Transcript Pert.10 Sistem Memori Lanjutan

Pertemuan 10
(Sistem Memori)
5.1 MEMORI CACHE
Merupakan
memori
berukuran
kecil
berkecepatan tinggi yang berfungsi untuk
menyimpan sementara instruksi dan atau data
(informasi) yang diperlukan oleh processor.
1
Group 4 PTIK 09
Memori Cache terbagi menjadi 2
- Internal Chache yaitu memori yang terdapat
didalam prosesor, sering dikenal dengan nama first
level ( L1). Chache L1 dipasang langsung pada cip
prosesor. Chache L1 biasanya memiliki kapasitas
sangat kecil, berkisar antara antara 8 KB sampai 128
KB.
- External Chache yaitu memori yang terdapat
didalam motherboard, sering dikenaal dengan nama
second level ( L2 ). Chache L2 sedikit lebih lambat
daripada chache L1 tetapi memiliki kapasitas yang
jauh lebih besar, berkisar antara 64 KB sampai 16
MB.
2
Group 4 PTIK 09
Penggunaan memori cache.
Pada saat request read diterima dari prosesor, isi
blok word memori yang berisi lokasi tertentu
ditransfer ke cache satu word tiap satu waktu.
Selanjutnya, pada saat program mengacu pada suatu
lokasi pada blok ini, maka isi yang dimaksud dibaca
langsung dari cache. Biasanya memori cache dapat
menyimpan sejumlah blok pada tiap waktu tertentu,
tetapi jumlah ini kecil dibandingkan dengan jumlah
total blok dalam memori utama.
3
Group 4 PTIK 09
Tugas dari cache memori :
- Mengatasi kesenjangan kecepatan chip memori
biasa dengan CPU
- Mengurangi waktu tunggu CPU mendapatkan
data dari memori, sehingga dapat mengolah
instruksi lebih banyak.
- Pada sistem cache, CPU mengambil sekelompok
instruksi sekaligs dari memori primer dan
menaruhnya ke dalam cache. Sementara CPU
sedang melakukan instruksi yang ada dalam
register instruksi, bagian lain dari CPU
mengambil sebagian sekelompok instruksi lagi
dari memori primer.
4
Group 4 PTIK 09
MEMORI CACHE
5.1.1 FUNGSI MAPPING
Untuk membahas metode yang mungkin
untuk
menetapkan
dimana
blok
memori
ditempatkan di dalam cache, kita menggunakan
contoh kecil yang spesifik. Perhatikanlah suatu cache
dengan 128 blok yang masing-masing terdiri dari
dari 16 word, sehingga total 2048 (2K) word, dan
asumsikan bahwa memori utama adalah addressable
dengan alamat 16-bit. Memori utama memiliki 64K
word, yang akan kita tampilkan sebagai blok 34K
yang masing-masing trdiri dari 16 word.
5
Group 4 PTIK 09
Direct Mapping
Cara yang paling sederhana untuk menentukan
lokasi cache yang digunakan untuk menyimpan blok
memori adalah teknik direct-mapping. Keuntungan
dari direct mapping adalah sederhana dan murah.
Sedangkan kerugian dari direct mapping adalah
suatu blok memiliki lokasi yang tetap (Jika program
mengakses 2 block yang di map ke line yang sama
secara berulang-ulang, maka cache - miss sangat
tinggi).
6
Group 4 PTIK 09
Gambar Cache direct-mapped
7
Group 4 PTIK 09
Associative Mapping
Metode mapping yang jauh lebih fleksibel, dimana
blok memori utama dapat diletakkan ke dalam tiap
posisi blok cache. Dalam hal ini, 12 tag bit diperlukan
unutk mengidentifikasi blok memori pada saat blok
tersebut residen dalam cache. Tag bit alamat yang
diterima dari prosesor dibandingkan dengan tag bit
tiap blok cache untuk mengetahui apakah blok yang
diinginkan terdapat disana. Hal ini disebut teknik
associative-mapping.
