2_Pertemuan 3_4_Pengenalan Memori.pdf

CSH2I3 Organisasi dan Arsitektur Komputer Pertemuan 2: Pengenalan Memori  Memory 1. Hierarki Memory 2. Karakteristik Memory 3. Organisasi Memory a. Sel Memory 4. Memory Utama a. RAM i. SRAM ii. DRAM...

CSH2I3 Organisasi dan Arsitektur Komputer Pertemuan 2: Pengenalan Memori  Memory 1. Hierarki Memory 2. Karakteristik Memory 3. Organisasi Memory a. Sel Memory 4. Memory Utama a. RAM i. SRAM ii. DRAM iii. Advanced DRAM b. ROM 5. Error Checking a. Parity b. Hamming Code 6. Memory Sekunder a. RAID b. Memory Optic 2 Hierarki dan Karaktieristik Memori  Hirarki Memori Registers → Biaya per bit makin murah L1 Cache L2 Cache → Kapasitas makin besar Main memory (RAM) → Waktu Disk cache akses makin Disk (Harddisk) lama Optical (CD, DVD) →Frekuensi Magnetic tape diakses oleh prosesor makin jarang #4 Karakteristik Memori (1) Memory diklasifikasikan berdasarkan: (1) Lokasi (2) Kapasitas (3) Satuan transfer (4) Cara akses (5) Performansi (6) Jenis fisik (7) Karakteristik fisik (8) Organisasi memori #5 Karakteristik Memori (2) (1) Lokasi: ❖ Internal : dapat diakses oleh prosesor tanpa melalui I/O ▪ Register ▪ Cache memory ▪ Main memory (RAM) ❖ External : untuk mengaksesnya harus melalui I/O ▪ Harddisk, Diskette, Magnetic Tape ▪ Flashdisk ▪ CDROM, dll (2) Kapasitas: ❖ Adalah kemampuan menampung data dalam satuan tertentu (byte atau word) ❖ Satu byte = 8 bit ❖ Satu word = 8, 16, atau 32 bit (tergantung pada pembuat prosesor, Intel: satu word = 16 bit, IBM 370: 32 bit) #6 Karakteristik Memori (3) (3) Satuan transfer: ❖ Memori internal: ▪ Adalah banyaknya bit yang dapat dibaca/ditulis dari/ke memori dalam setiap detik ▪ Adalah setara dengan banyaknya jalur data yang terhubung ke memori (lebar bus) ▪ Biasanya sebanyak satu word, tetapi dapat lebih banyak lagi (misal: 32, 64, atau 128 bit) ❖ Memori eksternal ▪ Digunakan satuan block yang ukurannya lebih dari satu word ❖ Satuan alamat: (addressable unit) ▪ Adalah ukuran memori terkecil yang dapat diberi alamat tersendiri ▪ Besarnya tergantung pembuat prosesor (Intel: 1 byte atau 8 bit), #7 Karakteristik Memori (4) (4) Cara akses: ❖ Sequential access ▪ Akses ke memori dilakukan secara berurutan ▪ Digunakan mekanisme shared read/write ▪ Waktu akses sangat variabel, bergantung pada lokasi data yang akan dituju dan data sebelumnya ▪ Contoh: Magnetic tape ❖ Direct access ▪ Akses ke memori langsung menuju ke lokasi terdekat, diteruskan dengan sedikit pencarian dan perhitungan ▪ Setiap blok/record mempunyai alamat unik berdasarkan lokasi fisik ▪ Digunakan mekanisme shared read/write ▪ Waktu aksesnya variabel (berbeda-beda) dan bergantung pada lokasi data yang akan dituju dan lokasi data sebelumnya ▪ Contoh: harddisk #8 Karakteristik Memori (5) ❖ Random access ▪ Akses ke memori dilakukan secara random langsung ke alamat yang dituju ▪ Setiap alamat memori mempunyai alamat unik ▪ Waktu aksesnya konstan dan tidak bergantung pada urutan akses sebelumnya ▪ Contoh: main memory ❖ Associative ▪ Pencarian data di memori dilakukan dengan