Aditya Wikan Mahastama

(1)

ARSITEKTUR DAN ORGANISASI KOMPUTER

Aditya Wikan Mahastama

mahas@ukdw.ac.id

UNIV KRISTEN DUTA WACANA – GENAP 1213 v2

3

Pengantar Memory dan Memory Internal

(2)

• A chipset is a set of electronic

components in an integrated circuit that manage the data flow between the processor, memory and peripherals, e.g. Determining each bus’ speed comparable to the system clock. • Chipsets are usually designed to work with a specific family of microprocessors. • Because it controls communications between the processor and external devices, the chipset plays a crucial role in determining system performance.

Tambahan Topik Bus: tentang Chipset

Main chipset components on a motherboard • Chipset can limit implementation of instructions known to CPU, due to hardware limitations.

(3)

Arus Data Dalam Komputer

Memori (RAM) Memori (RAM) CPU CPU Storage Storage External Devices External Devices Program, Data Program, Data, Alamat Data, Control, Alamat Control, data alamat periferal, alamat memori Data, Interrupt Data, Control, Alamat Modul I/O Modul I/O Data, Control Data DMA Data, Interrupt Control, data alamat periferal Data Instruksi dari CPU: ‐Dikirim sebagai control signal (read, write) ‐Instruksi lainnya dikirim dalam bentuk bahas mesin melewati jalur data yang akan diartikan oleh controller peripheral

(4)

Overview: Bagaimana Program Dijalankan?

Memori (RAM) CPU Instruksi Bahasa Assembly /Mesin, Data Instruksi Bhs. Assembly/ Mesin (dapat memuat alamat), Data Data, Control, Alamat Data, Control, Alamat Sistem Operasi Sistem Operasi Storage Storage Pertama‐tama, user program dalam bentuk instruksi, akan diload dari storage ke memori Sistem operasi: sebuah perangkat lunak yang berada di memory selama komputer bekerja, bertugas sebagai perantara dan pengatur (manager) proses kerja sama seluruh perangkat lunak dan perangkat keras. Contoh tugasnya adalah mengatur penyimpanan program dalam wujud instruksi dari storage ke memory, supaya dapat dijalankan secara urut oleh CPU

(5)

Overview: Bagaimana Program Dijalankan?

Memori (RAM) CPU Instruksi Bahasa Assembly /Mesin, Data Instruksi Bhs. Assembly/ Mesin (dapat memuat alamat), Data Data, Control, Alamat Data, Control, Alamat Sistem Operasi Sistem Operasi Storage Storage Kompilasi atau interpretasi: proses menerjemahkan program dari bahasa pemrograman ke bahasa yang dimengerti mesin CPU dan Chipset (instruksi bahasa assembly atau langsung ke bahasa mesin). Hasil kompilasi berupa file bahasa mesin (EXE atau COM pada sistem Windows) yang tidak perlu diterjemahkan ulang, sedangkan interpretasi tidak menghasilkan residu terjemahan. Kompiler atau interpreter biasanya disediakan oleh editor bahasa pemrograman.

(6)

Memori (RAM) CPU Instruksi Bahasa Assembly /Mesin, Data Instruksi Bhs. Assembly/ Mesin (dapat memuat alamat), Data Data, Control, Alamat Data, Control, Alamat Sistem Operasi Sistem Operasi Storage Storage Setelah berada di RAM, tiap instruksi akan dibaca oleh CPU, disimpan sementara ke dalam register, kemudian diartikan dan dikerjakan dalam instruksi‐instruksi atomik yang sesuai dengan organisasinya. Jadi ada baiknya sebelum melihat lebih detail bagaimana sebuah program dijalankan, kita lihat terlebih dahulu soal memory yang berperan R R R

Overview: Bagaimana Program Dijalankan?

(7)

Internal Memory

• Memori yang terikat erat dengan berfungsinya

arsitektur dan organisasi sistem ybs.

External Memory

• Memori yang tidak terikat erat dengan

berfungsinya arsitektur dan organisasi sistem ybs.,

lebih berfungsi sebagai tempat menyimpan data

permanen.

Memory

(8)

Internal Memory

External Memory

Register dan Cache (berada di dalam CPU)

(9)

(10)

Semikonduktor (Chip/IC)

• Read Only Memory,

Random Access Memory,

Solid State Device, Register,

Cache

Lapisan Induktif Magnetik

• Hard Disk, Tape/Pita

Lapisan Optik Terukir

• CD, DVD

Bahan Memory

Karakteristik Bahan:

• Seberapa besar

kemungkinan rusaknya

data

• Gampang dipindahkan

atau tidak

• Bisa dihapus atau tidak

(erasable)

• Membutuhkan daya

atau tidak untuk

menyimpan data

(11)

Bagaimana Data Disimpan?

