Team Stanford University

Sejarah MIPS

Team Stanford University  MIPS = Million Instructions Per Second

= Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages  John L. Hennesy 1981  Ide dasar: peningkatan kinerja prosesor dengan pipeline  Pengeksekusian sebuah instruksi dibagi dalam beberapa step  Instruksi dieksekusi secara independen  Problem: interlock #1

MIPS Computer System  1984: Hannessy meninggalkan Stanford dan beralih ke MIPS Computer System  1985: MIPS Computer System me-release design pertamanya R2000  1988:  Me-release R3000  Bentuk CPU berbasis 32 bit  Design ini mengimplementasikan hampir semua interlock di hardware-nya dan men-suply full multiple dan dividing instruction #2

MIPS Technologies  1990-an awal: MIPS mulai melisensi produknya ke 3 vendor  1990-an MIPS menjadi sebuah power house dalam

embedded processor  1991: MIPS me-release mikroprosesor 64 bit untuk yang pertama kali yaitu R4000  1992: SGI membeli MIPS Computer System, kemudian perusahaan ini berganti nama menjadi MIPS Technologies  1997: 48 juta perancangan CPU menggunakan microprocessor MIPS  1998: MIPS menjadi sangat sukses setelah SGI mengubah proses MIPS Technologies

#3

Lisensi MIPS  1999: MIPS membentuk lisensinya dalam 2 kelas besar  32-bit dengan MIPS 32  64-bit dengan MIPS 64

 NEC, Toshiba, dan SysBite memperoleh licency untuk MIPS64  MIPS design Team merancang R4300  Alchemy Semikonduktor memproduksi AU1000 SOC  Lexra menggunakan MIPS untuk audio chip market #4

Keluarga CPU MIPS

(1)

 Model CPU MIPS yang pertama adalah R2000 yang dipasarkan sekitar tahun 1985  R2000 juga di-support oleh empat coprocessor, salah satunya dibangun di main CPU dan menggunakan exception dan trap  Salah satu dari ketiga co-processor tersebut dapat diisi dengan pilihan R2010 FPU yang memiliki 32 bit register yang dapat digunakan sebagai 64 bit register dengan double

precission

#5

Keluarga CPU MIPS

(2)

 R3000 merupakan pengembangan dari R2000 dengan penambahan 32 kB cache untuk instruksi dan data  Penggunaan cache coherency dapat mendukung dalam penggunaan multi processor  R3000 juga dibangun di dalam MMU yang merupakan fitur umum yang terdapat pada CPU pada era tersebut  R3000A digunakan oleh Sony Play Station dengan frekuensi 4 MHz yang menghasilkan performansi 32 VUPs #6

Keluarga CPU MIPS

(3)

 Seri R4000 dirilis pada pada tahun 1991  R4000 menggunakan full 64 bit MIPS architecture dengan memindahkan FPU ke dalam main die  Frekuensi clock sekitar 100 MHz  Frekuensi clock tersebut dicapai dengan mengurangi cache-nya menjadi 8 kB  Versi R4000 diikuti oleh R4400 yang dirilis pada tahun 1993 yang menggunakan 16 kB cache, 64 bit operation untuk bug free, dan sebuah controller external sebesar 1 MB cache #7

Pengembangan MIPS

(1)

 Quantum Effect Devices (QED) adalah perusahaan pecahan dari MIPS Technologies  QED merancang R4600 “Orion”, R4700”Orion”, R4650 dan R5000  QED design menekan cache sehingga bisa diakses hanya oleh dua siklus dan mengefisienkan penggunaan silicon area #8

Pengembangan MIPS

(2)

 R4600 dan R4700 digunakan dalam versi low-cost versi oleh SGI Indy Workstation sebagai MIPS pertama yang berbasis pada Cisco Routers seperti router seri 36 x 0 dan 7 x 00  R4650 digunakan secara original dalam Web TV Setup Boxes (sekarang microsoft TV) #9

QED (Quantum Effect Devices)  QED merancang RM7000 dan RM9000  Keduanya merupakan embedded device untuk networking/jaringan komputer dan laser printer  R8000 merupakan rancangan superscalar MIPS yang pertama kali  R8000 dapat mengeksekusi dua operasi ALU dan dua memory operation tiap satu siklusnya #10

