29 Des 2012

Memori

Memori adalah bagian dari komputer tempat program – program dan data – data
disimpan. Bebarapa pakar komputer (terutama dari Inggris) menggunakan istilah store atau
storage untuk memori, meskipun kata storage sering digunakan untuk menunjuk ke penyimpanan
disket. Tanpa sebuah memori sebagai tempat untuk mendapatkan informasi guna dibaca dan
ditulis oleh prosesor maka tidak akan ada komputer – komputer digital dengan sistem
penyimpanan program.
Walaupun konsepnya sederhana, memori komputer memiliki aneka ragam jenis,
teknologi, organisasi, unjuk kerja dan harganya. Dalam bab ini akan dibahas mengenai memori
internal dan bab selanjutnya membahas memori eksternal. Perlu dijelaskan sebelumnya
perbedaan keduanya yang sebenarnya fungsinya sama untuk penyimpanan program maupun data.
Memori internal adalah memori yang dapat diakses langsung oleh prosesor. Sebenarnya terdapat
beberapa macam memori internal, yaitu register yang terdapat di dalam prosesor, cache memori
dan memori utama berada di luar prosesor. Sedangkan memori eksternal adalah memori yang
diakses prosesor melalui piranti I/O, seperti disket dan hardisk.
4.1 Operasi Sel Memori
Elemen dasar memori adalah sel memori. Walaupun digunakan digunakan sejumlah
teknologi elektronik, seluruh sel memori memiliki sifat – sifat tertentu :
• Sel memori memiliki dua keadaan stabil (atau semi-stabil), yang dapat digunakan untuk
merepresentasikan bilangan biner 1 atau 0.
• Sel memori mempunyai kemampuan untuk ditulisi (sedikitnya satu kali).
• Sel memori mempunyai kemampuan untuk dibaca.
Gambar 4.1 menjelaskan operasi sel memori. Umumnya sel memori mempunyai tiga
terminal fungsi yang mampu membawa sinyal listrik. Terminal select berfungsi memilih operasi
tulis atau baca. Untuk penulisan, terminal lainnya menyediakan sinyal listrik yang men-set
BAB
4 Memori
28
keadaan sel brnilai 1 atau 0, sedangkan untuk operasi pembacaan, terminal ini digunakan sebagai
keluaran.
Gambar 4.1 Operasi sel memori
4.2 Karakteristik Sistem Memori
Untuk mempelajari sistem memori secara keseluruhan, harus mengetahui karakteristik –
karakteristik kuncinya. Karakteristik penting sistem memori disajikan dalam tabel 4.1 berikut :
Tabel 4.1 Karakteristik penting sistem memori komputer
Karakteristik Macam/ Keterangan
Lokasi 1. CPU
2. Internal (main)
3. External (secondary)
Kapasitas 1. Ukuran word
2. Jumlah word
Satuan transfer 1. Word
2. Block
Metode akses 1. Sequential access
2. Direct access
3. Random access
4. Associative access
Kinerja 1. Access time
2. Cycle time
3. Transfer rate
Tipe fisik 1. Semikonduktor
2. Magnetik
Karakteristik fisik 1. Volatile/nonvolatile
2. Erasable/nonerasable
Dilihat dari lokasi, memori dibedakan menjadi beberapa jenis, yaitu register, memori
internal dan memori eksternal. Register berada di dalam chip prosesor, memori ini diakses
29
langsung oleh prosesor dalam menjalankan operasinya. Register digunakan sebagai memori
sementara dalam perhitungan maupun pengolahan data dalam prosesor. Memori internal adalah
memori yang berada diluar chip prosesor namun mengaksesannya langsung oleh prosesor.
Memori internal dibedakan menjadi memori utama dan cache memori. Memori eksternal dapat
diakses oleh prosesor melalui piranti I/O, memori ini dapat berupa disk maupun pita.
Karakteristik lainnya adalah kapasitas. Kapasitas memori internal maupun eksternal
biasanya 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.
Karakteristik berikutnya adalah satuan tranfer. Bagi memori internal, satuan tranfer sama
dengan jumlah saluran data yang masuk ke dan keluar dari modul memori. Jumlah saluran ini
sering kali sama dengan panjang word, tapi dimungkinkan juga tidak sama. Tiga konsep yang
berhubungan dengan satuan transfer :
• Word, merupakan satuan “alami” organisasi memori. Ukuran word biasanya sama
dengan jumlah bit yang digunakan untuk representasi bilangan dan panjang instruksi.
