ARSITEKTUR DAN ORGANISASI KOMPUTER -...

ARSITEKTUR DAN ORGANISASI KOMPUTER

Aditya Wikan [email protected]

UNIV KRISTEN DUTA WACANA – GENAP 1213 v2

3

Pengantar Memorydan Memory Internal

• 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 ofmicroprocessors.

• 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.

Arus Data Dalam Komputer

Memori (RAM)Memori (RAM)

CPUCPU

StorageStorage

External DevicesExternal Devices

Program, Data

Program, Data,

Alamat

Data, Control, Alamat

Control, dataalamat periferal, alamat memori

Data, Interrupt


Modul I/OModul I/O

Data, Control

Data

DMA

Data, Interrupt

Control, dataalamat 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

Overview: Bagaimana Program Dijalankan?

Memori (RAM)

CPU

Instruksi Bahasa Assembly/Mesin, Data

Instruksi Bhs. Assembly/

Mesin (dapat memuat

alamat), Data



Sistem OperasiSistem Operasi

StorageStorage

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


Memori (RAM)

CPU



Mesin (dapat memuat

alamat), Data




StorageStorage

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.

Memori (RAM)

CPU



Mesin (dapat memuat

alamat), Data




StorageStorage

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


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

Internal Memory

External Memory

Register dan Cache (berada di dalam CPU)

Memory

Memory

Semikonduktor (Chip/IC)• Read Only Memory, Random Access Memory, Solid State Device, Register, Cache

Lapisan Induktif Magnetik• Hard Disk, Tape/PitaLapisan Optik Terukir• CD, DVD

Bahan MemoryKarakteristik Bahan:• Seberapa besar kemungkinan rusaknya data

• Gampang dipindahkan atau tidak

• Bisa dihapus atau tidak (erasable)

• Membutuhkan daya atau tidak untuk menyimpan data

Bagaimana Data Disimpan?

01010101010100101010101010

11110101010011111010101001

00101010101010010101010101

0000

0001

0010

101010011101010101001110100011

000001010111100000101011110110

Address Bus LineAddress Bus Line

Data Bus LineData Bus Line

Control Bus LineControl 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?


01010101010100101010101010

11110101010011111010101001

00101010101010010101010101

0000

0001

0010

101010011101010101001110100011

000001010111100000101011110110




Data Word

• Lebar jalur alamat (address bus) mempengaruhi jumlah ruang data yang dapat dialamati

• Tidak serta merta mengikuti hardware memory

4-bit

4-bit


01010101010100101010101010

11110101010011111010101001

00101010101010010101010101

0000

0001

0010

101010011101010101001110100011

000001010111100000101011110110




• 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

Addressmaks 16-bit

• 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


• 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

• Access time (waktu akses)– Waktu yang dibutuhkan untuk mencari lokasidata 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 hardware

Mengukur Performa

• 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

Siapa Paling Cepat?

• Sequential– Mulai dari awal dan membaca (read) sesuai urutan data. Tidak ada alamat spesifik.

– Waktu akses tergantung dari letak data dan letakpointer terakhir

– Contoh: tape (pita magnetik)• Direct

– Setiap block memiliki alamat yang unik– Akses dilakukan dengan melompat (jump) ke alamatblock terdekat kemudian diteruskan secara sequential

– Waktu akses tergantung dari letak data dan letakpointer terakhir

– Contoh: disk

Metode Akses

• Random– Setiap alamat menunjuk ke lokasi word yang pasti– Waktu akses tidak tergantung dari letak data dan letakpointer terakhir

– Contoh: RAM• Associative

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

– Waktu akses tidak tergantung dari letak data dan letakpointer terakhir

– Contoh: cache

Metode Akses

(1)Internal Memory

Read Only Memory (ROM)• Penyimpanan permanen

– Non‐volatile• Diprogram secara microprogramming (pemrograman

mikroprosessor)• Biasanya untuk menyimpan:

‐ Library subroutines untuk fungsi2 sistem yang seringdipanggil (pada masa dahulu)

‐ Systems programs (BIOS)

Berkembang penggunaannya dalamFlash Disk dan SSD

Jenis‐jenis ROM• Program ditulis pada saat pembuatan (manufaktur) – masks

tidak bisa diubah/dihapus.• Programmable (once)

– PROM (PROgrammable Memory) (OTP‐ROM)– Diprogram dengan alat khusus – biasanya di pabrik MB

• Programmable ‐ Program bisa di tulis ulangUntuk 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‐Nordheimtunneling) – bisa per byte

– Flash memory• Dihapus secara elektrik dg field emission – bisa semua isimemory, bisa per blok

Jenis‐Jenis ROM

EPROM

EEPROM

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.

