PIPELINE

di sini saya akan membahas berbagai hal yang berkaitan dengan pipeline, mungkin artikel ini lebih berguana karena ini saya buat lebih ringkas, dan ini dalah tugas saya sewaktu saya masih kuliah, semoga artikel ini bermamfaat buat kita semua.

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 pemrosesor. Dengan cara ini, maka unit pemrosesan selalu bekerja.Teknik pipeline ini dapat diterapkan pada berbagai tingkatan dalam sistem komputer. Bisa pada level yang tinggi, misalnya program aplikasi, sampai pada tingkat yang rendah, seperti pada instruksi yang dijaankan oleh microprocessor.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 kinerja microprocessor. Hal ini terjadi karena beberapa instruksi dapat dilakukan secara parallel dalam waktu yang bersamaan. Secara kasarnya diharapkan akan didapatkan peningkatan sebesar K kali dibandingkan dengan microprocessor yang tidak menggunakan pipeline, apabila tahapan yang ada dalam satu kali pemrosesan instruksi adalah K 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 dan lancar. 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 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 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. 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 pun seterusnya, ketika instruksi pertama masuk ke langkah 3, instruksi kedua masuk ke langkah 2 dan instruksi ketiga masuk ke langkah 1.

Teknik pipeline ini menyebabkan ada sejumlah hal yang harus diperhatikan sehingga ketika diterapkan dapat berjalan dengan baik.

Tiga kesulitan yang sering dihadapi ketika menggunakan teknik pipeline ini adalah :

1.      Terjadinya penggunaan resource yang bersamaan

2.      Ketergantungan terhadap data, dan

3.      Pengaturan Jump ke suatu lokasi memori.

Kategori Pipeline:

1.Pipeline Unit Arithmetic : berguna untuk operasi vector
2.Pipeline Unit Instruction : berguna untuk komputer yang mempunyai set instruksi yang sederhana 

Proses Pipeline:

            Instruksi-instruksi dari program yang sudah berurutan kemudian satu-persatu memasuki pipeline prosesor untuk diproses. Setiap tingkat pipeline memerlukan satu clock cycle untuk menyelesaikan satu instruksi dan meneruskan hasilnya ke pipeline berikutnya.

Generic Pipeline

ada 4 tahapan dalam generic pipeline :
1. Fetch           : Ambil instruksi dari memori
2. Decode       : Terjemahkan arti dari instruksi
3. Execute       : Eksekusi instruksi yang telah di-decode
4. Write-back  : Simpan hasil eksekusi ke memori

Dekomposisi Pengolahan Instruksi

·         Fetch

pengambilan data ke memori atau register

·         Execute

Menginterpretasikan opcode dan melakukan operasi yang diindikasikan

·         Fetch Instruction (FI)

Membaca instruksi berikutnya ke dalam buffer

·         Decode Instruction (DI)

Menentukan Opcode dan operand specifier

·         Calculate Operand (CO)

Menghitung alamat efektif seluruh operand sumber.
Hal ini mungkin melibatkan displacement, register indirect, atau bentuk kalkulasi alamat lainnya.

·         Fetch Operand (FO)

mengambil semua operand dari memori. Operand-operand yang berada di register tidak perlu diambil.

·         Execute Insruction (EI)
Melakukan operasi yang diindikasikan dan menyimpan hasilnya

·         Write Operand (WO)
Menyimpan hasilnya di dalam memori.

      ADA 2 TAHAP
Tahapan pertama mengambil instruksi dan mem-buffer-kannya.
Ketika tahapan kedua bebas, tahapan pertama mengirimkan instruksi yang di-buffer-kan tersebut.Pada saat tahapan kedua sedang mengeksekusi instruksi, tahapan pertama memanfaatkan siklus memori yang tidak dipakai untuk mengambil dan membufferkan instruksi berikutnya.
-Proses ini disebut instruction prefetch atau fetch overlap.

 

Penanganan Percabangan:

1. Multiple Streams
2. Prefetch Target percabangan
3. Loop buffer
4. Memprediksi percabangan
5. Delay percabangan

Data Hazard

Kita harus memastikan bahwa hasil yang memperoleh ketika arahan dilaksanakan pada satu prosesor pipelined serupa ke itu memperoleh ketika arahan yang sama dilaksanakan secara sekuen.

- Ambil resiko terjadi

                        A? 3 + A

                        B? 4 × A

- Tidak ada ambil resiko

                        A? 5 × C

                        B? 20 + C

Ketika dua operasi bergantung kepada satu sama lain, mereka harus dilaksanakan secara sekuen pada tempat yang benar.

