Memori
Memori
Assalamu'alaikum wr wb
Hai teman-teman!
Kembali lagi di blog saya. Kali ini saya akan menjelaskan materi yang berhubungan dengan mata kuliah Organisasi dan Arsitektur Komputer, yaitu memori.
Pengertian 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.
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 dibawah 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 keadaan sel brnilai 1 atau 0, sedangkan untuk operasi pembacaan, terminal ini digunakan sebagai keluaran.
Karakteristik Sistem Memori
Berikut tabel 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 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.
- 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.
- 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 non-random access memory dengan perumusan :
Keterangan :
- 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 non-volatile, 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).
Keandalan memori dihitung berdasarkan ukuran kapasitas atau berapa banyak data yang data disimpan. Kebutuhan ukuran ini merupakan sesuatu yang sulit dijawab, karena berapapun kapasitas memori tentu ukuran aplikasi yang akan menggunakannya juga menjadi factor penentu. Keandalan selajutnya dihitung berdasarkan kecepatan akses memori dimana memori harus mempu mengikuti kecepatan CPU sehingga terjadi sinkronisasi kerja antar CPU dan memori tanpa adanya waktu tunggu karena komponen lain belum selesai prosesnya. Faktor penentu keandalan yang lain meliputi harga dari sebuah memori yang bisa dikatakan bahwa nilainya relatif. Bagi produsen selalu mencari harga produksi paling murah tanpa mengorbankan kualitasnya untuk memiliki daya saing di pasaran. Hubungan ketiganya yakni harga, kapasitas dan waktu akses adalah bahwa semakin kecil waktu akses maka semakin besar harga per bitnya, semakin besar kapasitas maka semakin kecil harga per bitnya serta semakin besar kapasitas maka semakin besar waktu aksesnya.
Hirarki Memori
Memori harus mampu 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.
Menurunnya hirarki mengakibatkan beberapa hal terjadi diantaranya meliputi :
- 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.
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 |
Memori Internal
Memori semikonduktor terbagi atas beberapa tipediantaraya adalah random akses (RAM), ROM, PROM, EPROM, Flas Memory serta EEPROM. Klasifikasi detail untuk setiap jenis memori tersebut tampak pada table 8.3 di bawah. 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. Berikut tabel tipe-tipe memori semikonduktor.
Pada memori random akses data diakses secara langsung melalui logik pengalamatan wired-in. Pada memori jenis ini dimungkinkan adanya pembacaan dan penulisan data ke memori secara cepat dan mudah. RAM bersifat volatile dimana data tersimpan selama ada daya (listrik) dan akan hilang jika tidak ada sumber listrik. Random akses memori terbagi atas RAM dinamik dan RAM static. RAM dinamik disusun oleh sel – sel yang menyimpan data sebagai muatan listrik pada kapasitor. Kapasitor memiliki kecenderungan alami untuk mengosongkan muatan, maka RAM dinamik memerlukan pengisian muatan listrik secara periodik untuk memelihara penyimpanan data. Biasanya dimanfaaatkan untuk operasi data besar. Sedangkan RAM statik, nilai biner disimpan dengan menggunakan konfigurasi gate logika flipflop tradisional. RAM jenis ini memiliki kemampuan menyimpan data selama ada daya listriknya dan lebih cepat dibanding RAM dinamik.
ROM (Read Only Memory) merupakan jenis memori yang sangat berbeda dengan RAM. Pada ROM data bersifat permanen, tidak bisa diubah dimana ini menguntungkan untuk penyimpanan data yang permanen. Namun terdapat kerugian yaitu jika terdapat kesalahan data atau adanya perubahan data sehingga perlu penyisipan –penyisipan. PROM (Programmable ROM) merupakan jenis memori non-volatile yang terbagi atas tiga macam yaitu EPROM, EEPROM dan flash memory. EEPROM electrically erasable programmable read only memory. Jenis memori yang dapat ditulisi kapan saja tanpa menghapus isi sebelumnya. EEPROM menggabungkan kelebihan non-volatile dengan fleksibilitas dapat di-update.
Pengemasan memori sebagaimana tampak pada Gambar Typical Memory Package Pins and signal di atas (a) EPROM yang merupakan keping 8 Mbit yang diorganisasi sebagai 1Mx8. Organisasi dianggap sebagai kemasan satu word per keping. Kemasan terdiri dari 32 pin, yang merupakan salah satu ukuran kemasan keping standar. Sedangkan gambar (b) 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). Pada pengemasan DRAM ini data yang akan dibaca terdiri dari 8 saluran (D0 –D7). Catu daya keping adalah Vcc dengan pin grounding Vss serta 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 (di atas A19). Tegangan program adalah Vpp.