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

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 dapatmenyimpan satu bit

Operasi padaSel-sel memory

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)Membutuhkan adanya sirkuit untuk refreshLebih lambat

• Konstruksi lebih sederhana, lebih murah biayanya• Tempat yang dipakai per bitnya lebih kecil• Paling umum dipakai sebagai main memory

Kapasitor

Muatan kapasitor

waktu

1

0

t=1 t=2 t=3 t=4

WRITE

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 tidakbisa diakses untuk sementara)2. Count through rows (dilakukanper baris sel‐sel memory):3. Read & Write back (Baca dan tulislagi ke alamat yang sama)

• Hal ini membutuhkan waktu danmemperlambat kinerja

Muatan kapasitor

waktu

1

0

t=1 t=2 t=3 t=4READ WRITEWRITE

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• Biasanya untuk cache

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 bersatuanbesar

– Murah– Tapi butuh refresh

• Static cell– Lebih cepat, tidak butuh refresh, tapi mahal– Hanya untuk cache

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 dibaca2. RAM mencari data Pada DRAM konvensional, CPU akan menunggu3. Pada SDRAM, karena proses perpindahan data sudahdijadwalkan, CPU tahu kapan data siap, sehingga CPU tidakharus menunggu, bisa mengerjakan hal lain dulu selamainterval tunggu ‐ Column Address Strobe (CAS) latency

• Burst mode (kalau ada) membuat SDRAM dapat melakukanstream data dengan mengirimnya dalam bentuk blok serial

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

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

Contoh Burst Mode SDRAM

Selingan: Hendak Tahu Lebih Banyak?

• Ketika ingin tahu lebih banyak mengenai spesifikasihardware, lihat di mana?

Packaging A: Address PinD: Data PinVcc: Power Supply PinCAS: Column Address

Select

Vss: Ground pinVpp: Program voltage pinCE: Chip enable pinRAS: Row Address

Select

Organisasi Memory• Kenapa ada beberapa chip semikonduktor (IC) dalamsekeping memory?

• SISTEM A BIT PER CHIP• Sekeping memory 16Mbit bisa diorganisasikansebagai 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

• Berkembang menjadi multiple bits per chip

Organisasi Memory• Namun, sekeping memory 16Mbit juga dapatdiorganisasikan dalam 2048 x 2048 x 4bit array (multiplexed)

• Cara ini dapat mengurangi 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

Organisasi Memory

• A Bit Per Chip

• Multiplexed2^4 storage words = 4 pins

2^4 storage words = 2 pins, receiving 2 bit column, then 2 bit row number

RAMBUS® RDRAM• Dahulu Diadopsi Intel untuk seri Pentium keatas• (Tadinya) Kompetitor SDRAM & DDR 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 dengankecepatan 1.6Gbps (480ns access time)

Ringkasan Tipe‐tipe Memory Semikonduktor

(2)Hamming Error Correcting Code

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 penggunaanyang tidak semestinya, cacat pabrik atau usia

• Jenis Error: Soft Error– Random, non‐destructive– Tidak permanen, disebabkan masalah power supply

Error Correction

• CPU tahu mengubah bit yang salah jadi yang benar:0 jadi 11 jadi 0

• Masalahnya, dia tidak tahu bit mana yang harus diubah!!

• Untuk itulah ada Hamming Error Correcting Code (Hamming ECC)

• Fungsi ECC disimpan bersama data di memory

Fungsi Error Correction

f: fungsi error correctionM: data sebanyak M-bitK: K-bit kode hasil perhitungan fungsi

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

Hamming Error Correcting Code• Diciptakan Richard Hamming di Bell Laboratories pada 1950

• Mekanisme pendeteksian kesalahan denganmenyimpan parity check bit (bit cek paritas) bersama bit‐bit data asli sebagai penanda poladata, untuk memeriksa apakah ada data yang berubah

• Pemikiran dasar: dari serentetan bit data pastibisa didapatkan sebuah ciri yang menunjukkanketerhubungan antar data. Ciri tersebut disimpansebagai check bit

Hamming Error Correcting Code• Misal ada 4 bit data biner• Jika 4 bit data tersebut dianggap sebagai anggotatunggal perpotongan himpunan, berartidibutuhkan 3 buah himpunan

Hamming Error Correcting Code• Buat aturan yang menyatakan hubungan antaraperpotongan himpunan dengan seluruh anggotadalam himpunan itu sendiri

• Misal jumlah angka 1 dalam sebuah himpunanharus genap dan anggota tiap himpunan harus 4

Hamming Error Correcting Code• Buat aturan yang menyatakan hubungan antaraperpotongan himpunan dengan seluruh anggotadalam himpunan itu sendiri

• Misal jumlah angka 1 dalam sebuah himpunanharus genap

Hamming Error Correcting Code• Simpan anggota himpunan yang tidakberpotongan sebagai parity check bit

• Gunakan bit penanda yang telah disimpan denganmembandingkan hasil perhitungan bit penandasetelah data dibaca, untuk menentukan letakkesalahan bit

• Dari contoh sebelumnya:Parity Check Bit: 0 1 0

Hamming Error Correcting Code IdeaHow to Use?