Prosesor R8000  Prosesor ini memiliki enam chip yang berbeda yakni:  Sebuah integer unit dengan 16 kB instruction dan 16 kB L1 data caches  Sebuah floating point unit  Tiga full custom secondary cache tag RAMs (dua untuk secondary access cache dan satu untuk Bus snooping (bus pengintai)  dan sebuah cache controller ASIC

 Design ini memiliki dua pipelines penuh dengan tingkat ketelitian double untuk unit perkalian dan unit penambahan yang dapat mengalirkan data dari 4 MB secondary cache #11

Prosesor R10000  Pada tahun 1995, R10000 dirilis  Processor dengan single chip design  R10000 memiliki 32 kB primary instruction dan data

cache  Design-design berikutnya banyak yang berbasis

pada design R10000 core  R12000 dikembangkan secara manufacturing untuk menyusutkan chip dan melakukan operasi dalam tingkat clock rate yang tinggi  R14000 memiliki clock rate yang tinggi dengan tambahan support yaitu DDR RAM  Perkembangan berikutnya R16000 dan R16000A dengan fitur clock rate yang lebih tinggi

#12

Aplikasi MIPS  Beberapa perusahaan yang menggunakan MIPS adalah SGI, MIPS Computer System Inc, Olivetti, Siemens-Nixdorf, Acer, Digital Equipment Corporation, NEC dan Desk Station  Beberapa sistem operasi yang bisa dipasang pada MIPS diantaranya:

 SGI’s IRIX  Microsoft’s Windows NT (Windows NT yang mensupport MIPS adalah Windows NT 4.0)  Windows CE  LINUX  BSD  Unix System V  SINIX  RISC/OS #13

Perkembangan Lanjut MIPS  Anggota lain dari MIPS family yang termasuk dalam R6000 adalah implementasi ECL dari MIPS architecture yang diproduksi oleh Bipolar Integrated Technology  Pada R6000 diperkenalkan MIPS II instruction set  RM7000 merupakan versi dari R5000 yang dibangun dengan 2 level cache dengan kapasitas 256 kB per cache-nya dan sebuah controller sebagai pilihan untuk menggunakan tiga level cache #14

Ringkasan Keluarga MIPS

#15

Komponen Utama MIPS

Komponen Utama MIPS 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Control Unit: Bagian pengendali Program Counter (PC): Pencacah program Instruction Memory: Memori instruksi Data Memory: Memori data Register: File register ALU (Arithmetic and Logical Unit): Bagian

pemroses aritmetik dan logika

#17

Komponen Pendukung MIPS 1. 2. 3. 4. 5.

Adder: Penjumlah Shifter: Penggeser MUX (Multiplexer): Multiplekser Sign Extend: menambah jumlah bit ALU control: menentukan operasi ALU

#18

Datapath MIPS 32

0 M U X 1

32 32 32

ALU Result

32

ADD

Shift Left 2 32

Result RegDst

4

32

ADD PCSrc

Branch MemRead Instruction (31-26) 6

MemToReg

CONTROL ALUOp UNIT

MemWrite

PC

Instruction (31-0)

INSTRUCTION MEMORY

Instruction (25-21)

5

Instruction (20-16)

5

32

Read Register 1 Read Register 2

0

M U Instruction (15-11) X

5

1

RegDst

Read Data 1

MemToReg

Read Address

ALUSrc

RegWrite

MemWrite

ALUSrc

32

Zero Flag

REGISTERS Write Read Register Data 2 Write Data

ALU 0 M U X 1

Result 32

32

Read Data

Address

DATA MEMORY 32

32

Write Data

1 M U X 0

3 Instruction (15-0)

16

Sign Extend

32

ALU Control

MemRead 6 Instruction (5-0)

2

ALUOp 32

#19

Bagian Pengendali (Control Unit)

(1)

 Tujuan: Mengendalikan semua aktifitas prosesor  Masukan: Kode operasi (Opcode) = 6 bit  Keluaran: kendali semua komponen = 9 bit #20

