ORGANISASI KOMPUTER

ORGANISASI KOMPUTER

Pertemuan 5MEMORI

Author: Linda Norhan, ST.

Memori (store/storage) adalah bagian dari komputer tempat program – program dan data – data disimpan.

Memori Internal dan External Memori internal adalah memori yang dapat

diakses langsung oleh prosesor(register yang terdapat di dalam prosesor, cache memori dan memori utama berada)

Memori eksternal adalah memori yang diaksesprosesor melalui piranti I/O,disket dan hardisk.di luar prosesor.

Memori

Sel memori memiliki dua keadaan stabil (atausemi-stabil), yang dapat digunakan untukmerepresentasikan bilangan biner 1 atau 0.

Sel memori mempunyai kemampuan untukditulisi (sedikitnya satu kali).

Sel memori mempunyai kemampuan untukdibaca.

Sifat Sel Memori

Registerberada di dalam chip prosesorDiakses langsung oleh prosesor dalam menjalankan operasinya.

Register digunakan sebagai memori sementara dalam perhitungan maupun pengolahan data dalam prosesor

Memori internalBerada diluar chip prosesorMengaksesannya langsung oleh prosesor.Dibedakan menjadi memori utama dan cache memori

Memori eksternalDiakses oleh prosesor melalui piranti I/ODapat berupa disk maupun pita.

Lokasi Memori

Kapasitas memori internal maupun eksternalbiasanya dinyatakan dalam mentuk byte(1 byte = 8 bit) atau word.

Panjang word umumnya 8, 16, 32 bit. Memori eksternal biasanya lebih besar

kapasitasnya daripada memori internal, hal ini disebabkan karena teknologi dan sifat penggunaannya yang berbeda

Kapasitas Memori

Memori internalSatuan transfer = jumlah saluran datayang masuk dan keluar dari modul memori.Jumlah saluran ini sering kali = panjang word, tapi dimungkinkan juga tidak sama

Satuan Transfer

Word, merupakan satuan “alami” organisasi memori. Ukuranword = jumlah bit yang digunakan untuk representasi bilangan dan panjang instruksi.

Addressable units, pada sejumlah sistem, adressable unitsadalah word. Namun terdapat sistem dengan pengalamatanpada tingkatan byte. Pada semua kasus hubungan antarapanjang A suatu alamat dan jumlah N adressable unit adalah2A =N.

Unit of tranfer, adalah jumlah bit yang dibaca atau dituliskanke dalam memori pada suatu saat. Pada memori eksternal,tranfer data biasanya lebih besar dari suatu word, yang disebut dengan block.

Konsep Satuan Transfer

Direct accessSama sequential access terdapat shared read/write mechanism.

Setiap blok dan record memiliki alamat unikberdasarkan lokasi fisiknya.

Akses dilakukan langsung pada alamat memori.

Disk adalah memori direct access

Metode Akses(2)

Random accessSetiap lokasi memori dipilih secara random dan diakses serta dialamati secara langsung.Contohnya adalah memori utama

Associative accessJenis random akses yang memungkinkanpembandingan lokasi bit yang diinginkan untukpencocokan.Data dicari berdasarkan isinya bukan alamatnyadalam memori.Contoh memori ini adalah cache memori

Metode Akses(3)

Access time Bagi random access memory, waktu akses adalah

waktu yang dibutuhkan untuk melakukan operasi baca atau tulis.

Memori non-random akses merupakan waktu yang dibutuhkan dalam melakukan mekanisme baca atau tulis pada lokasi tertentu

Memory cycle timeKonsep ini digunakan pada random access memoryTerdiri dari access time ditambah dengan waktuyang diperlukan transient agar hilang pada saluransinyal

Parameter utama unjuk kerja(1)

Transfer rateKecepatan data transfer ke unit memori atau dari unit memori.

1.Random access memory sama dengan 1/(cycle time).

2. Non-random access memory dengan perumusan :TN = TA + (N/R)TN = waktu rata – rata untuk membaca atau

menulis N bitTA = waktu akses rata – rataN = jumlah bitR = kecepatan transfer dalam bit per detik (bps)

Parameter utama unjuk kerja(2)

Media penyimpanan volatile dan non-volatileVolatile memory, informasi akan hilang apabila daya listriknya dimatikanNon-volatile memory tidak hilang walau daya listriknya hilang. Memori permukaan magnetik adalah contoh no-nvolatile memory, sedangkan semikonduktor ada yang volatile dan nonvolatile.

