PENDAHULUAN
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 (reduced) 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.
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.
KARAKTERISTIK
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).
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.
Ciri-ciri Prosesor RISC
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 bukan RISC.
Pertama, prosesor RISC mengeksekusi instruksi pada setiap satu siklus detak (Robinson, 1987 : 144; Johnson, 1987 : 153). Hasil penelitihan IBM (International Business Machine) menunjukkan bahwa frekuensi penggunaan instruksi-instruksi kompleks hasil kompilasi 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; Jonhson, 1987: 153). Dengan ini pula perancang lebih menitikberatkan implementasi lebih banyak register dalam cip 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 RISC. 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.
Contoh – Contoh Prosesor
Istilah RISC dan CISC saat ini kurang dikenal, setelah melihat perkembangan lebih lanjut dari desain dan implementasi baik RISC 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.
Contoh-contoh prosesor CISC adalah System/370, VAX, PDP-11, varian Motorola 68000, dan CPU AMD dan Intel x86.
CISC
IBM 370/168
VAX 11/780
INTEL 40486
RISC
Motorolla 88000
MIPS R4000
Spesifikasi dari beberapa Gambar Prosesor CISC, RISC di atas adalah:
Prosesor RISC Berkeley
Kelompok David Patterson dari Universitas California memulai proyek RISC pada tahun 1980 dengan tujuan menghindari kecenderungan perancangan prosesor yang perangkat instruksinya semakin kompleks sehingga memerlukan perancangan rangkaian kontrol yang semakin rumit dari waktu ke waktu. Hipotesis yang diajukan adalah bahwa implementasi instruksi yang kompleks ke dalam perangkat instruksi prosesor justru berdampak negatif pemakaian instruksi tersebut dalam kebanyakan program hasil komplikasi (Heudin, 1992 : 22). Apalagi, instruksi kompleks itu pada dasarnya dapat disusun dari instruksi-instruksi sederhana yang telah dimiliki.
Rancangan prosesor RISC-1 ditujukan untuk mendukung bahasa C, yang dipilih karena popularitasnya dan banyaknya pengguna. Realisasi rancangan diselesaikan oleh kelompok Patterson dalam waktu 6 bulan. Fabrikasi dilakukan oleh MOVIS dan XEROX dengan menggunakan teknologi silikon NMOS (N-channel Metal-oxide Semiconductor) 2 mikron. Hasilnya adalah sebuah cip rangkaian terpadu dengan 44.500 buah transistor (Heudin, 1992 : 230). Cip RISC-1 selesai dibuat pada musim panas dengan kecepatan eksekusi 2 mikrosekon per instruksi (pada frekuensi detak 1,5 MHz), 4 kali lebih lambat dari kecepatan yang ditargetkan. Tidak tercapainya target itu disebabkan terjadinya sedikit kesalahan perancangan, meskipun kemudian dapat diatasi dengan memodifikasi rancangan assemblernya.
Berdasarkan hasil evaluasi, meskipun hanya bekerja pada frekuensi detak 1,5 MHz dan mengandung kesalahan perancangan, RISC-1 terbukti mampu mengeksekusi program bahasa C lebih cepat dari beberapa prosesor CISC, yakni MC68000, Z8002, VAX-11/780, dan PDP-11/70.
Hampir bersamaan dengan proses fabrikasi RISC-1, tim Berkeley lain mulai bekerja untuk merancang RISC-2. Cip yang dihasilkan tidak lagi mengandung kesalahan sehingga mencapai kecepatan operasi yang ditargetkan, 330 nanosekon tiap instruksi (Heudin, 1992 : 27-28).
RISC-2 hanya memerlukan luas cip 25% dari yang dibutuhkan RISC-1 dengan 75% lebih banyak register. Meskipun perangkat instruksi yang ditanamkan sama dengan perangkat instruksi yang dimiliki RISC-1, tetapi di antara keduanya terdapat perbedaan mikroarsitektur perangkat kerasnya. RISC-2 memiliki 138 buah register yang disusun sebagai 8 jendela register, dibandingkan dengan 78 buah register yang disusun sebagai 6 jendela register. Selain itu, juga terdapat perbedaan dalam hal organisasi alur-pipa (pipeline) . RISC-1 memiliki alur-pipa dua tingkat sederhana dengan penjeputan (fetch) dan eksekusi instruksi yang dibuat tumpang-tindih, sedangkan RISC-2 memiliki 3 buah alur-pipa yang masing-masing untuk penjemputan instruksi, pembacaan operan dan eksekusinya, dan penulisan kembali hasilnya ke dalam register.
