MATERI 1 PENGANTAR SISTEM KOMPUTER - Lanjutan

(1)

M a t e r i 1 . P e n g a n t a r S i s t e m K o m p u t e r| 21

MATERI 1 PENGANTAR SISTEM KOMPUTER -

Lanjutan

Oleh :

Muhammad Adri, S.Pd., M.T Email : mhd.adri@unp.ac.id

PENGANTAR SISTEM KOMPUTER – LANJUTAN :

Ruangk lingkup bahasan materi yang akan dibahas pada bagian ini adalah : 1.5 Hierarki Memori

1.6 Memori Cache A. Motivasi B. Prinsip Cache C. Desain Cache 1.7 Teknik Komunikasi I/O

A. Interupt-Driven I/O

B. Akses Memori Langsung (Direct Memory Access) Lisensi Dokumen:

Seluruh dokumen di e-Learning Universitas Negeri Padang, hanya digunakan untuk kalangan Internal Universitas, untuk kebutuhan Perkuliahan Online. Penggunaan dokumen ini di luar UNP tidak diizinka dan tidak diperbolehkan melakukan penulisan ulang, kecuali mendapatkan ijin terlebih dahulu dari

Penulis dan Universitas Negeri Padang.

(2)

22 | M a t e r i 1 . P e n g a n t a r S i s t e m K o m p u t e r

Materi lanjutan ini akan membahas tinjauan tentang hardwae sistem komputer, umumnya pembahasannya cukup singkat sesuai dengan asumsi bahwa para pembaca telah mengenal permasalahan dengan baik akan tetapi beberapa masalah akan di jelaskan secara mendalam mengingat pentingnya masalah tersebut bagi topik yang akan di bahas selanjutnya di dalam Modul ini.

1.5 HIERARKI MEMORI

Masalah-masalah rancangan memori komputer dapat dirangkum dalam tiga pernyataan. Berapa besar ?, berapa cepat ?, berapa mahal ?.

Pertanyaan seberapa besar merupakan pertanyaan yang bersifat terbuka, apabila terdapa kapasitas tertentu, aplikasi akan cenderung untuk menggunakannya.pertanyaan untuk seberapa cepat lebih mudah di jawab, untuk mencapai kineja yang terbesar. Memori harus mampu menyamai prosesor.

Apabila prosesor sedang meneksekusi intruksi kita tidak menginginkn prosesor harus berhenti menunggu intruksi atau operan. Pertanyaan terakhir juga perlu dipertimbangkan. Untuk sebuah sistem harga memori harus memadai dalam hubungan dengan komponen lainnya.

Seperti yang telah diperkirakan terdapaat tradeoff diantara ketiga karakteristik memory yang penting itu , harga , kapasitas dan waktu akses . setiap waktu berbagai taknologi digunakan untuk mengimplementasikan sistem-sistem memory . dalam semua spektrum teknologi , terdapat hubungan berikut ini.

 Semakin kecil waktu acces , semakin mahal harga per bit.

 Semakin besar kapasitas , semakin murah harga perbit

 Semakin besar kapasitas , semakin besar waktu acsess.

Dilema yang dihadapi para perancang cukup jelas, para perancang inggin menggunakan teknologi memori yang mampu menciptakan memori berkapasitas besar, baik di karenakan kapasitas yang diperlukan maupun karena harga perbitnya yang cukup murah, namun untuk memenuhi kinerja , perancangan perlu menggunakann memori yang kapasitasnya relatif sedikit dengan waktu akses yang cepat.