0101010101010 0101010101010 1111010101001 1111010101001 0010101010101 0010101010101 0000 0001 0010 1010100111010 1010100111010 0011 0000010101111 0000010101111 0110 Address Bus Line Address Bus Line Data Bus Line Data Bus Line Control Bus Line Control Bus Line Address Data Word • Semua data disimpan dalam bentuk bit biner • Data disimpan dalam satuan word. Tiap memori dapat memiliki ukuran word masing‐ masing • Bagaimana dengan karakter/angka desimal?

(12)

Bagaimana Data Disimpan?

0101010101010 0101010101010 1111010101001 1111010101001 0010101010101 0010101010101 0000 0001 0010 1010100111010 1010100111010 0011 0000010101111 0000010101111 0110 Address Bus Line Address Bus Line Data Bus Line Data Bus Line Control Bus Line Control Bus Line Data Word • Lebar jalur alamat (address bus) mempengaruhi jumlah ruang data yang dapat dialamati • Tidak serta merta mengikuti hardware memory 4-bit 4-bit

(13)

Bagaimana Data Disimpan?

0101010101010 0101010101010 1111010101001 1111010101001 0010101010101 0010101010101 0000 0001 0010 1010100111010 1010100111010 0011 0000010101111 0000010101111 0110 Address Bus Line Address Bus Line Data Bus Line Data Bus Line Control Bus Line Control Bus Line • Ukuran maksimum word sama dengan lebar jalur data (data bus), tetapi bisa juga lebih kecil dalam bentuk pembagian basis dua dari lebar jalur data. • Jika ukuran word lebih kecil, transfer bisa dilakukan dalam beberapa word, disebut block. 16-bit

(14)

• Tiap bagian komponen yang secara fisik digunakan

untuk menyimpan satu bit data pada sebuah

memori disebut dengan memory cell.

• Contoh memory cell:

– Satu rangkaian memory cell pada RAM – Satu ceruk pada DVD – Satu petak lapisan terinduksi magnet pada hard disk

Bagaimana Data Disimpan?

(15)

• Jika lebar jalur alamat bus adalah 8‐bit, berapa

jumlah ruang memori yang dapat dialamati, dan

berapa range indeks alamatnya?

• Jika ukuran word sebuah RAM adalah 64‐bit dan

jalur data bus yang terhubung dengannya adalah

512‐bit, berapa maksimum banyak word yang

dapat terkirim dalam satu blok?

Test Question

(16)

• _{Access time (waktu akses)}

–

Waktu yang dibutuhkan untuk mencari lokasi

data dan mengambil data

• Memory Cycle time (waktu siklus)

–

Waktu yang dibutuhkan memory untuk

“recover” sebelum akses berikutnya

–

Cycle time adalah access time + recovery time

• _{Transfer Rate (kecepatan transfer)}

–

Kecepatan perpindahan data Æ hardware

(17)

• 1. Registers

• 2. L1 Cache

• 3. L2 Cache, L3 dan seterusnya…

• 4. Main memory – RAM

• 5. Solid State Drive – SSD?

• 6. Disk cache ‐ misal di hard disk

• 7. Disk devices

• 8. Optical devices

• 9. Tape devices

(18)

• Sequential

– Mulai dari awal dan membaca (read) sesuai urutan data.

Tidak ada alamat spesifik.

– Waktu akses tergantung dari letak data dan letak pointer terakhir

– Contoh: tape (pita magnetik)

• Direct

– Setiap block memiliki alamat yang unik

– Akses dilakukan dengan melompat (jump) ke alamat block terdekat kemudian diteruskan secara sequential – Waktu akses tergantung dari letak data dan letak

pointer terakhir – Contoh: disk

(19)

• Random

– Setiap alamat menunjuk ke lokasi word yang pasti

– Waktu akses tidak tergantung dari letak data dan letak pointer terakhir

– Contoh: RAM

• Associative

– Pencarian lokasi data didasarkan pada perbandingan sebagian dari isinya atau mappingnya (located by a comparison with contents of a portion of the store)

– Waktu akses tidak tergantung dari letak data dan letak pointer terakhir

– Contoh: cache

(20)

(1)

(21)

Read Only Memory (ROM)

• Penyimpanan permanen

–

Non‐volatile

• Diprogram secara microprogramming (pemrograman

mikroprosessor)

• Biasanya untuk menyimpan:

‐

Library subroutines untuk fungsi2 sistem yang sering

dipanggil (pada masa dahulu)

‐ Systems programs (BIOS)

Berkembang penggunaannya dalam Flash Disk dan SSD

(22)

Jenis‐jenis ROM

• Program ditulis pada saat pembuatan (manufaktur) – masks Æ

tidak bisa diubah/dihapus.