Dalam melaksanakan fungsi penyimpanan, memori semikonduktor dimungkinkan mengalami kesalahan. Kesalahan berat yang biasanya merupakan kerusakan fisik memori. Kesalahan ringan yang berhubungan data yang disimpan. Kesalahan ringan dapat dikoreksi kembali. Koreksi kesalahan data yang disimpan diperlukan dua mekanisme yaitu mekanisme pendeteksian kesalahan serta perbaikan kesalahan.
Cache Memori
Salah satu jenis memori adalah cache memori yang memiliki kemampuan untuk mempercepat kerja memori utama sehingga mendekati kecepatan prosesor. Memori utama lebih besar kapasitasnya namun lambat operasinya, sedangkan cache memori berukuran kecil namun lebih cepat. Cache memori berisi salinan memori utama. Ukuran cache memori adalah kecil, semakin besar kapasitasnya maka akan memperlambat proses operasi cache memori itu sendiri, disamping harga cache memori yang sangat mahal.
Secara bentuk fisik cache memori terbagi atas logical dan fisikal, sedangkan untuk ukuran bervarasi menyesuaikan kebutuhan. Sebagai contoh AMD mengeluarkan prosesor K5 dan K6 dengan cache yang besar (1MB), kinerjanya tidak bagus. Intel mengeluarkan prosesor tanpa cache untuk alasan harga yang murah, yaitu seri Intel Celeron pada tahun 1998-an, kinerjanya sangat buruk terutama untuk operasi data besar, floating point. Sejumlah penelitian telah menganjurkan bahwa ukuran cache antara 1KB dan 512KB akan lebih optimum [STA96].
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].
Pemetaan Cache mempunyai kapasitas yang kecil dibandingkan memori utama. Aturan blok – blok mana yang diletakkan dalam cache. Terdapat tiga metode, yaitu pemetaan langsung, pemetaan asosiatif, dan pemetaan asosiatif set.
Algoritma penggantian merupakan suatu mekanisme pergantian blok–blok dalam memori cache yang lama dengan data baru. Pemetaan langsung tidak memerlukan algoritma ini. Pemetaan asosiatif dan asosiatif set, berperanan penting meningkatkan kinerja cache memori. Algoritma Least Recently Used (LRU), yaitu mengganti blok data yang terlama berada dalam cache dan tidak memiliki referensi. Algoritma First In First Out (FIFO), yaitu mengganti blok data yang awal masuk. Algorithma Least Frequently Used (LFU) adalah mengganti blok data yang mempunyai referensi paling sedikit. Algoritma Random, yaitu penggantian tidak berdasakan pemakaian datanya, melainkan berdasar slot dari beberapa slot kandidat secara acak.
Apabila suatu data telah diletakkan pada cache maka sebelum ada penggantian data baru maka harus dicek apakah data tersebut telah mengalami perubahan atau tidak. Apabila data telah berubah maka data pada memori utama harus di-update. Masalah penulisan ini sangat kompleks, apalagi memori utama dapat diakses langsung oleh modul I/O, yang memungkinkan data pada memori utama berubah. Perubahan data pada memori utama ini tentunya akan mempengaruhi data yang telah dikirim pada cache. Perubahan ini menyebabkan data yang ada pada cache menjadi tidak valid, sehingga perlu dilakukan pembenaran berupa update atau perubahan data. Write Policy –”write through” merupakan operasi penulisan melibatkan data pada memori utama dan sekaligus pada cache memori sehingga data selalu valid. Kekurangan teknik ini adalah lalu lintas data ke memori utama dan cache sangat tinggi. Write Policy –”write back “ merupakan 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 muncul jika data di memori utama belum di-update telah diakses modul I/O sehingga data di memori utama tidak valid. Write Policy-Multi cache merupakan multi cache untuk multi prosesor yang memiliki masalah yang lebih kompleks. Masalah validasi data tidak hanya antara cache dan memori utama namun validasi antar cache juga harus diperhatikan.
Berdasarkan jumlahnya cache memori terbagi menjadi dua yaitu single or two level serta unified or split. Pada jenis single or two level cache, layer 1 atau L1 merupakan cache internal dimana lokasi memori berada di dalam chip yang tidak membutuhkan bus eksternal dan waktu aksesnya sangat cepat. Sementara layer 2 atau cache tingkat 2 (L2) merupakan cache eksternal yang lokasinya ada diluar chip. Selanjutnya jenis yang kedua dari sistem cache terdapat cache data dan cache instruksi yang disebut unified cache. Keuntungan unified cache yaitu hit rate yang tinggi karena telah dibedakan antara informasi data dan informasi instruksi dan hanya sebuah cache saja yang perlu dirancang dan diimplementasikan. Pemanfaatan split cache dapat dilihat pada mesin–mesin superscalar seperti Pentium dan PowerPC dimana sistem lebih menekankan pada paralel proses dan perkiraan –perkiraan eksekusi yang akan terjadi. Kelebihan utama split cache adalah kemampuanya dalam mengurangi persaingan antara prosesor instruksi dan unit eksekusi untuk mendapatkan cache, hal ini sangat utama bagi perancangan prosesor–prosesor pipelining.
