orkom
1.PENGERTIAN ORGANISASI COMPUTER
Buku ini membahas tentang struktur dan fungsi komputer. Setelah mempelajari buku ini
diharapkan dapat memahami sifat dan karakteristik sistem-sistem komputer yang berkembang
saat ini. Tantangan yang dihadapi adalah adanya bermacam-macam komputer dan perkembangan
yang pesat dibidang komputer, namun demikian konsep dasar organisasi komputer telah
digunakan secara konsisten secara menyeluruh. Buku ini bermaksud untuk memberikan bahasan
lengkap dan mudah tentang dasar-dasar organisasi komputer.
1.1. Komputer
Komputer adalah sebuah mesin hitung elektronik yang secara cepat menerima informasi
masukan digital dan mengolah informasi tersebut menurut seperangkat instruksi yang tersimpan
dalam komputer tersebut dan menghasilkan keluaran informasi yang dihasilkan setelah diolah.
Daftar perintah tersebut dinamakan program komputer dan unit penyimpanannya adalah memori
komputer.
Dalam bentuk yang paling sederhana komputer terdiri dari lima bagian utama yang
mempunyai fungsi sendiri-sendiri. Unit-unit tersebut adalah: masukan, memori, aritmetika dan
logika, keluaran dan kontrol seperti pada gambar 1.1.
Gambar 1.1. Unit fungsional dasar pada komputer
BAB
1 Pengantar Organisasi
Komputer
Masukan
Keluaran
Memori
Aritmetika
dan
logika
Kontrol
2
Unit masukan menerima informasi yang yang dikodekan dari operator manusia lewat
alat-alat elektromekanik seperti papan ketik pada suatu terminal video, atau dari komputerkomputer
lain lewat jalur komunikasi digital. Informasi yang diterima dan disimpan dalam
memori untuk dipergunakan kelak, atau langsung diolah oleh rangkaian aritmetika dan logika
untuk melaksanakan operasi yang diinginkan. Langkah-langkah pengolahan ditentukan oleh
program yang disimpan dalam memori. Akhirnya hasil-hasil yang diperoleh dikirimkan kembali
keluar melalui unit keluaran. Seluruh kegiatan ini dikoordinasi oleh unit kontrol.
1.2. Organisasi Komputer
Organisasi Komputer adalah bagian yang terkait erat dengan unit–unit operasional dan
interkoneksi antar komponen penyusun sistem komputer dalam merealisasikan aspek
arsitekturalnya. Contoh aspek organisasional adalah teknologi hardware, perangkat antarmuka,
teknologi memori, sistem memori, dan sinyal–sinyal kontrol.
Arsitektur Komputer lebih cenderung pada kajian atribut–atribut sistem komputer yang
terkait dengan seorang programmer. Contohnya, set instruksi, aritmetika yang digunakan, teknik
pengalamatan, mekanisme I/O.
Sebagai contoh apakah suatu komputer perlu memiliki instruksi pengalamatan pada
memori merupakan masalah rancangan arsitektural. Apakah instruksi pengalamatan tersebut akan
diimplementasikan secara langsung ataukah melalui mekanisme cache adalah kajian
organisasional.
Perbedaan Utama
Organisasi Komputer
Bagian yang terkait erat dengan unit–unit operasional
Contoh: teknologi hardware, perangkat antarmuka, teknologi memori, sistem
memori, dan sinyal–sinyal kontrol
Arsitektur Komputer
atribut–atribut sistem komputer yang terkait dengan seorang programmer
Contoh: set instruksi, aritmetika yang digunakan, teknik pengalamatan, mekanisme
I/O
3
1.3. Struktur dan Fungsi Utama Komputer
1.3.1. Struktur Komputer
Komputer adalah sebuah sistem yang berinteraksi dengan cara tertentu dengan dunia luar.
Interaksi dengan dunia luar dilakukan melalui perangkat peripheral dan saluran komunikasi.
Dalam buku ini akan banyak dikaji seputar struktur internal komputer. Perhatikan gambar 1.2,
terdapat empat struktur utama:
Central Processing Unit (CPU), berfungsi sebagai pengontrol operasi komputer dan
pusat pengolahan fungsi – fungsi komputer. Kesepakatan, CPU cukup disebut sebagai
processor (prosesor) saja.
Memori Utama, berfungsi sebagai penyimpan data.