Sukses kedua proyek memacu tim Berkeley untuk mengerjakan proyek SOAR (Smalltalk on RISC) yang dimulai pada tahun 1983. Tujuan proyek ini adalah untuk menjawab pertanyaan apakah arsitektur RISC bekerja baik dengan bahasa pemrograman Smalltalk? Jadi proyek SOAR ini merupakan upaya pertama menggunakan pendekatan RISC untuk pemrosesan simbolik.
Versi pertama mikroprosesor SOAR diimplementasikan dengan menggunakan teknologi NMOS 4 mikron. Cip yang dihasilkan memiliki 35.700 buah transistor dan bekerja dengan kecepatan 300 nanosekon tiap instruksi. Versi kedua yang dirancang pada 1984-1985 menggunakan teknologi CMOS (Complementary Metal-oxide Semiconductor). Beberapa prosesor berarsitektur RISC banyak yang dipengaruhi oleh rancangan mikroprosesor SOAR, misalnya mikroprosesor SPARC (dari Sun Microsystems Inc.) dan KIM20 yang dirancang Departemen Pertahanan Perancis.
Mengikuti proyek SOAR, kelompok Berkeley kemudian mengerjakan proyek SPUR (Symbolic Processing Using RISC) yang dimulai tahun 1985. Proyek SPUR bertujuan untuk merancang stasiun-kerja (workstation) multiprosesor sebagai bagian dari riset tentang pemrosesan paralel (Robinson, 1987 : 145). Selain itu, proyek SPUR juga melakukan penelitian tentang rangkaian terpadu, arsitektur komputer, sistem operasi, dan bahasa pemrograman. Sistem prosesor SPUR dibangun dengan 6-12 prosesor berkinerja tinggi yang dihubungkan satu sama lain, serta dihubungkan dengan memori dan peranti masukan/keluaran melalui Nubus yang telah dimodifikasi. Unjuk kerja sistem diperbaiki dengan menambahkan chace sebesar 128 kilobyte pada tiap prosesor untuk mengurangi kepadatan lalu lintas data pada bus dan mengefektifkan pengaksesan memori (Heudin, 1992 : 31).
Prosesor RISC Stanford
Sementara proyek RISC-1 dan RISC-2 dilakukan kelompok Patterson di Universitas California, pada tahun 1981 itu juga John Hennessy dari Universitas Stanford mengerjakan proyek MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages) . Pengalaman riset tentang optimasi kompilator digabungkan dengan teknologi perangkat keras RISC merupakan kunci utama proyek MIPS ini. Tujuan utamanya adalah menghasilkan cip mikroprosesor serbaguna 32-bit yang dirancang untuk mengeksekusi secara efisien kode-kode hasil kompilasi (Heudin, 1992: 34).
Perangkat instruksi prosesor MIPS terdiri atas 31 buah instruksi yang dibagi menjadi 4 kelompok, yakni kelompok instruksi isi dan simpan, kelompok instruksi operasi aritmetika dan logika, kelompok instruksi pengontrol, dan kelompok instruksi lain-lain. MIPS menggunakan lima tingkat alur-pipa tanpa perangkat keras saling-kunci antar alur-pipa tersebut, sehingga kode yang dieksekusi harus benar-benar bebas dari konflik antar alur-pipa.
Direalisasi dengan teknologi NMOS 2 mikron, prosesor MIPS yang memiliki 24.000 transistor ini memiliki kemampuan mengeksekusi satu instruksi setiap 500 nanodetik. Karena menggunakan lima tingkat alur-pipa bagian kontrol prosesor MIPS ini menyita luas cip dua kali lipat dibanding dengan bagian kontrol pada prosesor RISC. MIPS memiliki 16 register dibandingkan dengan 138 buah register pada RISC-2. Hal ini bukan masalah penting karena MIPS memang dirancang untuk mebebankan kerumitan perangkat keras ke dalam perangkat lunak sehingga menghasilkan perangkat keras yang jauh lebih sederhana dan lebih efisien. Perangkat keras yang sederhana akan mempersingkat waktu perancangan, implementasi, dan perbaikan bila terjadi kesalahan.