membandingkan seluruh word secara bersamaan, tidak berdasarkan alamat ▪ Waktu akses konstan dan tidak bergantung pada lokasi dan urutan akses sebelumnya ▪ Contoh: cache memory #9 Karakteristik Memori (6) (5) Performansi: ❖ Waktu akses (latency) ▪ Waktu antara perintah akses (baca atau tulis) sampai didapatkannya data di MBR atau data dari MBR telah disalin ke lokasi memori tertentu ❖ Waktu siklus memori ▪ Waktu dimulainya suatu operasi memori sampai memori siap melaksanakan operasi berikutnya (lebih penting) ▪ Waktu akses + waktu untuk perubahan signal jalur data sebelum akses kedua Memory access time Load addr to Copy data to Decode Restore MAR MBR Memory cycle time #10 Karakteristik Memori (7) ❖ Transfer rate ▪ Adalah waktu rata-rata perpindahan data ▪ RAM: 1/waktu siklus ▪ Non-RAM: TN = TA + N/R TN = Waktu rata-rata untuk baca/tulis sejumlah N bit TA = Rata-rata waktu akses N = jumlah bit R = transfer rate (bit per second) #11 Karakteristik Memori (8) (6) Jenis fisik: ❖ Semikonduktor: RAM, flashdisk ❖ Magnetik: harddisk, magnetic tape ❖ Optik: CD, DVD (7) Karakteristik fisik: ❖ Volatile: nilainya hilang bila tegangan listrik tidak ada ❖ Non-volatile: nilainya TIDAK hilang (tetap ada) meskipun TIDAK ada tegangan listrik ❖ Erasable: nilainya dapat dihapus (semikonduktor, magnetik) ❖ Non-erasable: nilainya tidak dapat dihapus (ROM) (8) Organisasi memori: ❖ Penyusunan bit untuk membentuk word #12 Organisasi Memori Sel Memori (1) Setiap memori tersusun dari rangkaian sel-sel memori: #14 Sel Memori (2) Sifat-sifat sel memori: ❖ Dapat memberikan 2 kondisi (1 atau 0) ❖ Dapat ditulisi (minimal satu kali) dengan cara mengubah kondisi sel memori ❖ Dapat dibaca Tiap sel terdiri dari 3 terminal: ❖ Select: untuk memilih sel memori yang akan dibaca/ditulisi ❖ Control: untuk menentukan jenis operasi write/read ❖ Data: ▪ Write: untuk mengubah kondisi sel dari 1 ke 0 atau sebaliknya ▪ Read: untuk membaca kondisi sel memori #15 Sel Memori (3) Apa syarat device yang dapat digunakan untuk menyimpan data biner ? ❖ Hanya dapat menyimpan 2 macam nilai/kondisi (true-false atau 1-0) yang stabil ❖ Mempunyai pembatas yang lebar yang dapat memisahkan kedua nilai/kondisi secara tegas ❖ Mampu menangani perubahan nilai/kondisi dalam waktu yang tidak terbatas ❖ Nilai/kondisinya tidak rusak pada saat dibaca Implementasinya dengan apa ? ❖ Semikonduktor: ▪ Gabungan antara transistor dan kapasitor ▪ Gabungan beberapa transistor #16 Sel Memori (4) ❖ Gabungan antara transistor dan kapasitor (memori dinamis) ▪ Capasitor + Untuk menyimpan nilai data ▪ Address line: + Untuk mengaktifkan sel memori (transistor) ▪ Bit line: + Untuk membaca/menulis data dari/ke sel memori #17 Sel Memori (5) ❖Gabungan antara transistor dan kapasitor (memori dinamis) (cont’d) ▪ Cara kerja 2 + Simpan data (write): 3 1. Signal yang akan ditulis dihubungkan ke bit line (high voltage = 1, low voltage = 0) 4 2. Signal diberikan ke address line → transistor on 1 3. Untuk simpan bit 1 → arus mengalir masuk ke kapasitor →kapasitor diisi muatan 4. Untuk simpan bit 0 → arus mengalir dari ke kapasitor → muatan kapasitor dikosongkan #18 Sel Memori (6) ❖Cara kerja: (cont’d) +Baca data (read): 1. Address line diberi signal → transistor on 1 4 2. Muatan kapasitor dialirkan ke bit line/sense amplifier 3. Sense amplifier membandingkan 3 muatan kapasitor dengan tegangan reference untuk menentukan 2 apakah data bernilai 1 atau 0 4. Muatan kapasitor berkurang → perlu di-refresh → disebut memori dinamis #19 Sel Memori (7) ❖ Gabungan antara beberapa transistor (memori statis) ▪ Status T1 selalu berlawanan dengan T3, tetapi selalu sama dengan T4 ▪ Status T2 selalu berlawanan dengan T4, tetapi selalu sama dengan T3 ▪ Nilai bit line B berlawanan dengan nilai bit line B ▪ Signal high: T1=off, T3=on → titik C1=high → bit line B = HIGH T2=on, T4=off → titik C2 = LOW ▪ Signal low: T1=on, T3=off → titik C1=low → bit line B = LOW T2=off, T4=on → titik C2 = HIGH #20 Memory Utama: RAM dan ROM Memory Utama: RAM RAM (Random Access Memory) (1) Dynamic RAM (DRAM) ❖ Sel DRAM: ▪ Data berupa muatan listrik yang disimpan di kapasitor ❖ Mengapa disebut dynamic RAM ? ▪ Muatan listrik yang disimpan di kapasitor cenderung mengalami kebocoran, sehingga harus selalu di-refresh ❖ DRAM digunakan untuk main memory #23  RAM (Random Access Memory) (2) Static RAM (SRAM) ❖ Sel SRAM: ▪ Disusun dari beberapa transistor (flip-flop) ❖ Mengapa disebut static RAM ? ▪ Selama masih ada listrik, maka data yang disimpan tidak hilang, sehingga tidak perlu di- refresh ❖ SRAM digunakan untuk cache memory #24 DRAM vs SRAM DRAM SRAM (+) sederhana (-) lebih kompleks (+) dimensi lebih kecil (-) dimensi lebih besar (+) murah (-) lebih mahal (+) kapasitas besar (-) kapasitas kecil (-) perlu rangkaian refresh (+) tidak perlu di-refresh (-) biaya rangkaian refresh (+) tidak perlu rangkaian refresh memori berukuran besar lebih mahal daripada biaya memori itu sendiri (-) lebih lambat (+) lebih cepat Sama-sama volatile #25 Advanced DRAM (1) Synchronous DRAM (SDRAM) ❖ Pertukaran data didasarkan pada signal clock eksternal tanpa wait state ❖ Kecepatan sesuai dengan kecepatan prosesor atau bus memori ❖ Selama proses pencarian data, CPU dapat melakukan tugas lain (tidak perlu menunggu, karena CPU tahu kapan data sudah tersedia) #26 Advanced DRAM (2) ❖ Contoh: SDRAM read timing ▪ Burst length = 4 = T3-T6, CAS latency = 2 = T1-T2 ❖ Burst length = banyaknya clock untuk mengirimkan data (1, 2, 4, 8, full page) ❖ Latency = banyaknya clock yang diperlukan untuk persiapan sebelum data dikirimkan Double Data Rate – SDRAM (DDR-SDRAM) ❖ Sama seperti SDRAM, tetapi dapat mengirimkan data 2x dalam satu clock #27 Advanced DRAM (3) Contoh IBM 64Mb SDRAM #28 Advanced DRAM (4) Rambus DRAM (RDRAM) ❖ Diadopsi oleh Intel untuk Pentium dan Itanium ❖ Pesaing model SDRAM ❖ Bus alamat support s.d. 320 chip RDRAM ❖ Transfer data s.d. 1,6 GBps (2 x 800 MBps) ▪ Impedance, clock, dan signal didefinisikan secara tepat ❖ Jalur data sebanyak 18 bit (16 data, 2 parity) ❖ Jalur RC (8 bit) digunakan untuk alamat dan signal control ❖ Memory request tidak menggunakan