Jalan keluar dari dilema diatas tidak mengandalkan sebuah komponen memori atau teknologi saja , namun dengan menggunkan hierarki memori. Suatu

(3)

B a b 1 . P e n g a n t a r S i s t e m K o m p u t e r | 23 hierarki yang uumum ditunjukkan pada gambar 1.14 dengan semakin bawahnya hierarki, akan terjadi hal-hal berikut :

Gambar 1.14 Hirarki memori a. Semakin murah harga per bit b. Semakin besar kapasitas c. Semakin besar waktu akses

d. Semakin menurun frekuensi akses memori oleh prosesor

Jadi memori yang berukuran kecil , lebih mahal ,dan lebih cepat dilengkapi oleh memori yang berukuran besar ,lebih murah , dan lebih lambat. Kunci keberhasilan organisasi ini adalah hal yang disebutkan terakhir : menurunnya frekuensi akses .kita akan membahas konsep tersebut secara lebih mendalam saat kita membahas cache dan saat menbahas virtual memori.

Dalam contoh , misalkan 95% dari waktu akses ditemukan dalam cache (H=0/95) kemudian waktu akses rata – rata untuk mengakses sebuah word dapat dinyatakan sebagai :

(0.95)(0.1𝝁𝒔) + (0/05)(0.1 𝝁𝒔 + 1 𝝁𝒔) = 0.095 + 0.095 + 0.055 = 0.15𝝁

Prinsip ini diterapkan kedalam tingkat memori yang jumlahnya lebih dari dua buah. Perhatikan hierarki yang di tunjukan gambar 1.14 jenis memori yang tercepat, terkecil, dan termahal terdiri dari register-register yang bersifat internal terhadap prosesor. Umumnya, sebuah prosesor akan berisi beberapa lusin register seperti itu, walaupun terdapat beberapa mesin berisi ratusan register.

(4)

Turun dua tingkat ke bawah, memori utama merupakan sistem memori internal yang penting bagi sebuah komputer.

Gambar 1.15 Kinerja dari sebuah tingkatan dua tingkat sedehana

Gambar 1.16 Cache dan memori Utama

Lokasi di dalam memori memiliki alamat yang unik. Umumnya memori utama dikembangkan dengan cache yang kecepatannya lebih tinggi dan berukuran lebih kecil. Cache umumnya tidak vasibel bagi pemprogram, melainkan bagi prosesor. cache merupakan perangkat untuk mempersiapkan perpindahan antara memori dengan register prosesor yang ditunjukan untuk meningkatkan kinerja

Umumnya ketiga bentuk memori yang baru saja dijelaskan di atas bersifat volatile dan menggunakan teknologi semi konduktor. Pemakaian tiga tingkat memanfaatkan kenyataan dimana memori semikonduktor memiliki banyak ragam, yang berbeda dalam kecepatan dan harganya. Data disimpan secara lebih permanen pada perangkat penyimpanan berukuran besar umumnya digunakan oleh hard disk dan media yang dapat dipindah - pindahkan, seperti removable disk, pita magnetic, dan memori optimis, Eksternal atau nonvolatile memori juga di hubungkan sebagai memori kedua atau memori tambahan. Perangkat penyimpan tersebut digunakan untuk menampung program dan file data dan umumnya bersifat visible dengan pemrogram hanya dalam bentuk file dan record.

(5)

B a b 1 . P e n g a n t a r S i s t e m K o m p u t e r | 25 Tingkat tambahan dapat secara efektif ditambahkan ke hierarki didalam softwire Misalnya, suatu bagian memori utama dapat digunakan sebagai buffer untuk menampung sementara data yang akan di bacakan ke disk. Teknik seperti itu, kadang - kadang disebut sebagai disk cache, akan meningkatkan kinerja dengan dua cara sebagai berikut.

 Penulisan disk di kelompokkan sabagai pengganti pemindahan data yang kecil yang berjumlah banyak, kita mempunyai transfer data yang berukuran besar yang jumlahnya lebih sedikit. Pengelompokkan ini akn meningkatkan kinerja yang akan mengurangi keterlibatan prosesor.

 Sebelum melakukan peyimpanan berikutnya ke disk, sebagian data yang akan di tuliskan keluar disk dapat di referensikan oleh suatu program.