• Programmable (once)

–

PROM (PROgrammable Memory) (OTP‐ROM)

–

Diprogram dengan alat khusus – biasanya di pabrik MB

• Programmable ‐ Program bisa di tulis ulang

Untuk menulis membutuhkan waktu lebih lama dari membaca

–

Erasable Programmable (EPROM)

• Dihapus dengan UV – semua isi memory

–

Electrically Erasable (EEPROM)

• Dihapus secara elektrik

dg field emission

(Fowler‐Nordheim tunneling)

– bisa per byte

–

Flash memory

• Dihapus secara elektrik

dg field emission

– bisa semua isi

memory, bisa per blok

(23)

Jenis‐Jenis ROM

EPROM

(24)

Flash Memory

• Flash memory is an electronic (i.e. no moving parts) non‐ volatile computer storage device that can be electrically erased and reprogrammed.

• Flash memory was developed from EEPROM (electrically erasable programmable read‐only memory). There are two main types of flash memory, which are named after

the NAND and NOR logic gates. The internal characteristics of the individual flash memory cells exhibit characteristics

similar to those of the corresponding gates.

• NAND type flash memory may be written and read in blocks (or pages) which are generally much smaller than the entire device. The NOR type allows a single machine word (byte) to be written or read independently.

(25)

Flash Memory

• Generally faster to read than to write

• Micron Technology

and

Sun

Microsystems

announced an SLC NAND flash

memory chip rated for 1,000,000 P/E cycles

on 17 December 2008

(26)

Random Access Memory (RAM)

–

Operasi: Baca & Tulis (Read & Write)

–

Volatile (membutuhkan daya untuk menyimpan data)

–

Sarana penyimpanan temporer saja

–

Bersifat static atau dynamic

–

Secara fisik terdiri atas sel‐sel memory, satu sel dapat

menyimpan satu bit

Operasi pada Sel-sel memory

(27)

Dynamic RAM (DRAM)

• ANALOG (Menggunakan KAPASITOR), besar kecilnya

muatan menentukan nilai data 0 atau 1

• Bit data disimpan sebagai muatan (charge) di dalam

kapasitor

• Muatan cenderung bocor (berkurang)

• Membutuhkan refreshing, meskipun dalam kondisi ada

daya (power on)

Æ Membutuhkan adanya sirkuit untuk refresh

Æ

Lebih lambat

• Konstruksi lebih sederhana, lebih murah biayanya

• Tempat yang dipakai per bitnya lebih kecil

(28)

Kapasitor

Muatan kapasitor waktu 1 0 t=1 t=2 t=3 t=4 WRITE

(29)

Bagaimana Me‐refresh DRAM

• Dengan refresh circuit yang

terintegrasi dalam controller chip, melakukan refresh tiap interval

tertentu sebelum waktu paruh yang dapat merubah data.

• Cara kerja:

1. Disable chip (chip dibuat tidak bisa diakses untuk sementara) 2. Count through rows (dilakukan per baris sel‐sel memory):

3. Read & Write back (Baca dan tulis lagi ke alamat yang sama)

• Hal ini membutuhkan waktu dan memperlambat kinerja Muatan kapasitor waktu 1 0 t=1 t=2 t=3 t=4 READ WRITE WRITE

(30)

Static RAM (SRAM)

• DIGITAL (Menggunakan rangkaian flip‐flop)

• Bits disimpan sebagai switch on/off (secara logika)

• Tidak memakai tegangan yang dapat bocor, sehingga

tidak membutuhkan refreshing selama ada daya

(powered), lebih cepat

• Konstruksi lebih rumit

• Ukuran memory cell

lebih besar

• Lebih mahal

(31)

Kesimpulan SRAM vs DRAM

• Keduanya volatile

–

Membutuhkan daya untuk menyimpan data

• Dynamic cell

–

Lebih gampang dibuat dan lebih kecil

–

Lebih padat (lebih banyak bit bisa disimpan)

–

Memungkinkan dibuat keping memory bersatuan

besar

–

Murah

–

Tapi butuh refresh

• Static cell

–

Lebih cepat, tidak butuh refresh, tapi mahal

–

Hanya untuk cache

(32)