Media erasable dan nonerasable.Ada jenis memori semikonduktor yang tidak bisa dihapus kecuali dengan menghancurkan unit storage-nya, memori ini dikenal dengan ROM (Read Only Memory).

Fisik

Berapa banyak ?Sesuatu yang sulit dijawab, karena berapapun kapasitas memoritentu aplikasi akan menggunakannya.

Berapa cepat ?Memori harus mempu mengikuti kecepatan CPU sehinggaterjadi sinkronisasi kerja antar CPU dan memori tanpa adanyawaktu tunggu karena komponen lain belum selesai prosesnya.

Berapa mahal ?Relatif. Bagi produsen selalu mencari harga produksi palingmurah tanpa mengorbankan kualitasnya untuk memiliki dayasaing di pasaran.

Keandalan Memori

Semakin kecil waktu akses, semakin besarharga per bitnya

Semakin besar kapasitas, semakin kecil hargaper bitnya

Semakin besar kapasitas, semakin besar waktu aksesnya

Hubungan harga, kapasitasdan waktu akses

Menurunnya hirarki mengakibatkan :Penurunan harga/bitPeningkatan kapasitasPeningkatan waktu aksesPenurunan frekuensi akses memori oleh CPU

Kunci keberhasilan hirarki ini pada penurunan frekuensi aksesnya Semakin lambat memori maka keperluan CPU untuk mengaksesnya semakin sedikit

Secara keseluruhan sistem komputer akan tetap cepat namun kebutuhan kapasitas memori besar terpenuhi

Hirarki Memori

Satuan pokok memori adalah digit biner, yang disebut bit.

Bit dapat berisi sebuah angka 0 atau 1. Memori juga dinyatakan dalam byte

1 byte = 8 bit Kumpulan byte dinyatakan dalam word. Panjang word yang umum adalah 8, 16, dan

32 bit.

Satuan Memori

Pada komputer lama, bentuk umum randomaccess memory untuk memori utama adalahsebuah piringan ferromagnetik berlubang

yangdikenal sebagai core, istilah yang tetapdipertahankan hingga saat ini.

Memori Utama

Random akses, yaitu data secara langsung diakses melalui logik pengalamatan wired-in

Dimungkinkannya pembacaan dan penulisan data ke memorisecara cepat dan mudah

Volatile RAM menyimpan data sementara RAM dinamik disusun oleh sel – sel yang menyimpan data

sebagai muatan listrik pada kapasitor Kapasitor memiliki kecenderungan alami untuk

mengosongkanmuatan, maka RAM dinamik memerlukan pengisian muatan listrik secara periodik untuk memelihara penyimpanan data Biasanya untuk operasi data besar

RAM statik, nilai biner disimpan dengan menggunakan konfigurasi gate logika flipflop tradisionalMenyimpan data selama ada daya listriknya Lebih cepat dibanding RAM dinamik

Jenis Memori Random Akses

Read Only Memory Sangat berbeda dengan RAM Data Permanen, tidak bisa

diubah Keuntungannya untuk data yang permanen,Kerugiaannya apabila ada kesalahan data atau adanya perubahan data sehingga perlu penyisipan –penyisipan

PROM’ Programmable ROM

non-volatileTiga macam jenisEPROM (erasable,data dpt dihapus & data baru di load)EEPROM (isi dihapus dengan sinar ultraviolet.flash memory (kapasitas tinggi,biaya rendah per-bit)

ROM-PROM

electrically erasable programmable read onlymemory

memori yang dapat ditulisi kapan saja tanpamenghapus isi sebelumnya.

EEPROM menggabungkan kelebihan non-volatile dengan fleksibilitas dapat di-update

EEPROM

Alamat word yang sedang diakses. Untuk 1M word,diperlukan sejumlah 20 buah (220 = 1M).

Data yang akan dibaca, terdiri dari 8 saluran (D0 –D7) Catu daya keping adalah Vcc Pin grounding Vss Pin chip enable (CE). Karena mungkin terdapat lebih

dari satu keping memori yang terhubung pada bus yang sama maka pin CE digunakan untuk mengindikasikan valid atau tidaknya pin ini. Pin CE diaktifkan oleh logik yang terhubung dengan bit berorde tinggi bus alamat ( diatas A19)

Tegangan program (Vpp).

Pengemasan (Packging)

Dalam melaksanakan fungsi penyimpanan, memori semikonduktor dimungkinkan mengalami kesalahan.

Kesalahan berat yang biasanya merupakan kerusakan fisik memori

Kesalahan ringan yang berhubungan data yangdisimpan.