Dalam hal ini, data di cari dengan cepat dari softwire cache dan bukannya di lakukan dari disk yang lambat.

1.16 MEMORI CACHE

Walaupun tidak vasibel bagi sistem operasi,cache memori berinteraksi dengan hardware manajemen memori lainnya. Disamping itu, banyak prinsip yang digunakan didalam teknik virtual memori juga di terapkan didalam cache memori.

A. Motivasi

Pada semua siklus instruksi, prosesor mengakses memori sedikitnya satu kali, untuk membaca instruksi, dan sering kali satu kali lebih banyak atau lebih, untuk membaca operand dan/atau menyimpan hasilnya. Kecepatan eksekusi instruksi sebuah prosesor jelas dibatasi oleh waktu siklus memori.

Keterbatasan ini pada kenyataannya telah menjadi masalah penting karena ada ketidakcocokkan antar kecepatan prosesor dengan kecepatan memori utama yang telah berlangsung berkepanjangan selama ini. Apa yang kita hadapi adalah terjadinya tradeoff antara kecepatan, Harga, dan ukuran.idealnya, memori harus dibuat dengan teknologi yang sama dengan yang di pakai untuk membuat register pada prosesor, yang akan menghasilkan waktu siklus prosesor. Namun, penggunaan teknologi semacam itu merupakan strategi yang terlalu mahal biayanya. Solusinya adalah dengan memanfaatkan prinsip lokalitas dengan menyediakan memori

(6)

berukuran kecil dan berkecepatan tinggi yang berada di prosesor dan memori utama – yang dikenal sebagai cache.

B. Prinsip Cache

Cache memori ditujukan untuk memberikan kecepatan memori yang mendekati kecepatan memori yang tercepat, dan sekaligus memberikan memori semikonduktor yang berukuran besar harga yang murah. Konsep tersebut di tunjukkan pada Gambar 1.16 .

Gambar 1.17 Struktur cache/

Memori Utama.

Gambar 1.17 menjelaskan struktur sebuah sistem cache/main memori. Memori utama berisi samapai 2^𝑛words yang dapat di alamati, dengan masing –masing word memiliki sebuah alamat n-bit yang unik.

Untuk keperluan pemetaan, memori ini di anggap terdiri dari sejumlah blok yang panjangnya – tetap, yang setiap bloknya masing - masing terdiri dari K word.

Gambar 1.18 Operasi Pembacaan Cache Rancangan Cache

Gambar 1.18 menjelaskan operasi pembacaan.

Prosesor menghasilkan alamat, RA,sebuah word yang akan dibaca. Apabila berada di dalam cache, word tersebut dikirimkan ke prosesor. Apabila tidak ada didalam cache, blok

(7)

B a b 1 . P e n g a n t a r S i s t e m K o m p u t e r | 27 yang berisi word itu akan dimuatkan ke dalam cache dan kemudian word dikirimkan ke prosesor.

Masalah-masalah tersebut dapat dibagi menjadi beberapa kategori di bawah ini :

a. Ukuran cache d. Algoritma penggantian b. Ukuran blok e. Write policy

c. Fungsi pemetaan

Pertama, masalah ukuran cache. Cache yang berukuran kecil akan berpengaruh terhadap kinerja.

Kedua, masalah ukuran blok, yaitu unit data yang dipertukarkan antara cache dengan memori utama.

Ketiga, masalah fungsi pemetaan akan menentukan lokasi cache mana yang akan di isi blok tersebut.Terdapat dua kendala yang mempengaruhi fungsi pemetaan : a) kendala pertama pada saat blok di baca,blok lainya harus diganti, b) kendala kedua, semakin fleksibel sebuah fungsi pemetaan, semakin kompleks rangkaian yang diperlukan untuk mencari cache untuk memastikan blok yang dimaksud berada di dalam cache.