8
Group 4 PTIK 09
Gambar Cache Associative-mapped
9
Group 4 PTIK 09
Set-associative mapping
Pada pemetaan ini, cache dibagi dalam
sejumlah sets. Setiap set berisi sejumlah line.
Pemetaan asosiatif set memanfaatkan kelebihankelebihan pendekatan pemetaan langsung dan
pemetaan asosiatif.
10
Group 4 PTIK 09
Gambar Cache set-associative-mapped dengan dua
blok per set
11
Group 4 PTIK 09
MEMORI CACHE
5.1.2 ALGORITMA PENGGANTIAN
Dalam cache direct mapped, posisi tiap blok ditetapkan
sebelumnya; karenanya tidak ada strategi penggantian. Dalam cache
associative dan set associative terdapat beberapa fleksibilitas. Pada
saat blok baru dibawa ke dalam cache dan semua posisi yang
mungkin untuk dipergunakannya telah penuh, maka controller
cache harus memutuskan blok lama mana yang di over-write.
Pada saat suatu blok akan di over-write, maka sangat
bijaksana untuk meng-overwrite yang paling lama tidak direferensi.
Blok ini disebut blok recently used (LRU), dan teknik tersebut
disebut algoritma penggantian LRU (LRU replacement algorithm).
Beberapa algoritma penggantian lain juga digunakan dalam praktek.
Aturan yang masuk akal secara intuitif adalah menghilangkan
blok paling “lama” dari set lengkap pada saat blok baru dimasukkan.
12
Group 4 PTIK 09
MEMORI CACHE
5.1.3 CONTOH TEKNIK MAPPING
Sekarang kita memperhatikan contoh detil
mengilustrasikan efek teknik mapping cache yang
berbeda. Asumsikan bahwa prosesor memiliki cache
instruksi dan data terpisah. Agar contoh tersebut tetap
sederhana, asumsikan cache data hanya memiliki ruang
untuk delapan blok data. Asumsikan juga bahwa tiap blok
hanya terdiri dari 16 bit word data dan memori word
addressable dengan 16 bit alamat. (parameter tersebut
tidak realistic untuk computer actual, tetapi
memungkinkan kita untuk mengilustrasikan teknik
mapping dengan jelas). Akhirnya, asumsikan algoritma
penggantian LRU digunakan untuk penggantian blok
dalam cache.
13
Group 4 PTIK 09
Cache Direct - Mapped
Dalam cache data direct-mapped, isi cache
berubah.
Kolom
dalam
tabel
tersebut
mengindikasikan-isi cache setelah berbagai lewatan
melalui dua loop program diselesaikan. Misalnya,
setelah lewatan kedua melalui loop pertama (j=1),
maka cache menyimpan elemen A(0,O) dan A(0,1),
Elemen tersebut berada dalam posisi blok 0 dan 4,
sebagaimana ditetapkan oleh tiga least-significant
bit_alamat.
14
Group 4 PTIK 09
Cache Associative-Mapped
Selama delapan lewatan pertama melalui loop
pertama, elemen dibawa ke posisi blok yang berurutan,
mengasumsikan bahwa cache tersebut pada awalnya
kosong. Selama lewatan kesembilan (j = 8), algoritma
LRU memilih A(0,0) di-overwrite oleh A(0,8). Lewatan
selanjutnya dan terakhir melalui loop j mengetahui
A(0,1) diganti dengan A(0,9). Sekarang, untuk delapan
lewatan pertama melalui loop kedua (i=9, 8, ..., 2) semua
elemen yang diperlukan didapat dalam cache. Pada saat
i=1, elemen yang diperlukan adalah A(0,1), sehingga
menggantikan elemen yang paling akhir digunakan,
A(0,9). Selama lewatan kedua A(0,0) menggantikan
A(0,8).
15
Group 4 PTIK 09
MEMORI CACHE
5.1.4 CONTOH CACHE DALAM PROSESOR KOMERSIAL
Cache 68040
68040 Motorola memiliki dua cache yang disertakan
pada chip prosesor - satu digunakan untuk instruksi dan yang
lain untuk data.
Cache ARM710AT
ARM710T adalah salah satu dari prosesor dalam famili
ini. Prosesor ini memiliki cache tunggal untuk instruksi dan
data.
Cache Pentium III
Pentium III adalah prosesor performa tinggi. Karena
performa tinggi tergantung pada akses cepat ke instruksi dan
data, maka Pentium III menggunakan dua tingkat cache.
16
Group 4 PTIK 09
Cache Pentium 4
Prosesor Pentium 4 dapat mempunyai hingga
tiga tingkat cache. Cache L 1 terdiri dari cache data
dan instruksi terpisah.
17
Group 4 PTIK 09
5.2 PERTIMBANGAN PERFORMA
Dua faktor kunci dalam kesuksesan komersial
komputer adalah performa dan biaya; tujuannya adalah
performa terbaik yang dimungkinkan pada harga
terendah. Tantangan dalam menetapkan alternatif desain
adalah
untuk
meningkatkan
performa
tanpa
meningkatkan biaya. Pengukuran umum kesuksesan
adalah rasio harga/performa.
Dalam bagian ini, kita
membahas fitur khusus desain memori yang
menghasilkan performa tinggi.
Performa tergantung pada seberapa cepat instruksi
mesin dapat dibawa ke dalam prosesor untuk eksekusi
dan seberapa cepat instruksi tersebut dapat dieksekusi.
18
Group 4 PTIK 09
PERTIMBANGAN PERFORMA
5.2.1 Interleaving
Jika memori utama komputer disusun sebagai kumpulan
modul yang terpisah secara fisik, tiap modul dengan address buffer
register (ABR) dan data buffer register (DBR)-nya, maka operasi
akses memori dapat dilanjutkan dalam lebih dari satu modul pada
saat yang sama. Sehingga, kecepatan agregat transmisi word ke dan
dari sistem memori utama dapat ditingkatkan.
5.2.2 Hit Rate DAN Miss Penalty
Indikator yang sangat bagus untuk keefektifan implementasi
hierarki memori tertentu adalah tingkat keberhasilan dalam
mengakses informasi pada berbagai level hierarki. Ingatlah bahwa
pengaksesan data yang berhasil dalam suatu cache disebut hit.
Jumlah hit yang dinyatakan sebagai fraksi semua akses yang
dilakukan disebut hit rate, dan miss rate adalah jumlah terlewat yang
dinyatakan sebagai fraksi akses yang dilakukan.
19
Group 4 PTIK 09
5.2.3 Cache dalam Chip Prosesor
Pada saat informasi ditransfer antar chip yang
berbeda, jeda yang cukup dimasukkan dalam driver
dan gerbang receiver pada chip. Sehingga dari sudut
pandang kecepatan, tempat optimal untuk cache
adalah pada chip prosesor. Sayangnya, ruang pada
chip prosesor diperlukan oleh banyak fungsi lain; hal
ini membatasi ukuran cache yang dapat
diakomodasinya.
20
Group 4 PTIK 09
21
5.2.4. Pengembangan Lainnya
Write Buffer
Untuk meningkatkan performa, buffer tulis (write
buffer) dapat disertakan untuk penyimpanan sementara
request tulis.
Prefetching
Prosesor harus berhenti hingga data baru tiba, yang
merupakan efek miss penalty.
Untuk
menghindari
penghentian
prosesor,
dimungkinkan untuk mem-prefetch data ke dalam cache
sebelum diperlukan.
Cache Lookup-Free
Cache yang dapat mendukung banyak outstanding miss
disebut lockup-free. Karena dapat melayani hanya satu miss
pada satu waktu, maka harus menyertakan sirkuit yang
mencatat
semua outstanding miss.
Group 4 PTIK 09
5.3 MEMORI VIRTUAL
Teknik yang secara otomatis memindahkan
program dan blok data ke dalam memori utama fisik
pada saat diperlukan untuk eksekusi disebut teknik
memori-virtual. Program dan prosesor, mereferensi
instruksi dan ruang data yang bebas dari ruang
memori utama fisik yang tersedia.
22
Group 4 PTIK 09
MEMORI VIRTUAL
5.3.1 Translasi Alamat
Metode sederhana untuk mentranslasi alamat
virtual menjadi alamat fisik adalah dengan
mengasumsikan bahwa semua program dan data
tersusun dari unit fixed-length yang disebut page,
yang masing-masing terdiri dari blok word yang
mempergunakan lokasi yang berdekatan di dalam
memori utama.
23
Group 4 PTIK 09
5.4 PERSYARATAN MANAJEMEN MEMORI
Routine manajemen adalah bagian darI sistem
operasi
komputer.
Sangat
baik
untuk
menggabungkan routine sistem operasi ke dalam
ruang alamat virtual, disebut ruang sistem, yang
terpisah dari ruang virtual dimana terdapat program
aplikasi user. Ruang berikutnya disebut ruang user.
Sebenarnya, terdapat sejumlah ruang user, satu
untuk tiap user. Hal ini diatur dengan menyediakan
tabel page terpisah untuk tiap user program.
24
Group 4 PTIK 09
5.5 PENYIMPANAN SEKUNDER
Memori semikonduktor yang dibahas dalam
bagian sebelumnya tidak dapat digunakan untuk
menyediakan semua kemampuan penyimpanan yang
diperlukan dalam komputer. Batasan utamanya
adalah biaya per bit informasi yang tersimpan.
Persyaratan penyimpanan besar kebanyakan sistem
komputer secara ekonomis direalisasikan dalam
bentuk disk magnetik, disk optik, dan tape magnetik,
yang
biasanya
disebut
sebagai
perangkat
penyimpanan sekunder.
25
Group 4 PTIK 09
PENYIMPANAN SEKUNDER
5.5.1 Harddisk Magnetik
Sebagaimana yang diimplikasikan nama
tersebut, media penyimpanan dalam sistem diskmagnetik terdiri dari satu atau lebih disk yang
dipasangkan pada kumparan bersama. Film
magnetik tipis disimpan pada tiap disk, biasanya
pada kedua sisi. Disk tersebut diletakkan dalam
drive berutar sehingga permukaan termagnetisasi
bergerak sangat dekat dengan head baca/tulis
26
Group 4 PTIK 09
Organisasi dan Pengaksesan Data pada Disk
Tiap permukaan dibagi menjadi track
konsentris, dan tiap track dibagi dalam sector. Set
track yang bersesuaian pada semua permukaan
stack disk membentuk cylinder logika. Data pada
semua track cylinder dapat diakses tanpa
menggerakkan head baca/tulis. Data diakses dengan
menetapkan nomor permukaan, nomor track, dan
nomor sector. Operasi Read dan Write mulai pada
batasan sector.
27
Group 4 PTIK 09
Waktu Akses
Terdapat dua komponen yang terlibat dalam
jeda waktu antara menerima alamat dan awal transfer data yang sebenarnya. Yang pertama, disebut
waktu pencarian (seek time), adalah waktu yang
diperlukan untuk memindahkan head baca/tulis
yang sesuai.
Komponen kedua adalah jeda rotasi (rotational
delay), yang juga disebut waktu latensi (latency time
, ni adalah jumlah waktu yang diperlukan dari saat
head ditempatkan pada track yang tepat hingga
posisi awal sector yang dituju lewat di bawah head
baca tulis.
28
Group 4 PTIK 09
5.5.2 Disk Optik
Perangkat penyimpanan besar dapat pula
diterapkan menggunakan alat optik. Compact disk
(CD) lazim, yang digunakan dalam sistem audio,
merupakan aplikasi praktis pertama dari teknologi ini.
5.5.3 Sistem Tape Magnetik
Tape magnetik cocok untuk penyimpanan offline sejumlah besar data. Tape magnetik biasanya
digunakan untuk tujuan backup harddisk dan media
penyimpanan arsip. Perekaman magnetic-tape
menggunakan prinsip yang sama dengan yang
digunakan dalam perekaman magnetic-disk.
29
Group 4 PTIK 09