• Addressable units, pada sejumlah sistem, adressable units adalah word. Namun terdapat
sistem dengan pengalamatan pada tingkatan byte. Pada semua kasus hubungan antara
panjang A suatu alamat dan jumlah N adressable unit adalah 2A =N.
• Unit of tranfer, adalah jumlah bit yang dibaca atau dituliskan ke dalam memori pada
suatu saat. Pada memori eksternal, tranfer data biasanya lebih besar dari suatu word,
yang disebut dengan block.
Perbedaan tajam yang terdapat pada sejumlah jenis memori adalah metode access-nya. Terdapat
empat macam metode :
• Sequential access, memori diorganisasi menjadi unit – unit data yang disebut record.
Akses harus dibuat dalam bentuk urutan linier yang spesifik. Informasi mengalamatan
yang disimpan dipakai untuk memisahkan record – record dan untuk membantu proses
pencarian. Terdapat shared read/write mechanism untuk penulisan/pembacaan
memorinya. Pita magnetik merupakan memori yang menggunakan metode sequential
access.
• Direct access, sama sequential access terdapat shared read/write mechanism. Setiap
blok dan record memiliki alamat unik berdasarkan lokasi fisiknya. Akses dilakukan
langsung pada alamat memori. Disk adalah memori direct access.
• Random access, setiap lokasi memori dipilih secara random dan diakses serta dialamati
secara langsung. Contohnya adalah memori utama.
30
• Associative access, merupakan jenis random akses yang memungkinkan pembandingan
lokasi bit yang diinginkan untuk pencocokan. Jadi data dicari berdasarkan isinya bukan
alamatnya dalam memori. Contoh memori ini adalah cache memori yang akan dibahas
di akhir bab ini.
Berdasarkan karakteristik unjuk kerja, memiliki tiga parameter utama pengukuran unjuk kerja,
yaitu :
• Access time, bagi random access memory, waktu akses adalah waktu yang dibutuhkan
untuk melakukan operasi baca atau tulis. Sedangkan untuk memori non-random akses
merupakan waktu yang dibutuhkan dalam melakukan mekanisme baca atau tulis pada
lokasi tertentu.
• Memory cycle time, konsep ini digunakan pada random access memory dan terdiri dari
access time ditambah dengan waktu yang diperlukan transient agar hilang pada saluran
sinyal.
• Transfer rate, adalah kecepatan data transfer ke unit memori atau dari unit memori.
Pada random access memory sama dengan 1/(cycle time). Sedangkan untuk nonrandom
access memory dengan perumusan :
TN = waktu rata – rata untuk membaca atau menulis N bit
TA = waktu akses rata – rata
N = jumlah bit
R = kecepatan transfer dalam bit per detik (bps)
Jenis tipe fisik memori yang digunakan saat ini adalah memori semikonduktor dengan
teknologi VLSI dan memori permukaan magnetik seperti yang digunakan pada disk dan pita
magnetik.
Berdasarkan karakteristik fisik, media penyimpanan dibedakan menjadi volatile dan nonvolatile,
serta erasable dan nonerasable. Pada volatile memory, informasi akan hilang apabila
daya listriknya dimatikan, sedangkan non-volatile memory tidak hilang walau daya listriknya
hilang. Memori permukaan magnetik adalah contoh no-nvolatile memory, sedangkan
semikonduktor ada yang volatile dan non-volatile. Ada jenis memori semikonduktor yang tidak
bisa dihapus kecuali dengan menghancurkan unit storage-nya, memori ini dikenal dengan ROM
(Read Only Memory).
31
4.3 Keandalan Memori
Untuk memperoleh keandalan sistem ada tiga pertanyaan yang diajukan: Berapa banyak ?
Berapa cepat? Berapa mahal?
Pertanyaan berapa banyak adalah sesuatu yang sulit dijawab, karena berapapun kapasitas
memori tentu aplikasi akan menggunakannya. Jawaban pertanyaan berapa cepat adalah memori
harus mempu mengikuti kecepatan CPU sehingga terjadi sinkronisasi kerja antar CPU dan
memori tanpa adanya waktu tunggu karena komponen lain belum selesai prosesnya. Mengenai
harga, sangatlah relatif. Bagi produsen selalu mencari harga produksi paling murah tanpa
mengorbankan kualitasnya untuk memiliki daya saing di pasaran.