Keempat, masalah algoritma pengganti (Replacement Algorithm) memilih blok yang akan diganti.Kita mengingkan penggantian blok yang paling kecil kemungkinannya untuk lingkungan kembali pada waktu dekat.Walaupun tidak mungkin mengindentifikasi blok seperti itu,strateginya adalah dengan mengganti blok yang paling lama berada di dalam cache dengan tanpa ada referensi ke blok itu.

Kelima, masalah Write policy. Apabila daftar dari blok dalam cache diubah, perlu untuk menulisnya ke memori utama sebelum menggantikannya, Write policy bekerja apabila operasi memori write mengambil tempat.

1.7 TEKNIK KOMUNIKASI I/O

Terdapat tiga yang dapat diterapkan pada operasi-operasi I/O a. Progammed I/O c. Disrect memori acces (DMA) b. Interrupt-driven I/O

(8)

Gambar 1.19 Tiga Teknik untuk Input dari sebuah Blok Data

A. Programmed I/O

Pada saat prosesor sedang mengeksekusi sebuah sebuah program dan menjumpai sebuah intruksi yang berkaitan dengan I/O ,prosesor akan mengeksekusi instruksi itu dengan menerbitkan perintah ke modul I/O yang bersangkutan.pada pada programmed I/O,modul I/O melakukan aksi yang diminta dan kemudian menyetel bit yang sesuai di dalam register status I/O secara periodik sampai operasi selesai dilakukan merupakan tanggung jawab prosesor.

Dengan menggunakan teknik ini, prosesor bertanggung jawab untuk mengeluarkan data dari memori utama untuk keperluan output dan menyimpan data dari memori utama untuk keperluan output dan menyimpan data di memori utama untuk keperluan input.

(9)

B a b 1 . P e n g a n t a r S i s t e m K o m p u t e r | 29 Set intruksi meliputi intruksi-intruksi I/O yang memiliki kategori sebagai berikut

 Control : Digunakan untuk mengaktivasi perangkat eksternal dan memberitahukannya tentang apa yang harus di lakukan. Misalnya,unit pita magnetik dapat diinstruksikan untuk bergerak mundur atau maju satu record

 Status : Digunakan untuk menguji kondisi status yang berkaitan dengan modul I/O dan periferalnya

 Transfer Digunakan untuk memindahkan data antara register prosesor dengan perangkat eksternal

Gambar 1.19a merupakan contoh pemakaian programmed I/O untuk membaca blok data dari perangkat eksternal ( misalnya,record yang berasal dari pita ) ke dalam memori data dibaca word per word (misalnya,16 bit ).Pada setiap word yang dibaca,prosesor harus tetap dalam siklus status pengujian ( pemeriksaan ) sampai prosesor itu dapat menentukan bahwa word dapat diperoleh didalam register data modul I/O Diagram aliran pada Gambar 1.19a menunjukan kelemahan utama teknik ini memerlukan banyak waktu yang akan menyebabkan prosesor selau dalam keadaan sibuk terus-menerus.

B. Interrupt-Driven

Masalah yang terdapat pada programmed I/O adalah bahwa prosesor harus menuggu dalam waktu lama sampai I/O yang dimaksud siap menrima atau mentransmisikan data berikutnya . pada saat menunggu ,prosesor harus berulang- ulang memerisa status modus I/O akibatnya, tingkat kinerja sistem keseluruhan menjadi sangat terganggu.

Alternatif lainya adalah prosesor menerbitkan perintah I/O ke modul dan kemudian melanjutkan lainya setelah itu,modul I/O akan menginterupsi prosesor untuk meminta layanan pada saat modul itu

(10)

telah siap saling bertukar data dengan prosesor mengeksekusi perpindahaan data,seperti sebelumnya,dan kemudian melanjutkan proses sebelumnya.

Gambar 1.19b menjelaskan penggunaan interrupt-driven I/O untuk pembacaan blok data. Bandingkan gambar itu dengan Gambar 1.19a.