Sukses perancangan MIPS dilanjutkan oleh tim Stanford dengan merancang mikroprosesor yang lebih canggih, yakni MIPS-X. Perancangan dilakukan oleh tim riset MIPS sebelumnya ditambah 6 orang mahasiswa, dan dimulai pada musim panas tahun 1984. Rancangan MIPS-X banyak diperbaruhi oleh MIPS dan RISC-2 dengan beberapa perbedaan utama :
Semua instruksi MIPS-X merupakan operasi tunggal dan dieksekusi dalam satu siklus detak
Semua instruksi MIPS-X memiliki format tetap dengan panjang instruksi 32-bit
MIPS-X dilengkapi pendukung koprosesor yang efisien dan sederhana
MIPS-X dilengkapi pendukung untuk digunakan sebagai prosesor dasar dalam sistem multiprosesor memori-bersama (shared memory)
MIPS-X dilengkapi chace instruksi dalam-cip yang cukup besar (2 kilobyte)
MIPS-X difabrikasi dengan teknologi CMOS 2 mikron.
Sama seperti MIPS, MIPS-X merupakan prosesor dengan alur-pipa tanpa saling-kunci (interlock) perangkat keras. Perangkat lunaknya dirancang untuk mengikuti pewaktuan instruksi agar tidak terjadi konflik antar alur-pipa (Heudin, 1992 : 36-37).
Cip pertama yang dihasilkan bekerja baik dengan detak 16 MHz, lebih rendah dari target yang dicanangkan setinggi 20 MHz, akibat tidak sempurnanya instruksi percabangan. Versi 25 MHz dibuat dengan menggunakan teknologi CMOS 1,6 mikron. Ditambah dengan chace yang diintregrasikan pada cip prosesor, MIPS-X berisi hampir 150.000 transistor di atas keping seluas 8 x 8,5 mm (Heudin, 1992 : 38).
Arah Perkembangan Prosesor RISC
Kebanyakan riset tentang prosesor RISC ditujukan untuk memperbaiki kinerja sistem komputer secara keseluruhan. Analisis yang mendalam menunjukkan bahwa ada dua arah perlembangan penting prosesor RISC yaitu upaya ke arah pemanfaatan teknologi proses yang mampu menghasilkan prosesor cepat, misalnya teknologi bipolar ECL (emitter-coupled logic) serta pemanfaatan bahan semikonduktor GaAs (galium arsenida). Arah lain adalah upaya untuk merancang arsitektur multiprosesor dan mengintegrasikan unit-unit fungsional pendukung pemrosesan paralel dalam satu cip.
Cip-cip RISC galium Arsenida
Galium Arsenida dapat digunakan untuk menggantikan silikon dalam beberapa rangkaian terpadu untuk pemakaian khusus. Keunggulan bahan GaAs dibandingkan silikon adalah ketahanannya terhadap radiasi, dan ketahanannya terhadap panas, serta kecepatan mobilitas elektronnya. Karena elektron dapat bergerak lebih cepat dalam bahan GaAs, maka cip yang dibuat dengan bahan ini berpotensi untuk bekerja lebih cepat (Jonhsen, 1984 : 46; Robinson, 1990 : 251-254). Salah satu kendala pengembangan cip berbahan GaAs adalah sulitnya penanganan bahan ini dibanding dengan bahan silikon karena perancang belum banyak pengalaman dengan bahan GaAs. Meskipun demikian, teknologi yang dikuasai saat ini telah memungkinkan untuk membuat rangkaian terintegrasi dengan tingkat kerapatan cukup tinggi untuk merancang prosesor RISC.
Didorong oleh kebutuhan untuk merancang prosesor berkecepatan tinggi dan tahan terhadap radiasi sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan Departemen Pertahanan Amerika Serikat, maka DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) memberikan dana kepada Texas Instruments (TI), RCA, dan McDonnell-Douglas, untuk mengembangkan dan merancang prosesor RISC dari bahan GaAs. Agar memiliki kinerja yang tinggi, DARPA menghendaki unit prosesor sentral (central processing unit, CPU) dirancang dalam cip tunggal, seperti prosesor MIPS yang pengembangannya juga dibiayai DARPA. Ditargetkan prosesor tersebut akan dapat dijalankan dengan detak berfrekuensi 200 MHz. Ini berarti target kecepatan kerjanya adalah 200 MIPS (million instructions per second, juta instruksi per detik), karena pada prosesor RISC satu instruksi dieksekusi dalam satu siklus detak.