Hubungan harga, kapasitas dan waktu akses adalah :
• Semakin kecil waktu akses, semakin besar harga per bitnya.
• Semakin besar kapasitas, semakin kecil harga per bitnya.
• Semakin besar kapasitas, semakin besar waktu aksesnya.
Dilema yang dihadapi para perancang adalah keinginan menerapkan teknologi untuk
kapasitas memori yang besar karena harga per bit yang murah namun hal itu dibatasi oleh
teknologi dalam memperoleh waktu akses yang cepat. Salah satu pengorganisasian masalah ini
adalah menggunakan hirarki memori. Seperti terlihat pada gambar 4.2, bahwa semakin
menurunnya hirarki maka hal berikut akan terjadi :
• Penurunan harga/bit
• Peningkatan kapasitas
• Peningkatan waktu akses
• Penurunan 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.
Tabel 4.2 Tabel spesifikasi memori
Tipe memori Teknologi Ukuran Waktu akses
Cache Memory semikonduktor RAM 128 – 512 KB 10 ns
Memori Utama semikonduktor RAM 4 – 128 MB 50 ns
Disk magnetik Hard Disk Gigabyte 10 ms, 10MB/det
Disk Optik CD-ROM Gigabyte 300ms, 600KB/det
Pita magnetik Tape 100 MB Det -mnt, 10MB/mnt
32
Gambar 4.2 Hirarki memori
4.4 Satuan Memori
Satuan pokok memori adalah digit biner, yang disebut bit. Suatu bit dapat berisi sebuah
angka 0 atau 1. Ini adalah satuan yang paling sederhana. Memori juga dinyatakan dalam byte (1
byte = 8 bit). Kumpulan byte dinyatakan dalam word. Panjang word yang umum adalah 8, 16,
dan 32 bit.
Tabel 4.3 Tingkatan satuan memori
Symbol Number of bytes
Kilobytes Kb 2e10 1024
Megabyte Mb 2e20 1,048,576
Gigabyte Gb 2e30 1,073,741,824
Terabyte Tb 2e40 1,099,511,627,776
4.5 Memori Utama Semikonduktor
Pada komputer lama, bentuk umum random access memory untuk memori utama adalah
sebuah piringan ferromagnetik berlubang yang dikenal sebagai core, istilah yang tetap
dipertahankan hingga saat ini.
33
4.5.1 Jenis Memori Random Akses
Semua jenis memori yang dibahas pada bagian ini adalah berjenis random akses, yaitu
data secara langsung diakses melalui logik pengalamatan wired-in. Tabel 4.4 adalah daftar jenis
memori semikonduktor utama.
Hal yang membedakan karakteristik RAM (Random Access Memory) adalah
dimungkinkannya pembacaan dan penulisan data ke memori secara cepat dan mudah. Aspek lain
adalah RAM bersifat volatile, sehingga RAM hanya menyimpan data sementara. Teknologi yang
berkembang saat ini adalah statik dan dinamik. RAM dinamik disusun oleh sel – sel yang
menyimpan data sebagai muatan listrik pada kapasitor. Karena kapasitor memiliki kecenderungan
alami untuk mengosongkan muatan, maka RAM dinamik memerlukan pengisian muatan listrik
secara periodik untuk memelihara penyimpanan data. Pada RAM statik, nilai biner disimpan
dengan menggunakan konfigurasi gate logika flipflop tradisional. RAM statik akan menyimpan
data selama ada daya listriknya.
RAM statik maupun dinamik adalah volatile, tetapi RAM dinamik lebih sederhana dan
rapat sehingga lebih murah. RAM dinamik lebih cocok untuk kapasitas memori besar, namun
RAM statik umumnya lebih cepat.
Read only memory (ROM) sangat berbeda dengan RAM, seperti namanya, ROM berisi
pola data permanen yang tidak dapat diubah. Data yang tidak bisa diubah menimbulkan
keuntungan dan juga kerugian. Keuntungannya untuk data yang permanen dan sering digunakan
pada sistem operasi maupun sistem perangkat keras akan aman diletakkan dalam ROM.
Kerugiaannya apabila ada kesalahan data atau adanya perubahan data sehingga perlu penyisipan –
penyisipan.
Kerugian tersebut bisa diantisipasi dengan jenis programmable ROM, disingkat PROM.