Synchronous DRAM (SDRAM)

• Akses disinkronisasikan dengan external clock (biasanya

system clock / clock CPU)

• Pada proses pembacaan data dari RAM:

1. RAM dikirim alamat yg akan dibaca

2. RAM mencari data

Pada DRAM konvensional, CPU akan menunggu

3. Pada SDRAM, karena proses perpindahan data sudah

dijadwalkan, CPU tahu kapan data siap, sehingga CPU tidak

harus menunggu, bisa mengerjakan hal lain dulu selama

interval tunggu ‐

Column Address Strobe (CAS) latency

• Burst mode (kalau ada) membuat SDRAM dapat melakukan

stream data dengan mengirimnya dalam bentuk blok serial

• Double Data Rate (DDR)‐SDRAM mengirim data dua kali per

(33)

CAS Latency (in simple)

• _{Access time spesifik pada RAM}

clocks Controller receives read signal and address from input pin

Data lookup and retrieval from chips (“lookup between columns”) Data ready in output pin t=0 t=n

(34)

(35)

Selingan: Hendak Tahu Lebih Banyak?

• Ketika ingin tahu lebih banyak mengenai spesifikasi

hardware, lihat di mana?

(36)

Packaging

A: Address PinD: Data Pin

Vcc: Power Supply Pin CAS: Column Address

Select

Vss: Ground pin

Vpp: Program voltage pin CE: Chip enable pin

RAS: Row Address Select

(37)

Organisasi Memory

• Kenapa ada beberapa chip semikonduktor (IC) dalam

sekeping memory?

• _{SISTEM A BIT PER CHIP}

• Sekeping memory 16Mbit bisa diorganisasikan

sebagai 1M kali 16 bit words

• _{Sistem “A bit per chip” punya 16 lot x 1Mbit chip}

dengan bit pertama tiap word ada di chip 1, bit ke 2

ada di chip 2 dan seterusnya

(38)

Organisasi Memory

• Namun, sekeping memory 16Mbit juga dapat

diorganisasikan dalam 2048 x 2048 x 4bit array

(multiplexed)

• Cara ini dapat m

engurangi jumlah pin alamat

• Multiplex row address and column address • 11 pins to address (211₌₂₀₄₈₎

• Adding one more pin doubles range of values so x4 capacity

(39)

Organisasi Memory

• A Bit Per Chip

• _Multiplexed

2^4 storage words = 4 pins

(40)

RAMBUS® RDRAM

• Dahulu Diadopsi Intel untuk seri Pentium keatas

• (Tadinya) Kompetitor SDRAM & DDR Æ gagal karena

skandal

• Adalah DDR dengan Bus khusus DRAM, pertukaran data

lewat 28 kabel dengan panjang < 12 cm. CPU request data

ke controller RDRAM

• Bus mengalamati sampai 320 RDRAM chips dengan

kecepatan 1.6Gbps (480ns access time)

(41)

Ringkasan Tipe‐tipe Memory

Semikonduktor

(42)

(2)

(43)

Error Correction

• Error di memory: kerusakan data: macet di 0

atau 1, atau berubah‐ubah antara 0 dan 1

• Jenis Error: Hard Failure

–

Bersifat permanen, fisik, disebabkan penggunaan

yang tidak semestinya, cacat pabrik atau usia

• Jenis Error: Soft Error

–

Random, non‐destructive

–

Tidak permanen, disebabkan masalah power

supply

(44)

Error Correction

• CPU tahu mengubah bit yang salah jadi yang

benar:

0 jadi

1

1 jadi

0

• Masalahnya, dia tidak tahu bit mana yang

harus diubah!!

• Untuk itulah ada Hamming Error Correcting

Code (Hamming ECC)

(45)

Fungsi Error Correction

f: fungsi error correction M: data sebanyak M-bit

K: K-bit kode hasil perhitungan fungsi

Sebenarnya disimpan di memory: M-bit data + K-bit kode

(46)

Hamming Error Correcting Code

• _{Diciptakan Richard Hamming di Bell Laboratories}

pada 1950

• Mekanisme pendeteksian kesalahan dengan

menyimpan parity check bit (bit cek paritas)

bersama bit‐bit data asli sebagai penanda pola

data, untuk memeriksa apakah ada data yang

berubah

• _{Pemikiran dasar: dari serentetan bit data pasti}

bisa didapatkan sebuah ciri yang menunjukkan

keterhubungan antar data. Ciri tersebut disimpan

Hamming Error Correcting Code

• Simpan anggota himpunan yang tidak

berpotongan sebagai parity check bit

• Gunakan bit penanda yang telah disimpan dengan

membandingkan hasil perhitungan bit penanda

setelah data dibaca, untuk menentukan letak

kesalahan bit

• Dari contoh sebelumnya:

Implementasi Hamming

• Kemudian check bits yang didapat saat data

disimpan di ⊕‐kan dengan check bits saat

pembacaan.