Sistem yang dipilih terdiri dari seperangkat cip, yakni, CPU, FCOP (floating point coprocessor) , MMU (memory management unit) dan chace. Agar bisa merealisasi CPU dalam satu cip, TI berupaya mengurangi rangkaian pengontrol sebanyak mungkin untuk memberi lebih banyak tempat bagi register-register. Perangkat instruksi dikembangkan berdasarkan simulasi statistik dan evaluasi atas prosesor RISC Berkeley maupun MIPS Stanford. Seperti halnya MIPS, sekali program telah dikomplikasi ke dalam perangkat instruksi inti (yakni level tengah antara perangkat-intruksi bergantung perangkat-keras dengan bahasa pemrograman tingkat tinggi), suatu penerjemah bergantung perangkat-keras akan mengubah kode ke dalam perangkat instruksi bahasa mesin dan melakukan langkah-langkah optimasi. Perangkat instruksi yang dimiliki prosesor ini dibagi menjadi tiga bagian yakni 29 buah instruksi CPU, 31 buah instruksi FCOP, serta 6 buah instruksi MMU.
Prosesor yang dihasilkan memiliki unjuk kerja nominal 200 MIPS, tetapi angka faktualnya harus dikurangi dengan 32% akibat penyisipan instruksi NOP (no operation) dan dikurangi 32% lagi karena keterbatasan lebar ban memori. Angka faktual kinerja prosesor RISC GaAs ini kira-kira 91 MIPS (million instruction per second).
Pada waktu yang sama dengan pengembangan mikroprosesor RISC GaAs, McDonnell-Douglas juga mulai mengembangkan mikroprosesor RISC berdasarkan teknologi JFET tipe-penyambungan (enhancement-type junction field-effect transistor) DCFL (direct coupled FET logic) dengan bahan GaAs. Cip yang diberi nama MD484 sangat dipengaruhi oleh hasil rancangan MIPS dari Universitas Stanford.
Karena saat itu teknologi GaAs hanya mampu mengintegrasikan transistor dalam jumlah yang terbatas, maka hanya ditargetkan sejumlah 25.000 buah transistor dalam satu cip. Di dalam mikroprosesor ditanamkan 32 buah register masing-masing 32-bit dengan perangkat instruksi sangat mirip dengan yang dimiliki MIPS.
Salah satu keputusan sulit dalam perancangan adalah masalah memilih jumlah dan tipe alur-pipa eksekusi. Penambahan jumlah alur-pipa menjadi lima atau enam dengan penambahan tingkat alur-pipa untuk akses memori, akan memberi lebih banyak waktu pengaksesan memori sehingga memudahkan perancangan sistem memori. Akan tetapi, alur-pipa yang panjang akan menambah tundaan pencabangan sehingga memperlambat waktu eksekusi. Kerugian kinerja akibat penyisipan instruksi NOP adalah 20-30% untuk alur-pipa enam tingkat dan kira-kira setengahnya untuk alur-pipa lima tingkat relatif terhadap alur-pipa empat tingkat. Akhirnya, kelompok McDonnell-Douglas memutuskan untuk menggunakan empat tingkat alur-pipa. Untuk mengeksekusi operasi aritmetika floating point, McDonnell Douglas juga merancang cip koprosesor floating point. Cip CPU yang selesai dibuat dan diuji pada tahun 1987, mampu mengeksekusi instruksi dalam 16,5 nanosekon dan memberikan kecepatan operasi 60 MIPS (million instructions per second).
Proyek perancangan prosesor RISC GaAs lain dilakukan oleh RCA pada tahun 1989. Prosesor 32-bit rancangan RCA ini direncanakan diimplementasikan dengan GaAs VLSI (very large scale integration) . RCA mengatasi masalah yang dihadapi dalam perancangan cip GaAs ini dengan cara yang berbeda dari yang dilakukan McDonnell Douglas maupun Texas Instruments. Berbeda dengan kebanyakan prosesor RISC, format instruksinya tidak tunggal melainkan menggunakan format satu dan dua kata. Rancangan RCA ini menggunakan 9 tingkat alur-pipa dengan dua periode tak-aktif masing-masing 2 siklus tunggu, pertama berkaitan dengan penjemputan instruksi dan kedua berkaitan dengan penjemputan operan untuk operasi load.
Kelompok riset di Universitas Michigan juga dilaporkan berhasil membuat prosesor RISC dari bahan galium arsenida berkecepatan tinggi di atas cip berukuran 32-bit yang dihasilkan diimplementasikan di atas cip berukuran 13,9 x 7,8 mm dengan 160.000 transistor. Di dalam cip diintegrasikan bagian ALU (arithmetic and logic unit) , 32 buah register, dan 32 byte chace instruksi. Karena kecilnya chace yang dimiliki, pemakai prosesor ini dapat menambahkan chace eksternal melalui kecepatan tinggi misalnya dengan SRAM (static random access memory) berteknologi ECL. Cip ini bekerja baik dengan frekuensi detak 200 MHz.