- Contoh lain:

                        Mul R2, R3, R4

                        Tambahkan R5, R4, R6

Instruksi pada pipeline

Tahapan pipeline

·         Mengambil instruksi dan membuffferkannya

·         Ketika tahapan 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

.Berikut ini adalah gambaran tentang 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. 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 :

Contoh pengerjaan instruksi dengan pipeline :

 

Dengan adanya pipeline dua instruksi selesai dilaksanakan padadetik 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, 14x 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 harga 1.

Masalah-masalah pada Pipeline

Dengan adanya persyaratan bahwa setiap instuksi yang berdekatan harus tidak saling bergantung, maka ada kemungkinan terjadinya situasi dimana pipeline gagal dilaksanakan (instruksi berikutnya tidak bisa dilaksanakan). Situasi ini disebut Hazards. Hazards mengurangi performansi dari CPU dimana percepatan ideal tidak dapat dicapai.

Ada 3 kelompok Hazards :

1.      Structural Hazards muncul dari konflik resource sistem yaitu ketika hardware tidak dapat mensuport semua kemungkinan kombinasi pelaksanaan instruksi. 

2.      Data Hazards muncul ketika data untuk suatu instruksi tergantung pada hasil instruksi sebelumnya. 

3.      Control Hazards muncul pada pelaksanaan instruksi yang mengubah PC (contoh : branch).

Adanya Hazards menyebabkan pipeline terhambat (stalled). Tidak ada instruksi baru yang dijemput sampai hambatan itu selesai. Ini berarti instruksi-instruksi selanjutnya akan ditunda pula penjemputannya.

Keuntungan dari Pipeline

1.      Waktu siklus prosesor berkurang, sehingga meningkatkan tingkat instruksi-isu dalam kebanyakan kasus.

2.      Beberapa combinational sirkuit seperti penambah atau pengganda dapat dibuat lebih cepat dengan menambahkan lebih banyak sirkuit.

Jika pipeline digunakan sebagai pengganti, hal itu dapat menghemat sirkuit vs combinational yang lebih kompleks sirkuit.


Kerugian dari Pipeline

1.      Prossesor  non-pipeline hanya menjalankan satu instruksi pada satu waktu. Hal ini untuk mencegah penundaan cabang (yang berlaku, setiap cabang tertunda) dan masalah dengan serial instruksi dieksekusi secara bersamaan. Akibatnya desain lebih sederhana dan lebih murah untuk diproduksi.

2.      Instruksi latency di prossesor non-pipeline sedikit lebih rendah daripada dalam pipeline setara. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa sandal jepit ekstra harus ditambahkan ke jalur data dari prossesor pipeline.

3.      Prossesor non-pipeline akan memiliki instruksi bandwidth yang stabil. Kinerja prossesor yang pipeline jauh lebih sulit untuk meramalkan dan dapat bervariasi lebih luas di antara program yang berbeda.

Contoh Penerapan Pipeline :

Konsep pemrosesan pipeline dalam suatu komputer mirip dengan suatu baris perakitan dalam suatu pabrik industri. Ambil contoh, suatu proses pembuatan sebuah mobil: anggaplah bahwa langkah-langkah tertentu di jalur perakitan adalah untuk memasang mesin, memasang kap mesin, dan memasang roda (dalam urutan tersebut, dengan langkah arbitrary interstitial). Sebuah mobil di jalur perakitan hanya dapat memiliki salah satu dari tiga tahap yang dilakukan sekaligus.

Setelah mobil memiliki mesin yang terpasang, bergerak ke bagian pemasangan kap, meninggalkan fasilitas pemasangan mesin yang tersedia untuk mobil berikutnya. Mobil pertama kemudian pindah ke pemasangan roda, mobil kedua untuk pemasangan kap, dan mobil ketiga dimulai untuk pemasangan mesin. Jika instalasi mesin membutuhkan waktu 20 menit, instalasi kap mobil memakan waktu 5 menit, dan instalasi roda membutuhkan waktu 10 menit, kemudian menyelesaikan semua tiga mobil ketika hanya satu mobil dapat dioperasikan sekaligus akan memakan waktu 105 menit.

Di sisi lain, dengan menggunakan jalur perakitan, total waktu untuk menyelesaikan ketiga adalah 75 menit. Pada titik ini, mobil selanjutnya akan datang dari jalur perakitan pada kenaikan 20 menit.