Pipelining Instruksi

Pipeline adalah suatu cara yang digunakan untuk melakukan sejumlah kerja secara bersama tetapi dalam tahap yang berbeda yang dialirkan secara continue 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.

  Konsep pemrosesan pipeline dapat digunakan dalam sebuah komputer untuk memperbaiki throughput sistem tersebut dalam berbagai variasi cara. Tiga jenis pokok pipelining adalah pipelining aritmatika, instruksi, dan prosesor. Peningkatan throughput sistem dengan satu atau lebih jenis pipelining ini tergantung pada fungsi dan harga pipelining. Harga pipelining termasuk tambahan perangkat keras yang diperlukan untuk mekanisme latch dan kendali, serta waktu yang tidak produktif bagi pengisian pipeline dan memaksa latensi untuk menghindari adanya tubrukan.

  Pipelining instruksi dalam suatu komputer nonpipeline, CPU bekerja melalui suatu siklus yang berkesinambungan dari fetch-decode-eksekusi untuk semua instruksinya. Proses fetch suatu instruksi tidak akan dimulai sampai eksekusi instruksi sebelumnya selesai. Untuk mem-pipeline fungsi ini, instruksi-instruksi yang berdampingan di fetch dari memori ketika instruksi yang sebelumnya di-decode dan dijalankan. Proses pipelining instruksi, disebut juga instruction lihat-ke-muka (look-ahead), mem-fetch instruksi secara berurutan. Dengan demikian, jika suatu instruksi menyebabkan percabganan keluar dari urutan itu maka pipe akan dikosongkan dari seluruh instruksi yang telah di-fetch sebelumnya dan instruksi percabangan (branched-to instruction) tersebut di-fetch.

Instruksi pada pipeline

Tahapan pipeline

1.Mengambil instruksi dan membuffferkannya

2.Ketika tahapan kedua bebas tahapan pertama mengirimkan instruksi yang dibufferkan tersebut

3.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.