Kesalahan ringan dapat dikoreksi kembali. Koreksi kesalahan data yang disimpan diperlukan

dua mekanismeMekanisme pendeteksian kesalahanMekanisme perbaikan kesalahan

Koreksi Error

Diciptakan Richard Hamming di Bell Lab 1950

Mekanisme pendeteksian kesalahan denganmenambahkan data word (D) dengan suatukode, biasanya bit cek paritas (C).

Data yang disimpan memiliki panjang D + C.

Kesalahan diketahui dengan menganalisa data dan bit paritas tersebut

Kode Hamming

Bit cek paritas ditempatkan dengan perumusan 2N dimanaN = 0,1,2, ……, sedangkan bit data adalah sisanya.Kemudian dengan exclusive-OR dijumlahkan:

C1 = D1+D2 + D4 + D5 + D7 C2 = D1+D3 + D4 + D6+D7 C4 = D2+D3 + D4 + D8 C8 = D5 +D6 +D7 +D8

Setiap cek bit (C) beroperasi pada setiap posisi bit data yang nomor posisinya berisi bilangan 1 pada kolomnya

Kode Hamming

masukkan data : 00111001 kemudian ganti bit data ke 3 dari 0 menjadi 1 sebagai error-nya.

Bagaimanakah cara mendapatkan bit data ke 3 sebagai bit yang terdapat error?

Jawab : Masukkan data pada perumusan cek bit paritas : C1 = 1 + 0 + 1 + 1 + 0 = 1 C2 = 1 + 0 + 1 + 1 + 0 = 1 C4 = 0 + 0 + 1 + 0 = 1 C8 = 1 + 1 + 0 + 0 = 0

Sekarang bit 3 mengalami kesalahan data menjadi: 00111101

C1 = 1 + 0 + 1 + 1 + 0 = 1 C2 = 1 + 1 + 1 + 1 + 0 = 0 C4 = 0 + 1 + 1 + 0 = 0 C8 = 1 + 1 + 0 + 0 = 0

Apabila bit – bit cek dibandingkan antara yang lama dan baru maka terbentuk syndrom word :

C8 C4 C2 C1

0 1 1 1 0 0 0 1

____________ 0 1 1 0 = 6 Sekarang kita lihat posisi bit ke-6 adalah data

ke-3.

Mekanisme koreksi kesalahan akanmeningkatkan realibitas bagi memori

Menambah kompleksitas pengolahan data. Menambah kapasitas memori karena adanya

penambahan bit – bit cek paritas. Memori akan lebih besar beberapa persen

atau dengan kata lain kapasitas penyimpanan akan berkurang karena beberapa lokasi digunakan untuk mekanisme koreksi kesalahan

Mempercepat kerja memori sehingga mendekati kecepatan prosesor.

Memori utama lebih besar kapasitasnya namun lambat operasinya, sedangkan cache memori berukuran kecil namun lebih cepat.

Cache memori berisi salinan memori utama Ukuran cache memori adalah kecil, semakin

besar kapasitasnya maka akan memperlambat proses operasi cache memori itu sendiri, disamping harga cache memori yang sangat mahal

Cache Memori

AMD mengeluarkan prosesor K5 dan K6 dengancache yang besar (1MB), kinerjanya tidak bagus

Intel mengeluarkan prosesor tanpa cache untukalasan harga yang murah, yaitu seri Intel Celeron pada tahun 1998-an, kinerjanya sangat buruk terutama untuk operasi data besar,floating point, 3D

Sejumlah penelitian telah menganjurkan bahwaukuran cache antara 1KB dan 512KB akan lebihoptimum [STA96]

Kapasitas Cache

Hubungan antara ukuran blok dan hit ratiosangat rumit untuk dirumuskan, tergantungpada karakteristik lokalitas programnya dantidak terdapat nilai optimum yang pasti telahditemukan.

Ukuran antara 4 hingga 8 satuan yang dapatdialamati (word atau byte) cukup beralasanuntuk mendekati nilai optimum [STA96]

Ukuran Blok Cache

Cache mempunyai kapasitas yang kecildibandingkan memori utama.

Aturan blok – blok mana yang diletakkan dalam cache.