• Bilangan biner yang didapat menunjukkan letak

bit data yang salah, kemudian bit yang salah di

NOT‐kan

(61)

Implementasi Hamming

• Contoh, Write data ke memory:

1 0 1 0 0 1 0 1

• Tentukan C:

C1 = 1 ⊕ 0 ⊕ 0 ⊕ 0 ⊕ 0

C2 = 1 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 1 ⊕ 1

C4 = 0 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 1

C8 = 0 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 1

• Hasil:

C1 = 1

C2 = 0

C4 = 0

C8 = 0

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

(62)

Implementasi Hamming

• Contoh, Read data dari memory:

1 0 1 0 1 1 0 1

• Tentukan C:

C1 = 1 ⊕ 0 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 0

C2 = 1 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1

C4 = 0 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1

C8 = 0 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 1

• Hasil:

C1 = 0

C2 = 1

C4 = 1

C8 = 0

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

(63)

Implementasi Hamming

• _{Hasil Parity Check bit Write dan Read di‐XOR kan}

C8

C4

C2

C1

0

1

0

1

0 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ ⊕

0

1

• _{Desimal dari 0111 =}

₇

• Posisi bit ke

7 dari data yang sudah tersisipkan oleh Parity

(64)

Implementasi Hamming

• _{Desimal dari 0111 =}

₇

• Posisi bit ke

7 dari data yang sudah tersisipkan oleh Parity

Check Bit adalah

D4

• _Data Read:

D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

1

0

1

0

1

0

1

• _{Data yang Benar:}

1

0

1

0

1

0

1

(65)

(3)

(66)

(67)

Operasi pada DRAM

• Address line aktif ketika sebuah bit dibaca/ditulis

– Switch transistor ditutup (arus mengalir)

• Write (Tulis)

– Beri voltase (tegangan) ke bit line

• Tinggi untuk 1, rendah untuk 0

– Kemudian beri sinyal ke address line

• Tegangan diteruskan ke kapasitor

• Read (Baca)

– Address line dipilih

• transistor menjadi on

– Tegangan dari kapasitor disalurkan ke sense amplifier melalui bit line

• Bandingkan dengan nilai referensi untuk menentukan

apakah tegangan termasuk 0 or 1

(68)

(69)

Cara Kerja Static RAM

• Penataan transistor menghasilkan sebuah kondisi logika

(logic state) yang stabil

• State 1

–

₂

high, C

₁

low

–

T

₂

T

₃

off, T

₁

T

₄

on

• Mau baca/tulis: Address line transistor T

₅

T

₆

di‐on kan

• Write – apply value to B & compliment to B

• Read – value is on line B

(70)

Cara Akses 16 Mbit DRAM (4M x 4)

RAS: Row Address Select CAS: Column Address Select WE: Write Enable

(71)

Organisasi

Modul Memory

Seandainya sebuah chip RAM hanya berkapasitas 1 bit per wordnya, maka akan

dibutuhkan sejumlah n-chip untuk menampung sebuah word berukuran n-bit.

Jika 1 word berukuran 8-bit, maka Dibutuhkan 8 buah chip dalam satu modul

Contoh di kanan:

1 chip terorganisasi dalam 512 baris x 512 kolom x 1 bit

Untuk itu pengalamatannya membutuhkan 18 bit (29 _{x 2}9₎

(512 = 29₎

(72)

Organisasi Modul Memory (2)

(73)

• Topik Berikutnya:

• Memori Eksternal (belajar mandiri) Buatlah paper berkelompok mengenai External Memory: Apa saja jenis yang anda ketahui, kemudian dari tiap jenis terangkan: Apa bahan pembuatnya, bagaimana data disimpan dalam tiap‐tiap memory cellnya, apa kelebihan dan kekurangannya, bagaimana performanya, adakah saran pengembangan dari kelompok anda untuk jenis memory tersebut. Cantumkan pustaka yang anda gunakan. Bawalah minggu depan dalam bentuk hard copy, kumpulkan, kemudian dari saya akan menunjuk secara acak anggota tiap kelompok untuk menjawab pertanyaan berdasarkan isi paper yang anda buat. • Memory‐memory dalam Prosesor