ROM dan PROM bersifat non-volatile. Proses penulisan PROm secara elektris dengan peralatan
khusus.
Variasi ROM lainnya adalah read mostly memory, yang sangat berguna untuk aplikasi
operasi pembacaan jauh lebih sering daripada operasi penulisan. Terdapat tiga macam jenis,
yaitu: EPROM, EEPROM dan flash memory.
EEPROM (electrically erasable programmable read only memory) merupakan memori
yang dapat ditulisi kapan saja tanpa menghapus isi sebelumnya. EEPROM menggabungkan
kelebihan non-volatile dengan fleksibilitas dapat di-update.
Bentuk memori semikonduktor terbaru adalah flash memory. Memori ini dikenalkan
tahun 1980-an dengan keunggulan pada kecepatan penulisan programnya. Flash memory
menggunakan teknologi penghapusan dan penulisan elektrik. Seperti halnya EPROM, flash
34
memory hanya membutuhkan sebuah transistor per byte sehingga dapat diperoleh kepadatan
tinggi.
Tabel 4.4 Tipe – tipe memori semikonduktor
4.5.2 Pengemasan (Packging)
Gambar 4.3a menunjukkan sebuah contoh kemasan EPROM, yang merupakan keping 8
Mbit yang diorganisasi sebagai 1Mx8. Dalam kasus ini, organisasi dianggap sebagai kemasan
satu word per keping. Kemasan terdiri dari 32 pin, yang merupakan salah satu ukuran kemasan
keping standar. Pin – pin tersebut mendukung saluran – saluran sinyal beikut ini :
• 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).
Konfigurasi pin DRAM yang umum ditunjukkan gambar 4.3b, untuk keping 16 Mbit
yang diorganisasikan sebagai 4M x 4. Terdapat sejumlah perbedaan dengan keping ROM, karena
ada operasi tulis maka pin – pin data merupakan input/output yang dikendalikan oleh WE (write
enable) dan OE (output enable).
35
Gambar 4.3 Pin dan sinyal kemasan memori
Gambar 4.4 Packging SIMM
4.5.3 Koreksi Error
Dalam melaksanakan fungsi penyimpanan, memori semikonduktor dimungkinkan
mengalami kesalahan. Baik kesalahan berat yang biasanya merupakan kerusakan fisik memori
maupun kesalahan ringan yang berhubungan data yang disimpan. Kesalahan ringan dapat
dikoreksi kembali. Untuk mengadakan koreksi kesalahan data yang disimpan diperlukan dua
mekanisme, yaitu mekanisme pendeteksian kesalahan dan mekanisme perbaikan kesalahan.
Mekanisme pendeteksian kesalahan dengan menambahkan data word (D) dengan suatu
kode, biasanya bit cek paritas (C). Sehingga data yang disimpan memiliki panjang D + C.
Kesalahan akan diketahui dengan menganalisa data dan bit paritas tersebut. Mekanisme perbaikan
36
kesalahan yang paling sederhana adalah kode Hamming. Metode ini diciptakan Richard Hamming
di Bell Lab pada tahun 1950.
Gambar 4.5 Koreksi kesalahan dengan kode Hamming
Perhatikan gambar 4.5, disajikan tiga lingkaran Venn (A, B, C) saling berpotongan
sehingga terdapat 7 ruang. Metode diatas adalah koreksi kesalahan untuk word data 4 bit (D =4).
Gambar 4.5a adalah data aslinya. Kemudian setiap lingkaran harus diset bit logika 1 berjumlah
genap sehingga harus ditambah bit – bit paritas pada ruang yang kosong seperti gambar 4.5b.
Apabila ada kesalahan penulisan bit pada data seperti gambar 4.5c akan dapat diketahui karena
lingkaran A dan B memiliki logika 1 berjumlah ganjil.
Lalu bagaimana dengan word lebih dari 4 bit ? Ada cara yang mudah yang akan
diterangkan berikut. Sebelumnya perlu diketahui jumlah bit paritas yang harus ditambahkan
untuk sejumlah bit word. Contoh sebelumnya adalah koreksi kesalahan untuk kesalahan tunggal
yang sering disebut single error correcting (SEC). Jumlah bit paritas yang harus ditambahkan
lain pada double error correcting (DEC). Tabel 4.5 menyajikan jumlah bit paritas yang harus
ditambahkan dalam sistem kode Hamming.