Interrupt-driven I/O lebih efisien dibandingkan dengan programmed I/O karena teknik ini menghilangkan waktu tunggu yang tidak perlu. Akan tetapi, interrupt driven I/O masih menghabiskan waktu prosesor dalam jumlah yang banyak, karena setiap word data yang berangkat dari memori menuju ke modul I/O atau yang dari modul I/O ke memori harus melalui prosesor.

C. Direct Memori Access

Walaupun lebih efisien dari programmed I/O yang sederhana, interrupt-driven I/O masih memerlukan intervensi aktif prosesor dalam memindahkan data antara memori dengan modul I/O –nya, dan perpindahan data harus melintasi suatu lintasan yang melalui prosesor. Dengan demikian, kedua bentuk I/O tersebut mengalami dua kesulitan yang tidak dapat dihindari kesulitan itu sebagai berikut.

1. Kecepatan transfer I/O dibatasi oleh kecepatan prosesor dalam memeriksa dan melayani perangkat.

2. Prosesor terikat oleh kegiatan mengatur transfer I/O; sejumlah instruksi harus dieksekusi bagi setiap perpindahan I/O.

Apabila terdapat data bervolume besa, akan dipindahkan, diperlukan teknik yang lebih efisien: direct memory acces (DMA). Fungsi DMA dapat dilakukan oleh sebuah modul terpisah yang terdapat pada bus sistem atau dengan menggabungkannya ke dalam modul I/O. Dalam kasus ini, teknik bekerjannya sebagai berikut. Pada saat akan membaca atau menulis suatu blok data, prosesor mengeluarkan perintah ke modul DMA dengan cara mengirimkan informasi berikut ini ke DMA:

 Apakah read atau write yang diminta.

 Alamat perangkat I/O yang terlibat.

(11)

B a b 1 . P e n g a n t a r S i s t e m K o m p u t e r | 31

 Lokasi awal dalam memori yang akan dibaca atau ditulis.

 Jumlah word yang akan dibaca atau ditulis.

Prosesor mendelegasikan operasi I/O ini ke modul DMA, dan modul itu akan menjaga operasi tersebut. Modul DMA memindahkan seluruh blok data,satu word per pengiriman, secara langsung ke memori atau dari memori tanpa melalui prosesor terlebih dahulu. Apabila perpindahan itu telah selesai, modul DMA mengirimkan signal interrupt ke prosesor. Dengan demikian, prosesor hanya dilibatkan pada awal dan akhir perpindahan data (Gambar 1.19c).

REFERENSI UTAMA :

Hennessy, John L and Patterson, David. (2011). Computer Architecture : A Quantitative Approach, 5^th Edition, New Jersey : Morgan Kaufmann

Kifer, Michael and Smolka, Scott A. (2007). Introduction to Operating System Design and Implementation, The OSP Approach, New York : Springer Naghibzadeh, Mahmoud. (2005). Operating System, Concept and Techniques,

New York : iUniverse, Inc.

Patterson, David Hennessy and John L. (2014). Computer Organization and Design : The Hardware/ Software Interface, 5^th Edition, Oxford : Morgan Kaufmann

Silberschatz et.al (2014). Operating System Concept Essentials, 2^nd Edition, New Jersey, USA : John Wiley & Sons, Inc

Stalling, William. (2012). Operating Systems : Internals and Design Principles, 7^th Edition, Boston, USA : Prentice-Hall.Inc

Stalling, William. (2013). Computer Organization and Architecture: Designing for Performance, 9th Edition, New Jersey : Prentice-Hall, Inc.

Tanenbaum , Andrew S. and Austin, Tod. (2013). Structured Computer Organization, 6^th Edition, New Jersey : Pearson Education, Inc.

Tanenbaum , Andrew S. and Bos, Herbert. (2014). Modern Operating System, 4^th Edition, New Jersey : Pearson Education, Inc.