Ada beberapa permasalahan dalam perancangan komputer cepat dengan GaAs. Pertama, adalah terbatasnya tingkat integrasi fungsi logika yang bisa diimplementasikan. Kedua, adalah tingginya perbandingan antara waktu pengaksesan memori di luar cip dengan akses data di dalam cip. SODIMA S.A. mengusulkan arsitektur 4-tingkat 32-bit untuk diintegrasikan dengan menggunakan teknologi sel standar. Tim SODIMA juga merancang arsitektur chace dua tingkat berdasarkan pada chace kecil berkecepatan tinggi (4-kilobyte dengan waktu akses 3 nanosekon) dikombinasikan dengan chacebesar tetapi lebih lambat (128 kilobyte dengan waktu akses 25 nanosekon) untuk mendapatkan kinerja 100 MIPS.
Cip RISC lain
Advanced Micro Devices (AMD) memperkenalkan produk RISC-nya pada tahun 1987, yang diberi nama Am29000. Dengan eksekusi siklus tunggal, prosesor yang memiliki detak berfrekuensi 25MHz ini memiliki kecepatan proses 17 MIPS untuk program bahasa C. Ada dua tingkat optimasi kinerja yang dilakukan dalam perancangan Am29000. Pertama, prosesor ini memiliki jumlah register cukup banyak (192 buah) yang dapat difungsikan sebagai chace untuk menetapkan tumpukan (stack) instruksi saat suatu prosedur dipanggil atau sebagai kelompok register, masing-masing terdiri atas 16 buah register. Rancangan khusus dalam Am29000 adalah chace untuk target pencabangan yang mampu menyimpan 128 instruksi. Cara ini memungkinkan alur-pipa tetap terisi tanpa adanya penundaan sebagai akibat dari operasi percabangan yang berturutan (Heudin, 1992 : 104).
Selain AMD, Intel yang dikenal sebagai pemasok mikroprosesor CISC keluarga-86, juga memproduksi cip mikroprosesor RISC yang diberi nama 80860 pada tahun 1989. Dengan mengintegrasikan lebih dari sejuta transistor, 80860 berisi teras RISC (RISC core) , koprosesor atau unit floating point, MMU (memory management unit) , unit grafik, dan chace terpisah untuk data dan instruksi. Keberadaan MMU dan teras RISC memungkinkan 80860 menjalankan sistem operasi multitasking. Koprosesornya mendukung aplikasi pemodelan, pengolahan suara, simulasi, dan perancangan berbantuan komputer (Margulis, 1989 : 333). Teras RISC memiliki empat tingkat alur-pipa yang meliputi tingkat penjemputan, dekode, eksekusi, dan penulisan instruksi. Keistimewaannya, prosesor ini dirancang agar pemrogram dapat memilih sendiri mode eksekusi yang diperlukan, yakni instruksi-tunggal dan instruksi-ganda. Instruksi tunggal merupakan mode eksekusi tradisional, dengan penjemputan instruksi berturutan. Pemberian alur-pipa memungkinkan instruksi berturutan tersebut saling tumpang-tindih sehingga beberapa instruksi berada di beberapa tingkat alur-pipa untuk dieksekusi kapan saja. Dengan mode instruksi-ganda, mikroprosesor 80860 menerapkan lebih dari sekedar strategi alur-pipa. Mode ini memungkinkan dijalankannya dua instruksi sekaligus, satu untuk teras RISC dan satu untuk koprosesor. Koprosesor atau unit floating point menampilkan hasil operasi setiap satu siklus detak dan memungkinkan diselesaikannya dua operasi sekaligus, misalnya operasi penjumlahan dan perkalian. Dengan mengkombinasikan mode instruksi-ganda dan mode operasi-ganda, pemrogram dapat melakukan tiga operasi sekaligus setiap satu siklus detak.