37
Tabel 4.5 Penambahan bit cek paritas untuk koreksi kode Hamming
# Data Bits # Bit Paritas SEC # Bit Paritas DEC
8 4 5
16 5 6
32 6 7
64 7 8
128 8 9
512 9 10
Contoh koreksi kode Hamming 8 bit data :
Dari tabel 4.5 untuk 8 bit data diperlukan 4 bit tambahan sehingga panjang seluruhnya
adalah 12 bit. Layout bit disajikan dibawah ini :
Bit cek paritas ditempatkan dengan perumusan 2N dimana N = 0,1,2, ……, sedangkan bit
data adalah sisanya. Kemudian dengan exclusive-OR dijumlahkan ebagai berikut :
38
Setiap cek bit (C) beroperasi pada setiap posisi bit data yang nomor posisinya berisi bilangan 1
pada kolomnya.
Sekarang ambil contoh suatu data, misalnya 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 :
Sekarang bit 3 mengalami kesalahan sehingga data menjadi: 00111101
Apabila bit – bit cek dibandingkan antara yang lama dan baru maka terbentuk syndrom word :
Sekarang kita lihat posisi bit ke-6 adalah data ke-3.
Mekanisme koreksi kesalahan akan meningkatkan realibitas bagi memori tetapi resikonya
adalah menambah kompleksitas pengolahan data. Disamping itu mekanisme koreksi kesalahan
akan menambah kapasitas memori karena adanya penambahan bit – bit cek paritas. Jadi ukuran
memori akan lebih besar beberapa persen atau dengan kata lain kapasitas penyimpanan akan
berkurang karena beberapa lokasi digunakan untuk mekanisme koreksi kesalahan.
39
4.6 Cache Memori
Cache memori difungsikan mempercepat kerja memori sehingga mendekati kecepatan
prosesor. Konsepnya dijelaskan pada gambar 4.6 dan gambar 4.7. Dalam organisasi komputer,
memori utama lebih besar kapasitasnya namun lambat operasinya, sedangkan cache memori
berukuran kecil namun lebih cepat. Cache memori berisi salinan memori utama.
Pada saat CPU membaca sebuah word memori, maka dilakukan pemeriksaan untuk
mengetahui apakah word tersebut berada dalam cache memori. Bila ada dalam cache memori
maka dilakukan pengiriman ke CPU, bila tidak dijumpai maka dicari dalam memori utama,
selanjutnya blok yang berisi sejumlah word tersebut dikirim ke cache memori dan word yang
diminta CPU dikirimkan ke CPU dari cache memori. Karena fenomena lokalitas referensi, ketika
blok data diberikan ke dalam cache memori, terdapat kemungkinan bahwa word-word berikutnya
yang berada dalam satu blok akan diakses oleh CPU. Konsep ini yang menjadikan kinerja
memori lebih baik.
Gambar 4.6 Hubungan cache memori
Sehingga dapat disimpulkan bahwa kerja cache adalah antisipasi terhadap permintaan
data memori yang akan digunakan CPU. Apabila data diambil langsung dari memori utama
bahkan memori eksternal akan memakan waktu lama yang menyebabkan status tunggu pada
prosesor.
Ukuran cache memori adalah kecil, semakin besar kapasitasnya maka akan
memperlambat proses operasi cache memori itu sendiri, disamping harga cache memori yang
sangat mahal.
40
Gambar 4.7 Organisasi cache memori
4.7 Elemen Rancangan
Walaupun terdapat banyak implementasi cache, namun dari sisi organisasi maupun
arsitekturnya tidak banyak macamnya.
Tabel 4.6 Unsur – unsur rancangan cache memori
Unsur Macam
Kapasitas -
Ukuran blok -
Mapping 1. Direct Mapping
2. Assosiative Mapping
3. Set Assosiative Mapping
Algoritma pengganti 1. Least recently used (LRU)
2. First in first out (FIFO)
3. Least frequently used (LFU)
4. Random
Write Policy 1. Write Througth
2. Write Back
3. Write Once
Jumlah Cache 1. Singe atau dua level
2. Unified atau split
41
4.7.1 Kapasitas Cache
Menentukan ukuran memori cache sangatlah penting untuk mendongkrak kinerja
komputer. Dari segi harga cache sangatlah mahal tidak seperti memori utama. Semakin besar
kapasitas cache tidak berarti semakin cepat prosesnya, dengan ukuran besar akan terlalu banya
gate pengalamatannya sehingga akan memperlambat proses.