Bagian Pengendali (Control Unit)

(2)

 Input pada bagian pengendali adalah kode operasi sebanyak 6 bit  Kode operasi ini diterjemahkan (di-decode) untuk mengetahui jenis instruksinya  Setelah mengetahui jenis instruksi tersebut, bagian pengendali mengeluarkan 9 bit kendali  Bit kendali yang dikeluarkan oleh Control Unit (CU) akan menentukan operasi pada

datapath

#21

Bagian Pengendali (Control Unit)

(3)

 Nama-nama kendali yang dihasilkan oleh CU: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

RegDst Branch MemRead MemToReg ALUOp MemWrite ALUSrc RegWrite

(1 (1 (1 (1 (2 (1 (1 (1

bit) bit) bit) bit) bit) bit) bit) bit) #22

Pencacah Program (PC)

(1)

 Tujuan: Untuk menghitung alamat instruksi berikutnya yang akan dieksekusi  Masukan: nilai PC = 32 bit  Keluaran: alamat 32 bit pada memori instruksi #23

Pencacah Program (PC)

(2)

 Pencacah program lebarnya 32 bit sehingga maksimal instruksi yang dapat diakses adalah 232 buah  Pencacah akan mengeluarkan nilai secara sekuensial dari 0x00000000 sampai 0x11111111  Jika tidak ada instruksi pencabangan, maka nilai pencacah akan ditambah 4 setiap kali selesai instruksi #24

Memori Instruksi

(1)

 Tujuan: Untuk menyimpan instruksi yang akan dieksekusi  Masukan: alamat memori yang digunakan untuk menyimpan instruksi sebanyak 32 bit dari PC  Keluaran: instruksi sebanyak 32 bit

#25

Memori Instruksi

(2)

 Menyimpan instruksi yang akan dieksekusi  Lebar data pada setiap alamat 8 bit  Lebar instruksi adalah 32 bit  Setiap instruksi menempati 4 buah alamat dalam memori instruksi  Instruksi yang telah dibaca masuk ke dalam bus dan diterjemahkan oleh bagian pengendali

#26

Memori Data

(1)

 Tujuan: menyimpan hasil penghitungan ALU  Masukan:  Alamat memori yang akan digunakan untuk menyimpan data (akan ditulisi) sebanyak 32 bit  Data yang akan disimpan/ditulis sebanyak 32 bit

 Keluaran: Data yang dibaca sebanyak 32 bit #27

Memori Data

(2)

 Lebar data setiap alamat adalah 8 bit  Pada MIPS memori data dan memori instruksi sebenarnya disatukan  Data biasanya disimpan pada alamat-alamat tinggi sedangkan instruksi pada alamatalamat rendah/awal  Memori data dikendalikan oleh jalur kontrol MemRead untuk membaca dan MemWrite untuk menulis #28

Register

(1)

 Tujuan: menyimpan data yang akan dihitung oleh ALU dan menyimpan data hasil perhitungannya  Masukan:    

Alamat register 1 yang akan dibaca (5 bit) Alamat register 2 yang akan dibaca (5 bit) Alamat register yang akan ditulisi (5 bit) Data yang akan ditulis ke resister (32 bit)

 Keluaran: data yang dibaca dari register 1 dan 2 #29

Register

(2)

 Register umum (general) jumlahnya 32 buah  Masing-masing lebarnya 32 bit  Menyimpan data hasil perhitungan ALU atau data yang berasal dari memori  Data keluaran register menjadi masukan bagi ALU untuk dihitung  Register-register diakses berdasarkan nomor registernya

#30

Register

(3)

 Penulisan register dikendalikan oleh jalur kendali RegWrite  Pada pemrograman, nama register tidak diakses berdasarkan nomornya, tetapi berdasarkan namanya  Masing-masing register diberi nama umum agar mudah diingat oleh pemrogram

#31

Register dan Fungsinya

(1)

#32

Register dan Fungsinya

(2)