Memori Eksternal
Memori eksternal dibutuhkan karena kapasitas yang terdapat pada memori utama tidak mencukupi sehingga diperlukan peralatan tambahan untuk menyimpan data yang lebih besar dan dapat dibawa kemana-mana. Semakin besar peralatan penyimpanan maka akan mempengaruhi waktu pemrosesan data. Contoh-contoh memori eksternal meliputi Magnetik Disk (Floppy Disk, IDE Disk, SCSI Disk), RAID, Optical Disk (CDROM, CD-R, CD-RW, DVD) serta Pita Magnetik.
Magnetik Disk adalah piringan bundar yang terbuat dari bahan tertentu (logam atau plastik) dengan permukaan dilapisi bahan yang dapat di magnetisasi. Mekanisme baca/tulis menggunakan kepala baca atau tulis yang disebut head, merupakan komparan pengkonduksi (conducting coil). Desain fisiknya, head bersifat stasioner sedangkan piringan disk berputarsesuai kontrolnya. Dua metode layout data pada disk, yaitu constant angular velocity dan multiple zoned recording. Disk diorganisasi dalam bentuk cincin – cincin konsentris yang disebut track. Tiap track pada disk dipisahkan oleh gap (gap: mencegah atau mengurangi kesalahan pembacaan maupun penulisan yang disebabkan melesetnya head atau karena interferensi medan magnet). Sejumlah bit yang sama akan menempati track – track yang tersedia. Semakin ke dalam disk maka kerapatan (density) disk akan bertambah besar. Data dikirim ke memori ini dalam bentuk blok, umumnya blok lebih kecil kapasitasnya daripada track. Blok – blok data disimpan dalam disk yang berukuran blok, yang disebut sector. Track biasanya terisi beberapa sector, umumnya 10 hingga 100 sector tiap tracknya.
Optical Disk adalah media penyimpanan data elektronik yang dapat ditulis dan dibaca dengan menggunakan sinar laser bertenaga rendah. Optical disk pertama kali ditemukan pada tahun 1958. Kemudian teknologi ini dipatenkan beberapa tahun kemudian. Perkembangan berikutnya, ditemukan teknologi optical media untuk data video dalm laser disc yang dikeluarkan oleh philips, pada tahun 1978.Berlanjut setelah itu, audio compact disc (CD) dikeluarkan sony pada tahun 1983.
Optic Disk memiliki ciri-ciri sebagai berikut :
- Menggunakan laser untuk menulis dan membaca data.
- Dapat digunakan untuk menyimpan data yang volumenya sangat besar.
- Dapat membaca lebih cepat
RAID (Redundancy Array of Independent Disk) merupakan organisasi disk memori yang mampu menangani beberapa disk dengan sistem akses parallel dan redudansi ditambahkan untuk meningkatkan reliabilitas. Kerja paralel menghasilkan resultan kecepatan disk yang lebih cepat. Teknologi database sangat penting dalam model disk ini karena pengontrol disk harus mendistribusikan data pada sejumlah disk dan juga membacaan kembali.
Karakteristik umum disk RAID yaitu bahwa RAID adalah sekumpulan disk drive yang dianggap sebagai sistem tunggal disk. Data RAID didistribusikan ke drive fisik array dimana kapasitas redudant disk digunakan untuk menyimpan informasi paritas, yang menjamin recoveribility data ketika terjadi masalah atau kegagalan disk. RAID merupakan salah satu jawaban masalah kesenjangan kecepatan disk memori dengan CPU dengan cara menggantikan disk berkapasitas besar dengan sejumlah disk–disk berkapasitas kecil dan mendistribusikan data pada disk–disk tersebut sedemikian rupa sehingga nantinya dapat dibaca kembali.
Sistem pita magnetik menggunakan teknik pembacaan dan penulisan yang identik dengan sistem disk magnetic. Medium pita magnetik berbentuk track – track paralel, sistem pita lama berjumlah 9 buah track sehingga memungkinkan penyimpanan satu byte sekali simpan dengan satu bit paritas pada track sisanya. Sistem pita baru menggunakan 18 atau 36 track sebagai penyesuaian terhadap lebar word dalam format digital. Seperti pada disk, pita magnetik dibaca dan ditulisi dalam bentuk blok – blok yang bersambungan (kontinyu) yang disebut physical record. Blok – blok tersebut dipisahkan oleh gap yang disebut inter-record gap. Kecepatan putaran pita magnetik adalah rendah sehingga transfer data menjadi lambat. Pita magnetik mulai ditinggalkan digantikan oleh jenis – jenis produk CD.
Sekian Penjelasan dari saya, semoga teman-teman dapat memahaminya.
Wassalamu'alaikum Wr Wb












Komentar
Posting Komentar