Terdapat tiga metode, yaitu pemetaanlangsung, pemetaan asosiatif, dan pemetaanasosiatif set

Pemetaan (Cache)

Teknik paling sederhana, yaitu teknik ini memetakan blok memori utama hanya ke sebuah saluran cache saja

i = j modulus m dan m = 2rdimana :i = nomer saluran cachej = nomer blok memori utamam = jumlah saluran yang terdapat dalam cache

Pemetaan Langsung

Mengatasi kekurangan pemetaan langsung Tiap blok memori utama dapat dimuat ke sembarang

saluran cache. Alamat memori utama diinterpretasikan dalam field tag

dan field word oleh kontrol logika cache. Tag secara unik mengidentifikasi sebuah blok memori

utama Mekanisme untuk mengetahui suatu blok dalam cache

dengan memeriksa setiap tag saluran cache oleh kontrol logika cache.

Fleksibilitas dalam penggantian blok baru yang ditempatkan dalam cache

Kelebihan : Algoritma penggantian dirancang untuk memaksimalkan hit ratio, yang pada pemetaan langsung terdapat kelemahan

Kekurangan : kompleksitas rangkaian sehingga mahal secaraekonomi

Pemetaan Assosiatif

Menggabungkan kelebihan yang ada pada pemetaan langsung dan pemetaan asosiatif.

Memori cache dibagi dalam bentuk set–set. Alamat memori utama diinterpretasikan dalam tiga field,

yaitu: field tag, field set, field word. Setiap blok memori utama dapat dimuat dalam sembarang

saluran cache. Cache dibagi dalam v buah set, yang masing –masing terdiri

dari k saluran m = v x k

i = j modulus v dan v = 2d dimana :i = nomer set cachej = nomer blok memori utamam = jumlah saluran pada cache

Pemetaan Assosiatif Set

Suatu mekanisme pergantian blok–blok dalam memori cache yang lama dengan data baru

Pemetaan langsung tidak memerlukan algoritma ini

Pemetaan asosiatif dan asosiatif set, berperanan penting meningkatkan kinerja cache memori

Algorithma Penggantian

Algoritma Least Recently Used (LRU), yaitu menggantiblok data yang terlama berada dalam cache dan tidakmemiliki referensi. (EFEKTIF)

Algoritma First In First Out (FIFO), yaitu mengganti blok data yang awal masuk

Algorithma Least Frequently Used (LFU) adalahmengganti blok data yang mempunyai referensi paling sedikit.

Algoritma Random, yaitu penggantian tidak berdasakan pemakaian datanya, melainkan berdasar slot dari beberapa slot kandidat secara acak

Algorithma Penggantian

Apabila suatu data telah diletakkan pada cache makasebelum ada penggantian harus dicek apakah datatersebut telah mengalami perubahan.

Apabila telah berubah maka data pada memori utama harus di-update.

Masalah penulisan ini sangat kompleks, apalagi memori utama dapat diakses langsung oleh modul I/O, yang memungkinkan data pada memori utama berubah, lalu bagaimana dengan data yang telah dikirim pada cache?

Tentunya perbedaan ini menjadikan data tidak valid

Write Policy – Mengapa ?

Operasi penulisan melibatkan data pada memori utama dan sekaligus pada cache memori sehingga data selalu valid.\

Kekurangan teknik ini adalahLalu lintas data ke memori utama dan cache sangat tinggiMengurangi kinerja sistem, bisa terjadi hang

Write Policy –”write through”

Teknik meminimasi penulisan dengan carapenulisan pada cache saja.

Pada saat akan terjadi penggantian blok datacache maka baru diadakan penulisan padamemori utama.

Masalah : manakala data di memori utamabelum di-update telah diakses modul I/Osehingga data di memori utama tidak valid

Write Policy –”write back “

Multi cache untuk multi prosesorMasalah yang lebih kompleks.

Masalah validasi data tidak hanya antara cache dan memori utamaAntar cache harus diperhatikan

Write Policy-Multi cache

Cache Internal : dalam chipTidak memerlukan bus eksternal Waktu aksesnya akan cepat sekali

Cache Eksternal : diluar chipCache tingkat 2 (L2)

Cache data Cache instruksi yang disebut unified cache Keuntungan unified cache :

Hit rate yang tinggi karena telah dibedakan antara informasi data dan informasi instruksiHanya sebuah cache saja yang perlu dirancang dandiimplementasikan

Cache

split cacheMesin–mesin superscalar seperti Pentium danPowerPCMenekankan pada paralel proses dan perkiraan –perkiraan eksekusi yang akan terjadi.

Kelebihan utama split cacheMengurangi persaingan antara prosesor instruksi dan unit eksekusi untuk mendapatkan cache, hal ini sangat utama bagi perancangan prosesor–prosesor pipelining