RAS, CAS, R/W atau CE, tetapi melalui high speed bus yang memuat informasi: ▪ alamat yang diinginkan ▪ jenis operasi ▪ jumlah byte dalam operasi ❖ Pengiriman data secara synchronous #29 Advanced DRAM (5) Struktur RDRAM #30 Memory Utama: ROM “Read” Only Memory (ROM) ROM (Read Only Memory) → PROM (Programmable ROM) → EPROM (Erasable PROM) → EEPROM (Electrically EPROM) → Flash Memory #32 Read Only Memory (ROM) Data bersifat permanen (non-volatile) Nilai data dihasilkan dari kombinasi rangkaian logika di dalamnya Penulisan data dilakukan pada saat pembuatan chip Data tidak dapat dihapus Aplikasi: ❖ Store firmware ❖ Booting (BIOS) #33 Programmable ROM (PROM) Data ditulis sesudah chip dibuat Digunakan bila jumlahnya tidak terlalu besar (bukan mass product) dan memori memuat data khusus Non-volatile Hanya dapat ditulisi satu kali Penulisan data dilakukan secara elektrik dengan PROM programmer Awalnya bernilai 1 semua Sel memori “dibakar” (burning-in) dengan arus listrik yang cukup besar, lokasi bit akan terbakar dan menunjukkan sebuah nilai (0) Data tidak dapat dihapus Lebih fleksibel daripada ROM Contoh aplikasi: RFID #34 Erasable PROM (EPROM) Data ditulis sesudah chip dibuat Non-volatile Proses baca dan tulis secara elektrik Data dapat dihapus dan ditulisi berulang-ulang dengan radiasi ultraviolet Sinar tersebut melewati celah di kumpulan chip Data dihapus dalam satuan chip (semua data dihapus) Lebih mahal daripada PROM #35 Electrically EPROM (EEPROM) Data ditulis sesudah chip dibuat Non-volatile Data dapat ditulis dan dihapus kapan saja secara elektrik, data tidak perlu dihapus terlebih dahulu Data dihapus dalam satuan byte Lebih mahal daripada EPROM Kurang rapat dibanding EPROM #36 Flash Memory Non-volatile Biaya dan fungsionalitas berada diantara EPROM dan EEPROM Data dihapus dalam satuan blok memori Lebih rapat dibanding EEPROM #37 Jenis Memori Semikonduktor #38  Error Check: Parity & Hamming Code Penanganan Kesalahan Dengan Paritas (1) Mendeteksi kesalahan data pada level bit Bit paritas: ❖ bit ekstra yang ditambahkan pada suatu unit data terkecil ❖ digunakan dalam proses pengecekan kebenaran data ketika data akan disimpan atau dikirim ❖ dihasilkan oleh fungsi generator paritas Jenis paritas: ❖ Paritas genap (even): ▪ Menambahkan sebuah bit sehingga total bit ‘1’ suatu word berjumlah genap ❖ Paritas ganjil (odd): ▪ Menambahkan sebuah bit sehingga total bit ‘1’ suatu word berjumlah ganjil Dapat mendeteksi kesalahan bit berjumlah ganjil, lokasi bit tidak bisa diketahui #40  Penanganan Kesalahan Dengan Paritas (2) network / parity generation error detection storage F(data) data' F(data’) parity parity'’ data append (data + parity) separate accept parity'’ = parity' yes ‘valid’ parity’ ? data process for no invalid data Contoh: Data = 1001001, jenis paritas = paritas genap Jika bit yang dibaca 10010011 → data dianggap valid Jika bit yang dibaca 10110011 → data dianggap tidak valid Jika bit yang dibaca 10110010 → data dianggap valid !! #41 Penanganan Kesalahan Dengan Hamming Code Single Bit