 Register yang dipersiapkan untuk dipanggil dengan syscall (prosedur dan fungsi) tidak dapat diubah  Sebagai contoh:  $s harus disimpan di dalam stack oleh prosedur jika ingin menggunakannya  $sp dan $fp selalu di-increment dengan konstanta kemudian di-increment kembali setelah prosedur selesai dilakukan

 Sementara itu $ra berubah secara otomatis dengan adanya call function #33

ALU (Arithmatic and Logical Unit)

(1)

 Tujuan: Mengolah (penjumlahan, pengurangan, logika) dua buah data masukan  Masukan: input 1 (32 bit) dan input 2(32 bit)  Keluaran: hasil pengolahan dan zero flag #34

ALU

(2)

 MIPS adalah komputer 32 bit  Jenis komputer ini ditentukan oleh lebar bus data yang masuk ke dalam ALU  Selain mengeluarkan hasil penghitungan (ALU Result) ALU juga mengeluarkan zero flag  Zero flag digunakan sebagai indikator apakah nilai keluarannya nol atau bukan  Jika nilai keluarannya adalah nol maka zero flag bernilai 1 dan sebaliknya bernilai nol #35

ALU

(3)

 ALU memiliki 3 jalur kendali (3 bit):

 Pada kelas instruksi R-format, ALU menjalankan salah satu dari kelima fungsi di atas, tergantung pada nilai 6-bit fungsinya  Pada instruksi LW (load word) dan SW (store word) ALU digunakan untuk menghitung alamat memori dengan melakukan penjumlahan  Pada instruksi beq (branch on equal) ALU melakukan proses pengurangan

#36

Adder

(1)

 Tujuan: Menjumlahkan dua buah input  Masukan: dua buah input n bit  Keluaran: sebuah n bit output #37

Adder

(2)

 Rangkaian yang ada dalam Adder adalah full

adder

 Simbol adder sama dengan simbol ALU, tetapi diberi nama Add  Terdapat dua buah adder:  Adder yang menjumlahkan input dari PC (32 bit) dengan bilangan 4  Adder yang menjumlahkan hasil penjumlahan PC+4 (32 bit) dengan bilangan yang berasal dari bagian shift left 2 (32 bit) #38

Shifter

(1)

 Tujuan: menggeser bit-bit input ke kiri sebanyak 2 kali atau mengalikan input dengan 4  Masukan: 1 input (32 bit)  Keluaran: 1 output (32 bit) #39

Shifter

(2)

 Shift left 2: Menggeser input ke kiri sebanyak 2 bit  Operasi ini sama dengan mengalikan bilangan input dengan 4  Contoh:  Masukan: 0000000000000000 0000000000000010  2  Keluaran: 0000000000000000 0000000000001000  8 #40

MUX (Multiplexer)

(1)

 Tujuan: Memilih satu dari 2 input yang tersedia untuk disalurkan ke output  Masukan: 2 buah input masing-masing 32 bit dan sebuah select (1 bit)  Keluaran: 1 output (32 bit)

#41

MUX (Multiplexer)

(2)

 Multiplexer ini disebut mux 2 ke 1  Terdapat 2 buah input dan 1 buah output  Select berfungsi menentukan input mana yang dipilih datanya untuk dikeluarkan  Jumlah select tergantung banyaknya input  Karena input-nya ada 2 maka jumlah selectnya cukup 1 buah saja yang dapat bernilai 0 atau 1

#42

Sign Extend

(1)

 Tujuan: Mengubah data 16 bit menjadi data 32 bit  Masukan: 1 input sebanyak 16 bit  Keluaran: 1 output sebanyak 32 bit #43

Sign Extend

(2)

 Menambah bilangan 0 sebanyak 16 bit di awal (sebelah kiri) sehingga jumlah bit menjadi 32 bit  Keluaran dari Sign Extend menjadi input ALU atau menjadi input Shift left 2 yang terhubung ke Adder  Contoh :  Masukan: 0000 0000 0010 1101  Keluaran: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010 1101 #44

Referensi  http://en.wikipedia.org/wiki/MIPS_architecture  Hennessy, John L. dan Patterson, David A. 2005, “Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface”. 3nd edition. Morgan Kaufmann publisher Inc. San Fransisco. USA

#45