Kita bisa melihat beberapa merek prosesor di pasaran beberapa waktu lalu. AMD
mengeluarkan prosesor K5 dan K6 dengan cache yang besar (1MB) tetapi kinerjanya tidak bagus.
Kemudian Intel pernah mengeluarkan prosesor tanpa cache untuk alasan harga yang murah, yaitu
seri Intel Celeron pada tahun 1998-an hasil kinerjanya sangat buruk terutama untuk operasi data
besar, floating point, 3D. Intel Celeron versi berikutnya sudah ditambah cache sekitar 128KB.
Lalu berapa idealnya kapasitas cache? Sejumlah penelitian telah menganjurkan bahwa
ukuran cache antara 1KB dan 512KB akan lebih optimum [STA96].
4.7.2 Ukuran Blok
Elemen rancangan yang harus diperhatikan lagi adalah ukuran blok. Telah dijelaskan
adanya sifat lokalitas referensi maka nilai ukuran blok sangatlah penting. Apabila blok berukuran
besar ditransfer ke cache akan menyebabkan hit ratio mengalami penurunan karena banyaknya
data yang dikirim disekitar referensi. Tetapi apabila terlalu kecil, dimungkinkan memori yang
akan dibutuhkan CPU tidak tercakup. Apabila blok berukuran besar ditransfer ke cache, maka
akan terjadi :
1. Blok – blok yang berukuran lebih besar mengurangi jumlah blok yang menempati
cache. Karena isi cache sebelumnya akan ditindih.
2. Dengan meningkatnya ukuran blok maka jarak setiap word tambahan menjadi lebih
jauh dari word yang diminta, sehingga menjadi lebih kecil kemungkinannya digunakan
cepat.
Hubungan antara ukuran blok dan hit ratio sangat rumit untuk dirumuskan, tergantung
pada karakteristik lokalitas programnya dan tidak terdapat nilai optimum yang pasti telah
ditemukan. Ukuran antara 4 hingga 8 satuan yang dapat dialamati (word atau byte) cukup
beralasan untuk mendekati nilai optimum [STA96].
4.7.3 Fungsi Pemetaan (Mapping)
Telah kita ketahui bahwa cache mempunyai kapasitas yang kecil dibandingkan memori
utama. Sehingga diperlukan aturan blok – blok mana yang diletakkan dalam cache. Terdapat tiga
metode, yaitu pemetaan langsung, pemetaan asosiatif, dan pemetaan asosiatif set.
42
Pemetaan Langsung
Pemetaan langsung adalah teknik yang paling sederhana, yaitu teknik ini memetakan blok
memori utama hanya ke sebuah saluran cache saja. Gambar 4.8 menjelaskan mekanisme
pemetaan langsung.
Gambar 4.8 Organisasi cache pemetaan langsung
i = j modulus m dan m = 2r
dimana :
i = nomer saluran cache
j = nomer blok memori utama
m = jumlah saluran yang terdapat dalam cache
Fungsi pemetaan diimplementasikan dengan menggunakan alamat, yang terdiri dari tiga
field (tag, line, word), lihat gambar 4.8.
w = word, adalah bit paling kurang berarti yang mengidentifikasikan word atau byte unik
dalam blok memori utama.
s = byte sisa word yang menspesifikasi salah satu dari 2S blok memori utama. Cache
logik menginterpretasikan bit – bit S sebagai suatu tag s – r bit (bagian paling berarti
dalam alamat) dan field saluran r bit.
43
Efek pemetaan tersebut adalah blok – blok memori utama diberikan ke saluran cache seperti
berikut ini:
Jadi dalam metode ini pemetaan adalah bagian alamat blok memori utama sebagai nomer
saluran cache. Ketika suatu blok data sedang diakses atau dibaca terhadap saluran yang diberikan,
maka perlu memberikan tag bagi data untuk membedakannya dengan blok – blok lain yang dapat
sesuai dengan saluran tersebut.
Pada gambar 4.9 disajikan contoh pemetaan langsung dengan m = 16K, maka pemetaannya :
Perlu diketahui bahwa tidak ada dua buah blok yang dipetakan ke nomer saluran uang sama
memiliki tag sama. Sehingga 000000, 010000, …., FF0000 masing – masing memiliki tag 00, 01,
…., FF.