Biasa digunakan dalam konteks Error Control (deteksi maupun koreksi) Codeword = bit-bit data + bit paritas/kontrol Hamming distance: jumlah perbedaan bit dari dua buah codeword ❖ Hamming distance n + 1 → Dapat mendeteksi n error ❖ Hamming distance 2n + 1 → Dapat me-recover n error Contoh codeword dengan 7 bit informasi dan 1 bit paritas genap: Hamming distance-nya = 2 → hanya dapat mendeteksi 1 bit error #42 Penanganan Kesalahan Dengan Hamming Code Multi Bit (1) Blok data sebanyak M digit dikodekan menjadi N digit (N>M) Ditulis dengan notasi (N,M) ▪ Misal codeword terdiri dari 7 bit data + 4 bit check → (11,7) Jumlah bit codeword harus memenuhi persamaan: 2K – 1  M+K K = jumlah bit kontrol; M = jumlah bit data Posisi (letak) bit-bit K ditentukan dengan rumus 2x; x = 0, 1, 2, 3,... Posisi bit dimulai dari posisi ke-1, bukan ke-0 !!! M/N = code rate atau code efficiency 1 - M/N = redundancy Dapat mendeteksi kesalahan sebanyak 2 bit Dapat menentukan posisi bit yang error jika terjadi kesalahan sebanyak 1 bit Recovery dilakukan dengan meng-inverse bit pada posisi yang salah #43 Penanganan Kesalahan Dengan Hamming Code Multi Bit (2) Contoh bit-bit data: 1001101 (7 bit) Jumlah bit codeword: 2K – 1  M+K Jika K = 3 → 23–1  7 + 3 (salah) Jika K = 4 → 24–1  7 + 4 (ok) Cara menentukan bit-bit K: ❖ Lakukan penjumlahan modulo 2 (biner) semua nomor posisi bit data yang bernilai 1 Hasil: #44 Penanganan Kesalahan Dengan Hamming Code Multi Bit (3) Pendeteksian kesalahan (decoder): ❖ Jumlahkan (modulo 2) semua posisi bit yang bernilai 1 (termasuk bit check) ▪ Jika hasilnya 0 → tidak terjadi kesalahan ▪ Jika hasilnya  0 → hasil penjumlahan merupakan posisi bit yang salah Contoh jika terjadi error sebanyak 1 bit (bit ke-11):  terjadi kesalahan pada bit ke-1011 (ke-11) Recovery: invert bit ke-11 #45 Penanganan Kesalahan Dengan Hamming Code Multi Bit (4) Contoh jika terjadi error sebanyak 2 bit (bit ke-11 dan bit ke-1): kesalahan terdeteksi, posisi bit yang salah tidak diketahui Contoh jika terjadi error sebanyak 3 bit (bit ke-11, bit ke-1, dan bit ke-10): kesalahan tidak terdeteksi ! #46  Memory Sekunder: RAID dan Memori Optik Memory Sekunder: RAID RAID (1) Redundant Array of Independent Disks Redundant Array of Inexpensive Disks 7 cara konfigurasi (level 0 – level 6) Beberapa disk fisik yang dipandang sebagai satu drive logic oleh OS Data didistribusikan sepanjang drive fisik Dapat memanfaatkan kapasitas redundant untuk menyimpan mekanisme pengecekan error #49 RAID 0 (2) Tidak ada redundancy RAID 0 menggunakan proses striping ❖ Data disimpan ke dalam beberapa disk secara parallel untuk mempercepat proses baca/tulis Striping bersifat Round Robin #50 RAID 1 (2) Mirrored Disks ❖ Penyimpanan pada suatu disik akan diduplikat di disk lain Data juga mengalami striping Setiap data mempunyai 2 copy ❖ Read dapat dilakukan pada salah satu copy ❖ Write dilakukan di kedua copy Recovery sederhana ❖ faulty disk ditukar & re-mirror ❖ Tidak ada down time (-) mahal #51 RAID 2 (2) RAID 2 menggunakan striping level byte Error correction