vektor disebut sebagai prosesor vektor

D.    Permasalahan Di Dalam Instruksi Pipeline

1.      Variasi waktu

Tidak semua tahapan memakan waktu yang sama. Artinya, kecepatan instruksi pipelining ditentukan oleh tahap yang paling lambat.

2.      Data Berbahaya ( Data Hazards)

Ketika beberapa instruksi dieksekusi secara parsial, masalah akan timbul jika instruksi tersebut memiliki referensi data yang sama. Kita harus memastikan bahwa instruksi selanjutnya tidak berusaha mengakses data lebih cepat dari seharusnya.

3.      Percabangan (Branch)

Masalah dalam percabangan adalah pipelining diperlambat oleh instruksi karena kita tidak tahu cabang mana yang harus kita ikuti.

4.      Jeda (Interupsi)

Interupsi harus berperan antar instruksi. Yaitu, ketika satu instruksi telah selesai daninstruksi berikutnya belum dimulai. Dengan pipelining, instruksi berikutnya biasanya dimulai sebelum instruksi yang sekarang telah selesai

E.     Solusi Permasalahan Pipeline

           1.       Variasi Pemilihan Waktu (Timing Variations)

Metode sinkron = jika tahapan telah dianggap lengkap dari sejumlah siklus waktu tertentu.Metode asinkron = lebih efisien, karena bit atau garis sinyal harus dilewatkan maju ketahap berikutnya yang artinya data sudah valid. Ketika data telah diterima, sinyal jugaharus melewati tahapan berikunya.

           2.       Data Berbahaya (Data Hazards)

Pipeline biasanya dilengkapi dengan small associative check memory yang dapat menyimpan alamat dan jenis operasi. Ketika ada konflik, instruksi memasuki pipa dan alamat operand disimpan dalam memory check. Ketika selesai, alamat ini akan dihapus.

           3.       Percabangan (Branching)

ü  Menunda Percabangan

ü  Menyusun kembali program sehingga percabangan menjadi lebih sedikit.

ü  Memprediksi jenis cabang.

F.     Keuntungan dan Kerugian

Pipelining tidak membantu dalam semua kasus. Ada beberapa kemungkinan kerugian. Pipa instruksi dikatakan sepenuhnya pipelined jika dapat menerima instruksi baru setiap clock cycle. Sebuah pipa yang tidak sepenuhnya pipelined telah menunggu siklus yang menunda kemajuan pipa.

1. Keuntungan dari Pipelining yaitu :

·           Waktu siklus prosesor berkurang, sehingga meningkatkan tingkat instruksi dalam kebanyakan kasus ( lebih cepat selesai).

·           Beberapa combinational sirkuit seperti penambah atau pengganda dapat dibuat lebih cepat dengan menambahkan lebih banyak sirkuit. Jika pipelining digunakan sebagai pengganti, hal itu dapat menghemat sirkuit & combinational yang lebih kompleks.

·           Pemrosesan dapat dilakukan lebih cepat, dikarenakan beberapa proses dilakukan secara bersamaan dalam satu waktu.

2. Kekurangan Pipelining yaitu :

·         Pipelined prosesor menjalankan beberapa instruksi pada satu waktu. Jika ada beberapa cabang yang mengalami penundaan cabang (penundaan memproses data) dan akibatnya proses yang dilakukan cenderung lebih lama.

·         Instruksi latency di non-pipelined prosesor sedikit lebih rendah daripada dalam pipelined setara. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa intruksi ekstra harus ditambahkan ke jalur data dari prosesor pipeline.

·         Kinerja prosesor di pipeline jauh lebih sulit untuk meramalkan dan dapat bervariasi lebih luas di antara program yang berbeda.

·         Karena beberapa instruksi diproses secara bersamaan ada kemungkinan instruksi tersebut sama-sama memerlukan resource yang sama, sehingga diperlukan adanya pengaturan yang tepat agar proses tetap berjalan dengan benar.

·         Sedangkan ketergantungan terhadap data, bisa muncul, misalnya instruksi yang berurutan memerlukan data dari instruksi yang sebelumnya.