44
Gambar 4.9 Contoh pemetaan langsung
Teknik pemetaan ini sederhana dan mudah diimplementasikan, namun kelemahannya
adalah terdapat lokasi cache yang tetap bagi sembarang blok – blok yang diketahui. Dengan
demikian, apabila suatu program berulang – ulang melakukan word referensi dari dua blok yang
berbeda memetakan saluran yang sama maka blok – blok itu secara terus – menerus akan di-swap
ke dalam cache sehingga hit rasionya akan rendah.
Pemetaan Assosiatif
Pemetaan asosiatif mengatasi kekurangan pemetaan langsung dengan cara setiap 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.
45
Mekanisme untuk mengetahui suatu blok dalam cache dengan memeriksa setiap tag
saluran cache oleh kontrol logika cache. Dengan pemetaan ini didapat fleksibilitas dalam
penggantian blok baru yang ditempatkan dalam cache. Algoritma penggantian dirancang untuk
memaksimalkan hit ratio, yang pada pemetaan langsung terdapat kelemahan dalam bagian ini.
Kekurangan pemetaan asosiatif adalah kompleksitas rangkaian sehingga mahal secara ekonomi.
Gambar 4.10 Organisasi cache dengan pemetaan asosiatif
Pemetaan Assosiatif Set
Pemetaan asosiatif set menggabungkan kelebihan yang ada pada pemetaan langsung dan
pemetaan asosiatif. Memori cache dibagi dalam bentuk set – set.
Pemetaan asosiatif set prinsipnya adalah penggabungan kedua pemetaan sebelumnya.
Alamat memori utama diinterpretasikan dalam tiga field, yaitu: field tag, field set, dan field word.
Hal ini mirip dalam pemetaan langsung. Setiap blok memori utama dapat dimuat dalam
sembarang saluran cache. Gambar 4.11 menjelaskan organisasi pemetaan asosiatif set.
Dalam pemetaan asosiatif set, cache dibagi dalam v buah set, yang masing –masing
terdiri dari k saluran. Hubungan yang terjadi adalah :
m = v x k
i = j modulus v dan v = 2d dimana :
i = nomer set cache
j = nomer blok memori utama
m = jumlah saluran pada cache
46
Gambar 4.11 Organisasi cache dengan pemetaan asosiatif set
Gambar 4.12 Contoh pemetaan asosiatif set
47
Gambar 4.12 menjelaskan contoh yang menggunakan pemetaan asosiatif set dengan dua
saluran pada masing-masing set, yang dikenal sebagai asosiatif set dua arah. Nomor set
mengidentifikasi set unik dua saluran di dalam cache. Nomor set ini juga memberikan jumlah
blok di dalam memori utama, modulus 2. Jumlah blok menentukan pemetaan blok terhadap
saluran. Sehingga blok-blok 000000, 00A000,…,FF1000 pada memori utama dipetakan terhadap
set 0 cache. Sembarang blok tersebut dapat dimuatkan ke salah satu dari kedua saluran di dalam
set. Perlu dicatat bahwa tidak terdapat dua blok yang memetakannya terhadap set cache yang
sama memiliki nomor tag yang sama. Untuk operasi read, nomor set dipakai untuk menentukan
set dua saluran yang akan diuji. Kedua saluran di dalam set diuji untuk mendapatkan yang cocok
dengan nomor tag alamat yang akan diakses.
Penggunaan dua saluran per set ( v = m/2, k = 2), merupakan organisasi asosiatif set yang
paling umum. Teknik ini sangat meningkatkan hit ratio dibandingkan dengan pemetaan langsung.
Asosiatif set empat arah (v = m/4, k = 4) memberikan peningkatan tambahan yang layak dengan
penambahan harga yang relatif rendah. Peningkatan lebih lanjut jumlah saluran per set hanya
memiliki efek yang sedikit.
4.7.4 Algoritma Penggantian
Yang dimaksud Algoritma Penggantian adalah suatu mekanisme pergantian blok – blok
dalam memori cache yang lama dengan data baru. Dalam pemetaan langsung tidak diperlukan
algoritma ini, namun dalam pemetaan asosiatif dan asosiatif set, algoritma ini mempunyai
peranan penting untuk meningkatkan kinerja cache memori.