menggunakan Hamming code ❖ Bit hamming code tersimpan dalam beberapa disk Redundancy banyak ❖ Mahal ❖ Tidak digunakan #52 RAID 3 (2) Mirip RAID 2 Hanya satu redundant disk, berapa pun besarnya array Pengecekan error menggunakan parity bit Data pada drive yang gagal bias direkontruksi dari data yang selamat dan info parity Transfer rate sangat tinggi (karena striping) #53 RAID 4 (2) Setiap disk beroperasi independent ❖ Tidak paralel Bagus untuk I/O request rate tinggi Stripe berukuran besar (block) Bit-bit parity dikalkulasikan sepanjang stripe pada setiap disk Parity disimpan dalam parity disk (-) jika parity disk gagal, tidak ada mekanisme pengecekan error #54 RAID 5 (2) Seperti RAID 4 Perbedaan: Parity di striped di semua disk Alokasi Round robin untuk semua parity stripe Mengatasi bottleneck parity disk pada RAID 4 Digunakan secara umum dalam network server #55 RAID 6 (2) Dua parity calculation Disimpan pada block berbeda pada setiap disk User requirement untuk N data memerlukan N+2 kapasitas data availability tinggi ❖ Tiga disk gagal untuk data loss ❖ Write penalty signifikan #56 Rangkuman RAID #57 Memory Sekunder: Memori Optik CD ROM (1) ❖ Data disimpan dalam bentuk pits ❖ Cara baca dengan memantulkan sinar laser ❖ Kerapatan data konstan ❖ Kecepatan linear konstan #59 CD ROM (3) ❖ Kelebihan CD ROM dibanding CD: ▪ Lebih rugged ▪ Mempunyai error-correction ❖ Permukaan CD ROM terdiri dari satu track berbentuk spiral ❖ Awal track berada di dekat pusat ❖ Track terbagi menjadi sektor yang ukurannya sama ❖ Data rate tetap → putaran disk di dekat pusat lebih cepat ❖ CD audio: ▪ Kecepatan linear konstan ▪ Single speed = 1.2 m/s ▪ Panjang track (spiral) = 5.27 km ▪ Lama waktu = 4391 seconds = 73.2 menit ❖ Kecepatan yang lain merupakan kelipatannya (misal 8x, 24x, 52x, dll), referensi diambil dari kecepatan floppy disc = 150 kBps #60 CD R/RW CD-Recordable (CD-R) ❖ Hanya dapat ditulisi satu kali saja ❖ Digunakan untuk membuat copy data dalam jumlah kecil ❖ Kompatibel dengan drive CD ROM CD-RW ❖ Dapat ditulisi berkali-kali ❖ Kebanyakan kompatibel dengan drive CD ROM ❖ Sebagai penyimpanan data sekunder ❖ Mempunyai kehandalan tinggi ❖ Tahan lama #61 DVD (1) DVD = Digital Video Disk ❖ Hanya menyimpan data video saja DVD = Digital Versatile Disk ❖ Dapat menyimpan data komputer dan data video Macam-macam DVD: (a) DVD-ROM ▪ DVD-5: satu sisi dan satu lapis, kapasitas total = 4,37 GB ▪ DVD-9: satu sisi dan dua lapis dimana kapasitas setiap lapisan adalah 4,37 GB dan 7,95 GB, sehingga kapasitas total menjadi 12,32 GB ▪ DVD-10: dua sisi masing-masing satu lapis, kapasitas total sebesar 8,74 GB ▪ DVD-18: dua sisi masing-masing dua lapis, kapasitas totalnya sebesar 15,9 GB (b) DVD-RW (Readable-Writeable) #62 DVD (2) #63 Karakteristik memori optik #64  Referensi [STA03] Stalling, William. 2003. “Computer Organization and Architecture: Designing for Performance”. 6th edition [STA03] Stalling, William. 2003. “Computer Organization and Architecture: Designing for Performance”. 6th edition  THANK YOU 9/25/2024 66