i.            Pengertian Pipeline

Pipeline adalah suatu cara yang digunakan untuk melakukan sejumlah kerja secara bersama tetapi dalam tahap yang berbeda yang dialirkan secara kontinou pada unit pemrosesor. Dengan ccara ini, maka unit pemrosesan selalu bekerja.

Teknik pipeline ini dapat diterapkan pada berbagai tingkatan dalam sistemkomputer. 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 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 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. 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.

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 :Terjadinya penggunaan resource yang bersamaan, Ketergantungan terhadap data, Pengaturan Jump ke suatu lokasi memori.

      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.


Intruksi Pipeline

Instruction pipeline adalah teknik yang digunakan pada komputer untuk meningkatkan throughput eksekusi instruksi pada Central Processing Unit (CPU). Pipeline adalah sekumpulan tahapan proses yang terhubung secara berurutan.Output dari sebuah tahap proses menjadi input untuk tahap berikutnya. Pipeline tidak mengurangi waktu eksekusi sebuah instruksi tetapi meningkatkan jumlah instruksi yang dapat diproses secara bersamaan.

Dibawah ini akan dibahas tentang Instruction Pipeline pada CPU. Hal-hal yang dicakup antara lain adalah konsep mengenai pipeline, permasalahan, dan hambatan yang ada pada pipeline khususnya mengenai dependensi data, penanganan percabangan instruksi, dan penjelasan mengenai contoh implementasi pipeline pada beberapa prosesor komputer.


Siklus Instruksi
  • Fetch : Siklus pengambilan data kememori atau register
  • Execute : menginterpretasikan opcode dan melakukan operasi yang di indikasikan
  • Interrupt : apabila interrupt diaktifkan dan interrupt telah terjadi, simpan status proses saat itu dan layani interupsi

Pengolahan Instruksi
  • Pengambilan instruksi
  • Pengeksekusian instruksi
  • Terdapat waktu yang dibutuhkan selama proses eksekusi sebuah instruksi pada saat memori sedang tidak diakses
  • Waktu ini dapat digunakan untuk mengambil instruksi berikutnya secara paralel (bersamaaan) dengan eksekusi instruksi saat itu
* Tahapannya independen, karena tiap tahapan bekerja sendiri dalam waktu yang bersamaan.   Ada 2 tahap:
- Tahap 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 mem-buffer-kan instruksi berikutnya.
=> Proses ini disebut instruction prefetch/ fetch overlap


 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
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 dijemput setelah tahap IF menganggur (t2).

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, 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 utnuk 100 instruksi akan dapat dikerjakan dalam 104T (CPI = 1,04). Pada kondisi  ideal CPI akan harga 1.

Efek Pipeline



Mempercepat eksekusi instruksi, apabila tahapan pengembalian tahapan dan eksekusi instruksi memerlukan waktu yang sama, maka siklus instruksinya akan berkurang menjadi separuhnya


Kesimpulan

Pipelining Instruction merupakan metode pengambilan dan decode instruksi (pra-pengolahan) dimana pada waktu tertentu beberapa instruksi program ada pada berbagai tahap untuk diam bila tau di dekode. 




Sumber :

http://slideplayer.info/slide/1900142/#

https://abdrahman172.wordpress.com/2013/11/09/siklus-instruksi-dan-pipelining-instruksi/

http://mycomputerarchitecture.blogspot.co.id/2014/12/instruction-pipeline.html