·         Kasus Jump, juga perlu perhatian, karena ketika sebuah instruksi meminta untuk melompat ke suatu lokasi memori tertentu, akan terjadi perubahan program counter, sedangkan instruksi yang sedang berada dalam salah satu tahap proses yang berikutnya mungkin tidak mengharapkan terjadinya perubahan program counter.

G.    Kesulitan dalam Pipeline

Untuk menerapkan prinsip multi-stage atau mulai saat ini kita namakan pipelining di prosesor, diperlukan organisasi prosesor khusus. Pada dasarnya, prosesor dipartisi menjadi sejumlah unit-unit kecil dengan fungsi spesifik. Setiap unit berperan untuk  menyelesaikan sebagian dari  instruksi-intruksi berikut :

Instruction fetch, decode, operand address calculation, operand fetch, execute dan store result.

Dalam proses di atas terkadang sering terjadi kendala/conflict seperti:

·         Terjadinya pause (Pi), karena adanya data conflict dalam program tersebut

·         Terjadinya data error dikarenakan banyaknya proses yang dilakukan bersamaan

·         Terjadinya pengambilan data secara bersamaan, sehingga salah satu proses tertunda

·         Terjadinya penumpukan data di salah satu intruksi sehingga ada beberapa proses yg di tunda

·         Dengan terjadinya conflict tadi, speed-up yang diperoleh menjadi lebih kecil (lambat) dibandingkan dengan tanpa conclict.

H.      Kesimpulan :

Pipeline adalah satu set dari elemen pemrosesan data dihubungkan secara seri, sehingga hasil keluaran dari satu elemen adalah masukkan bagi elemen berikutnya. Elemen - elemen dari sebuah pipeline sering dijalankan secara paralel.

Contoh pipeline dalam komputer adalah :

1.           Pipeline instruksi.

Biasanya digunakan di unit pemroses sentral agar istruksi - instruksi dapat dijalankan dalam satu waktu dalam satu sirkuit digital. Biasanya sirkuitnya dibagi dalam beberapa tahap, termasuk decode instruksi, aritmatika dan tahap - tahap penjemputan data dari register, dimana setiap tahap melakukan satu instruksi dalam satu waktu.

2.           Pipeline grafis

Sering ditemukan dalam sebagian besar unit pemrosesan grafis, yang terdiri dari berbagai unit aritmatik atau unit pemroses sentral lengkap, yang menerapkan berbagai macam tahap dari operasi render yang umum (seperti proyeksi perspektif, kalkulasi warna dan pencahayaan, primitif gambar, dan sebagainya).

3.           Pipeline perangkat lunak.

Dimana keluaran dari suatu program langsung dipakai oleh program lain sebagai masukkan sehingga dapat langsung diproses.

Pipeline adalah konsep alami di kehidupan sehari-hari. Umpamakan sebuah perakitan mobil, asumsikan beberapa langkah di jalur perakitan adalah untuk memasang mesin, memasang kap, dan memasang roda (dalam urutan tersebut, dengan berbagai macam kemungkinan langkah - langkah lain diantara :

Sebuah mobil di jalur perakitan hanya satu dari tiga langkah diatas dapat selesai dalam suatu waktu. Setelah sebuah mobil telah terpasang mesinnya, mobil tersebut pindah ke pemasangan kap, dan mobil kedua sedang dalam tahap pemasangan mesin. Setelah mobil pertama selesai memasang kap, mobil kedua dalam tahap pemasangan kap, mobil pertama dalam tahap pemasangan roda, dan mobil ketiga yang baru masuk dalam tahap pemasangan mesin. Dan begitu seterusnya.

Jika pemasangan mesin butuh 20 menit, pemasangan kap butuh 5 menit dan pemasangan roda butuh 10 menit, maka menyelesaikan ketiga mobil tersebut jika satu mobil dirakit dalam satu waktu akan membutuhkan waktu 105 menit. Sedangkan jika menggunakan jalur perakitan seperti yang disebutkan diatas, waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan ketiganya hanya 75 menit.

Daftar Pustaka

1.     Stalling, Williams. 1998. Organisasi Dan Arsitektur

2.     Akbar Muhammad. 2012.  Pipeline Instruksi, Jurusan Magister Ilmu Komputer, Universitas Budi Luhur, Jakarta.

2.