Banyak algoritma penggantian yang telah dikembangkan, namun dalam buku ini akan
dijelaskan algoritma yang umum digunakan saja. Algoritma yang paling efektif adalah Least
Recently Used (LRU), yaitu mengganti blok data yang terlama berada dalam cache dan tidak
memiliki referensi. Algoritma lainnya adalah First In First Out (FIFO), yaitu mengganti blok data
yang awal masuk. Kemudian Least Frequently Used (LFU) adalah mengganti blok data yang
mempunyai referensi paling sedikit. Teknik lain adalah algoritma Random, yaitu penggantian
tidak berdasakan pemakaian datanya, melainkan berdasar slot dari beberapa slot kandidat secara
acak.
4.7.5 Write Policy
Apabila suatu data telah diletakkan pada cache maka sebelum ada penggantian harus
dicek apakah data tersebut telah mengalami perubahan. Apabila telah berubah maka data pada
memori utama harus di-update. Masalah penulisan ini sangat kompleks, apalagi memori utama
48
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.
Teknik yang dikenalkan diantaranya, write through, yaitu operasi penulisan melibatkan
data pada memori utama dan sekaligus pada cache memori sehingga data selalu valid.
Kekurangan teknik ini adalah menjadikan lalu lintas data ke memori utama dan cache sangat
tinggi sehingga mengurangi kinerja sistem, bahkan bisa terjadi hang.
Teknik lainnya adalah write back, yaitu teknik meminimasi penulisan dengan cara
penulisan pada cache saja. Pada saat akan terjadi penggantian blok data cache maka baru
diadakan penulisan pada memori utama. Masalah yang timbul adalah manakala data di memori
utama belum di-update telah diakses modul I/O sehingga data di memori utama tidak valid.
Penggunaan multi cache terutama untuk multi prosesor adan menjumpai masalah yang
lebih kompleks. Masalah validasi data tidak hanya antara cache dan memori utama saja, namun
antar cache juga harus diperhatikan. Pendekatan penyelesaian masalah yang dapat dilakukan
adalah dengan :
• Bus Watching with Write Through, yaitu setiap cache controller akan memonitoring bus
alamat untuk mendeteksi adanya operasi tulis. Apabila ada operasi tulis di alamat yang
datanya digunakan bersama maka cache controller akan menginvalidasi data cache-nya.
• Hardware Transparency, yaitu adanya perangkat keras tambahan yang menjamin
semua updating data memori utama melalui cache direfleksikan pada seluruh cache
yang ada.
• Non Cacheable Memory, yaitu hanya bagian memori utama tertentu yang digunakan
secara bersama. Apabila ada mengaksesan data yang tidak di share merupakan
kegagalan cache.
5.2.6 Jumlah Cache
Terdapat dua macam letak cache. Berada dalam keping prosesor yang disebut on chip
cache atau cache internal. Kemudian berada di luar chip prosesor yang disebut off chip cache atau
cache eksternal.
Cache internal diletakkan dalam prosesor sehingga tidak memerlukan bus eksternal,
akibatnya waktu aksesnya akan cepat sekali, apalagi panjang lintasan internal bus prosesor sangat
pendek untuk mengakses cache internal. Cache internal selanjutnya disebut cache tingkat 1 (L1).
Cache eksternal berada diluar keping chip prosesor yang diakses melalui bus eksternal.
Pertanyaannya, apakah masih diperlukan cache eksternal apabila telah ada cache internal? Dari
49
pengalaman, masih diperlukan untuk mengantisipasi permintaan akses alamat yang belum
tercakup dalam cache internal. Cache eksternal selanjutnya disebut cache tingkat 2 (L2).
Selanjutnya terdapat perkembangan untuk memisah cache data dan cache instruksi yang
disebut unified cache. Keuntungan unified cache adalah :
• Unified cache memiliki hit rate yang tinggi karena telah dibedakan antara informasi
data dan informasi instruksi.
• Hanya sebuah cache saja yang perlu dirancang dan diimplementasikan.
Namun terdapat kecenderungan untuk menggunakan split cache, terutama pada mesin –
mesin superscalar seperti Pentium dan PowerPC yang menekankan pada paralel proses dan
perkiraan – perkiraan eksekusi yang akan terjadi. Kelebihan utama split cache adalah mengurangi
persaingan antara prosesor instruksi dan unit eksekusi untuk mendapatkan cache, yang mana hal
ini sangat utama bagi perancangan prosesor – prosesor pipelining.

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar