ARSITEKTUR DAN ORGANISASI KOMPUTER
Aditya Wikan Mahastama
UNIV KRISTEN DUTA WACANA – GENAP 1213
5
Memori dalam CPU: Register dan Cache
• A processor register is a small amount of storage available as part of a CPU or other digital processor
• Such registers are (typically) addressed by
mechanisms other than main memory and can be accessed more quickly register naming • Almost all computers load data from a larger
memory into registers where it is used for arithmetic, manipulated, or tested, by some
machine instruction
• User Accessible Registers: bisa diakses
langsung oleh pengguna melalui instruksi bahasa mesin/assembly, biasanya
pengalamatannya dinamakan X, Y, Z, dsb.
• Data Registers: register yang digunakan untuk menampung data berupa bilangan maupun instruksi, biasanya integer. Untuk pecahan ada FP (Floating Point) register
• Address Registers: register yang hanya dapat
menampung sebuah alamat
• PC: Program Control Register • AC: Accumulator Register
• IR: Instruction Register
• MAR: Memory Address Register
• MBR: Memory Buffer Register • AX, BX, CX, DX
• Sebagian program mempunyai instruksi yang
cenderung mengambil data dari alamat yang sama berkali-kali.
Misal: menyimpan variabel, kemudian dilakukan loop.
• Kalau untuk data yang sama harus mencari lokasi alamat ke memory lagi, berarti buang-buang waktu • Bagaimana seandainya data yang sering diakses,
disimpan di dalam memory, tetapi harus static (punya jalur langsung ke CPU), agar lebih cepat Cache
• Sejumlah kecil memory berkecepatan tinggi
• Terdiri dari slot-slot berukuran masing-masing satu
block memory
• Satu block biasanya terdiri dari 4 s/d 16 words • Bekerja antara main memory dan CPU
• Bisa terletak di chip CPU atau pada modul tersendiri
CACHE
BAGAIMANA CACHE BEKERJA?
• Saat CPU meminta alamat sebuah lokasi memory, cache dicek untuk data tersebut
• Kalau ada, ambil dari cache (cepat)
• Kalau tidak ada, ambil data dari memory, simpan ke dalam slot cache, kemudian teruskan data dari cache ke CPU
• Pada saat menyimpan ke slot, cache memberikan tag dari blok memory mana data tersebut
• Semakin besar cache, semakin bagus,
karena akses data akan semakin cepat
• Tapi untuk membuat cache yang besar,
biayanya akan sangat mahal
• Cache akan selalu berukuran kecil, dan
hanya menyimpan data-data berfrekuensi
akses tinggi saja.
• Akan selalu butuh metode
MAPPING
• Akan selalu butuh
WRITE POLICY
• Satu word data dari main memory akan di-mapping ke satu slot/baris cache
Alamat main memory akan dibagi menjadi:
• w bit LSB mewakili nomor word dalam 1 block • s bit MSB mewakili block
• MSB kemudian diambil r bit sebagai penanda baris cache, sisanya (s-r) sebagai tag
(penanda)
Tag s-r Line or Slot r Word w
8 14 2
• 24 bit address
• 2 bit word identifier (4 word per block)
• 22 bit block identifier – 8 bit tag (=22-14)
– 14 bit slot or line
• Check contents of cache by finding LINE and
checking TAG
Tag s-r Line or Slot r Word w
8 14 2
DIRECT MAPPING – Asal Pembagian Bit
Line Tag Data
0000 0001 0010 0011 . . . CACHE Jumlah baris cache
Block pengiriman RAM
Jumlah word
• Simpel & sederhana • Tidak boros
resource
• Alamat mapping tiap word ke cache sama • Kalau ada beberapa
blok berbeda yang menempati line/slot yang sama, peluang CACHE MISS lebih besar
• Panjang alamat = (s + w) bits
• Jumlah unit yang dapat dialamati = 2s+w
words or bytes
• Besar blok = besar baris = 2w words or bytes
• Jumlah blok pada main memory = 2s+ w/2w =
2s
• Jumlah baris di cache = m = 2r
• Ukuran tag = (s – r) bits
• Satu word data dari main memory akan di-mapping ke satu slot/baris cache
Alamat main memory akan dibagi menjadi:
• w bit LSB mewakili nomor word dalam 1 block • s bit MSB sebagai Tag yang mewakili 1 block • Tag disimpan sebagai penanda dari block
mana di memory, data tersebut berasal.
Tag 22 bit Word2 bit
• 24 bit address
• 2 bit word identifier (4 word per block) • 22 bit tag identifier
• Check contents of cache by finding TAG
• Lebih banyak bit
yang disimpan sebagai penanda
• Lebih boros resource karena harus mencari dari line paling atas dengan mencocokkan tiap-tiap tag
• Panjang alamat = (s + w) bits
• Jumlah unit yang dapat dialamati = 2s+w
words or bytes
• Besar blok = Besar baris = 2w words or
bytes
• Jumlah blok di main memory = 2s+ w/2w = 2s
• Jumlah baris di cache = bebas • Ukuran tag = s bits
• Satu word data dari main memory akan
di-mapping ke slot mana saja di cache dalam
baris set yang sama
Alamat main memory akan dibagi menjadi:
• w bit LSB mewakili nomor word dalam 1
block
• s bit MSB mewakili block
• MSB kemudian diambil r bit sebagai
penanda baris set cache, sisanya (s-r)
sebagai
tag
(penanda)
• 24 bit address
• 2 bit word identifier (4 word per block) • 22 bit block identifier
– 9 bit tag (=22-13)
– 13 set number, each having 2 slots
• Check contents of cache by finding SET and checking TAG
Tag 9 bit Set 13 bit Word
2 bit
SET ASSOCIATIVE MAPPING – Struktur
Alamat
Tag 9 bit Set 13 bit Word 2 bit
SET ASSOCIATIVE MAPPING – Asal Pembagian Bit
Tag Data
CACHE
Jumlah baris (set)
cache Block pengiriman
RAM Jumlah word Tag Data Set 0000 0001 0010 0011 . . . ways
• Menggabungkan kelebihan direct mapping dan associative mapping
• Panjang Alamat = (s + w) bits
• Jumlah unit yang bisa dialamatkan = 2s+w
words or bytes
• Besar blok = besar baris = 2w words or bytes
• Jumlah blok di main memory = 2d
• Jumlah baris dalam sebuah set = k • Jumlah set = v = 2d
• Jumlah baris dalam satu cache = kv = k * 2d
• Ukuran tag = (s – d) bits
• Tidak ada pilihan
• Tiap word dari sebuah blok hanya dapat
terpetakan pada satu baris tertentu
• Jika ada data baru yang akan disimpan dalam cache, replace baris tersebut
ALGORITMA REPLACEMENT
– Direct Mapping
• Implementasi algoritma bisa langsung secara hardware (cepat)
• Least Recently Used (LRU)
Misal pada 2 way set associative
– Mana dari kedua slot yang is LRU? • First In First Out (FIFO)
– Replace slot yang paling lama berada di cache • Least Frequently Used (LFU)
– Replace slot yang memiliki hit paling rendah • Random
ALGORITMA REPLACEMENT
• Mengapa butuh write policy? Karena bisa saja data yang tadi diload ke cache,
terupdate oleh proses di CPU
• Demi keamanan data, jangan overwrite isi cache kecuali jika main memory sudah di-update
• Agar tidak berebut, multiple CPU (satu komputer dengan > 1 CPU, yang dapat
berupa CPU terpisah maupun multi-core)
bisa memiliki cache masing-masing
• Write terhadap update data dilakukan baik ke main memory maupun cache
• CPU bisa memonitor traffic main memory untuk menjaga agar cache selalu up to date
• Kekurangan:
– Traffic data
– Memperlambat proses write
• Write terhadap update data, awalnya hanya dilakukan pada data di cache (update bit
pada baris cache di-set ketika terjadi update)
• Jika slot data tersebut akan terkena replace,
baru tuliskan update ke main memory • Sisi negatif:
– Cache terlambat tersinkronisasi
– I/O harus mengakses main memory melewati cache
– 15% pembacaan memory adalah write
• 80386 – no on chip cache
• 80486 – 8k using 16 byte lines and four way set associative organization
• Pentium (all versions)
– two on-chip L1 caches for Data & instructions • Pentium 4 – L1 caches
– 8k bytes
– 64 byte lines
– four way set associative
• L2 cache
– Feeding both L1 caches- 256k – 128 byte lines
– 8 way set associative
Topik Berikutnya: Program dan Interrupt