Cip RISC dengan detak berfrekuensi lebih dari 300 MHz dilaporkan telah dibuat oleh Digital Equipment Corp. (DEC). Cip yang dirancang dengan teknologi bipolar ECL itu mengimplementasikan 468.000 buah transistor dan 206.000 resistor di atas keping berukuran 15,4 x 12,6 mm. Pada kondisi terburuk, yakni dengan tegangan catu daya -5,2 volt, prosesor ini mampu dijalankan dengan detak internal berfrekuensi 275 MHz sedangkan dalam kondisi puncaknya (dengan tegangan catu daya -3,9 volt) dapat beroperasi pada frekuensi detak 335 MHz. Pembangkit detak eksternal memiliki frekuensi 80 MHz yang kemudian dilipatkan oleh rangkaian PLL (phase-locked loop) menjadi 1X - 8X. Masalah besar yang timbul dengan teknologi bipolar ECL ini adalah kebutuhan daya yang cukup besar, yakni mencapai 115 watt. Hal ini menyebabkan timbulnya panas berlebihan dalam cip. Untuk mengatasinya, DEC menambahkan termosifon (penghambur panas berbentuk silinder bersirip dari tembaga) di atas kemasan cip agar suhu dalam cip terjaga tidak lebih dari 100o C (Bursky, 1993 : 48-50).
Prospek Arsitektur RISC di Masa Mendatang
Perkembangan menarik terjadi pada tahun 1993 ketika aliansi tiga perusahaan terkemuka, IBM, Apple, dan Motorola memperkenalkan produk baru mereka yakni PowerPC 601, suatu mikroprosesor RISC 64-bit yang dirancang untuk stasiun kerja (workstation) atau komputer personal (Thompson, 1993 : 56-74). Menarik, karena kemunculan PowerPC 601 dimaksudkan untuk memberikan alternatif bagi dominasi prosesor CISC keluarga-86 Intel dalam komputer rumahan. Popularitas prosesor keluarga-86 didukung oleh harganya yang murah dan banyaknya program aplikasi yang dapat dijalankan dengan prosesor ini. Untuk itu, prosesor PowerPC dijual dengan harga yang cukup bersaing dibandingkan dengan pentium, yakni prosesor buatan Intel mutakhir saat itu (Thompson, 1993 : 64). Perkembangan teknologi emulasi yang memungkinkan prosesor RISC menjalankan sistem operasi yang sama dengan prosesor CISC keluarga-86 diperkirakan akan membuat prosesor RISC, terutama PowerPC 601, banyak digunakan di dalam komputer-komputer personal (Halfhill, 1994 : 119-130).
PowerPC 601 memiliki 32 buah register serbaguna 32-bit dan 32 buah 64-bit register floating-point. Untuk menyimpan sementara data dan instruksi sebelum dieksekusi, PowerPC 601 memiliki 32-kilobyte chace untuk data dan instruksi bersama-sama. Teras PowerPC 601 terdiri dari tiga unit eksekusi dengan alur-pipa yang independen, yakni unit pemroses bilangan bulat (IU, integer unit), unit floating-point (FPU, floating processing unit), dan unit pemroses operasi percabangan (BPU, branch processing unit) yang mampu mengeksekusi tiga instruksi sekaligus (Ryan, 1993 : 79-80).
Perkembangan menarik juga nampak dengan diadopsinya sebagian arsitektur RISC ke dalam prosesor CISC yang dikenal dengan sebutan arsitektur hibrid CISC/RISC. Intel Corporation mengimplementasikan arsitektur CISC/RISC ini ke dalam prosesor keluarga-86 dimulai dengan prosesor Pentium, kemudian prosesor P6 atau Pentium Pro (Ryan, 1993 : 84 ; Halfhill, 1995:42 ; Yokota, 1993 : 18-25). Beberapa produsen lain, dengan cara berbeda juga mulai mengadopsi arsitektur campuran CISC/RISC ini misalnya Matsushita Corp dengan prosesor V810, Advanced RISC Machines dengan ARM610, dan Hitachi dengan prosesor SH7032 (Miyazaki, 1993 : 20-27).
KESIMPULAN
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.
Prosesor RISC, yang berkembang dari riset akademis telah menjadi prosesor komersial yang terbukti mampu beroperasi lebih cepat dengan penggunaan luas cip yang efisien. Kemajuan mutakhir yang ditunjukkan oleh mikroprosesor PowerPC 601 dan teknologi emulasi yang antara lain dikembangkan oleh IBM memungkinkan bergesernya dominasi cip-cip keluarga-86 dan kompatibelnya. Bila teknik emulasi terus dikembangkan maka pemakai tidak perlu lagi mempedulikan prosesor apa yang ada di dalam sistem komputernya, selama prosesor tersebut dapat menjalankan sistem operasi ataupun program aplikasi yang diinginkan.