Implementasi Hamming• Untuk tiap 8 bit data D, pada posisi bit dimana posisi angka

biner 1 hanya sebuah, disisipkan satu check bit C• Data yang disimpan

menjadi 12 bit

Implementasi Hamming

• Aturan untuk menentukan C:C1 = D1 ⊕ D2 ⊕ D4 ⊕ D5 ⊕ D7C2 = D1 ⊕ D3 ⊕ D4 ⊕ D6 ⊕ D7C4 = D2 ⊕ D3 ⊕ D4 ⊕ D8C8 = D5 ⊕ D6 ⊕ D7 ⊕ D8

Implementasi Hamming

• Kemudian check bits yang didapat saat data disimpan di⊕‐kan dengan check bits saatpembacaan.

• Bilangan biner yang didapat menunjukkan letakbit data yang salah, kemudian bit yang salah diNOT‐kan

Implementasi Hamming• Contoh, Write data ke memory:1 0 1 0 0 1 0 1

• Tentukan C:C1 = 1 ⊕ 0 ⊕ 0 ⊕ 0 ⊕ 0C2 = 1 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 1 ⊕ 1C4 = 0 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 1C8 = 0 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 1

• Hasil:C1 = 1 C2 = 0C4 = 0C8 = 0

C1 = D1 ⊕ D2 ⊕ D4 ⊕ D5 ⊕ D7C2 = D1 ⊕ D3 ⊕ D4 ⊕ D6 ⊕ D7C4 = D2 ⊕ D3 ⊕ D4 ⊕ D8C8 = D5 ⊕ D6 ⊕ D7 ⊕ D8

Implementasi Hamming• Contoh, Read data dari memory:1 0 1 0 1 1 0 1

• Tentukan C:C1 = 1 ⊕ 0 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 0C2 = 1 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1C4 = 0 ⊕ 1 ⊕ 1 ⊕ 1C8 = 0 ⊕ 1 ⊕ 0 ⊕ 1

• Hasil:C1 = 0 C2 = 1C4 = 1C8 = 0

C1 = D1 ⊕ D2 ⊕ D4 ⊕ D5 ⊕ D7C2 = D1 ⊕ D3 ⊕ D4 ⊕ D6 ⊕ D7C4 = D2 ⊕ D3 ⊕ D4 ⊕ D8C8 = D5 ⊕ D6 ⊕ D7 ⊕ D8

Implementasi Hamming• Hasil Parity Check bit Write dan Read di‐XOR kan

C8 C4 C2 C10 0 0 10 1 1 0‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ ⊕0 1 1 1

• Desimal dari 0111 = 7

• Posisi bit ke 7 dari data yang sudah tersisipkan oleh Parity Check Bit adalah D4

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 1 0 1• Data yang Benar:

1 0 1 0 0 1 0 1

(3)Extra Slides, Belajar Mandiri

Struktur Memory Cell DRAM

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 melaluibit line

• Bandingkan dengan nilai referensi untuk menentukanapakah tegangan termasuk 0 or 1

– Setelah itu, tegangan kapasitor dipulihkan

Struktur Memory Cell SRAM

Cara Kerja Static RAM• Penataan transistor menghasilkan sebuah kondisi logika

(logic state) yang stabil• State 1

– C1 high, C2 low– T1 T4 off, T2 T3 on

• State 0– C2 high, C1 low– T2 T3 off, T1 T4 on

• Mau baca/tulis: Address line transistor T5 T6 di‐on kan• Write – apply value to B & compliment to B• Read – value is on line B

Cara Akses 16 Mbit DRAM (4M x 4)RAS: Row Address SelectCAS: Column Address SelectWE: Write EnableOE: Output Enable

OrganisasiModul Memory

Seandainya sebuah chip RAM hanya berkapasitas 1 bit per wordnya, maka akandibutuhkan sejumlah n-chip untuk menampung sebuahword berukuran n-bit.

Jika 1 word berukuran 8-bit, makaDibutuhkan 8 buah chip dalam satumodul

Contoh di kanan:1 chip terorganisasi dalam 512 baris x 512 kolom x 1 bitUntuk itu pengalamatannyamembutuhkan 18 bit (29 x 29)(512 = 29)

256Kbyte memory

Organisasi Modul Memory (2)

1Mbyte memory

• 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

Demikian Materi Hari Ini

ARSITEKTUR DAN ORGANISASI KOMPUTER -...

Documents

Transcript of ARSITEKTUR DAN ORGANISASI KOMPUTER -...