I/O, berfungsi memindahkan data ke lingkungan luar atau perangkat lainnya.
System Interconnection, merupakan sistem yang menghubungkan CPU, memori utama
dan I/O.
Gambar 1.2 StrukturDasar Komputer
4
Komponen yang paling menarik namun paling kompleks adalah CPU. Struktur CPU terlihat
pada gambar 1.2, dengan struktur utamanya adalah :
Control Unit, berfungsi untuk mengontrol operasi CPU dan mengontrol komputer secara
keseluruhan.
Arithmetic And Logic Unit (ALU), berfungsi untuk membentuk fungsi – fungsi
pengolahan data komputer.
Register, berfungsi sebagai penyimpan internal bagi CPU.
CPU Interconnection, berfungsi menghubungkan seluruh bagian dari CPU.
1.3.2. Fungsi Komputer
Fungsi dasar sistem komputer adalah sederhana seperti terlihat pada gambar 1.3. Pada
prinsipnya terdapat empat buah fungsi operasi, yaitu :
Fungsi Operasi Pengolahan Data
Fungsi Operasi Penyimpanan Data
Fungsi Operasi Pemindahan Data
Fungsi Operasi Kontrol
Gambar 1.3. Fungsi Komputer
Komputer harus dapat memproses data. Representasi data di sini bermacam–macam,
akan tetapi nantinya data harus disesuaikan dengan mesin pemrosesnya. Dalam pengolahan data,
5
komputer memerlukan unit penyimpanan sehingga diperlukan suatu mekanisme penyimpanan
data. Walaupun hasil komputer digunakan saat itu, setidaknya komputer memerlukan media
penyimpanan untuk data prosesnya. Dalam interaksi dengan dunia luar sebagai fungsi
pemindahan data diperlukan antarmuka (interface), proses ini dilakukan oleh unit Input/Output
(I/O) dan perangkatnya disebut peripheral. Saat interaksi dengan perpindahan data yang jauh atau
dari remote device, komputer melakukan proses komunikasi data. Gambar 1.4 mengilustrasikan
operasi–operasi komputer. Gambar 1.4a adalah operasi pemindahan data, gambar 1.24 adalah
operasi penyimpanan data, gambar 1.4c dan gambar 1.4d adalah operasi pengolahan data.
Gambar 1.4. Operasi-operasi Komputer
6
1.4. Garis Besar Buku
Bab 1 Pengantar Organisasi Komputer.
Berisi penjelasan tentang organisasi komputer, perbedaan utama organisasi komputer dengan
arsitektur komputer, struktur dan fungsi utama komputer, konsep dasar operasi komputer, dan
garis besar dari buku yang dipelajari.
Bab 2 Evolusi dan Kinerja Komputer
Berisi penjelasan tentang sejarah teknologi komputer, trend teknologi yang telah membuat unjuk
kerja yang menjadi fokus rancangan sistem komputer, dan meninjau bermacam-macam teknik
dan strategi yang digunakan untuk mencapai unjuk kerja yang seimbang dan efisien,
perkembangan pentium dan powerPC.
Bab 3 Struktur CPU
Berisi penjelasan tentang komponen utama CPU dan Fungsi CPU, pembahasan struktur dan
fungsi internal prosesor, organisasi ALU, control unit dan register, dan fungsi prosesor dalam
menjalankan instruksi-instruksi mesin.
Bab 4 Memori
Berisi penjelasan tentang memori utama komputer, tipe dari memori, waktu dan pengontrolan,
pembetulan kesalahan dan cache memori termasuk didalamnya adalah fungsi pemetaan.
Bab 5 Peralatan Penyimpanan
Berisi penjelasan tentang peralatan penyimpanan data diluar memori utama dan CPU, diantaranya
seperti magnet disk, RAID, Magnet Tape dan Optical Disk.
Bab 6 Unit Masukan dan Keluaran
Berisi penjelasan tentang system komputer unit input/output, prinsip dan teknik untit input/output
dan penjelasan singkat mengenai peralatan luar (External device).
Bab 7 Bus
Berisi penjelasan tentang struktur antar hubungan, bus antar hubungan, elemen dari desain bus,
PCI, SCSI, Fire wire dan USB.
7
Dalam bab ini mula-mula akan dibahas tentang sejarah singkat komputer karena beberapa
diantaranya merupakan dasar dari perkembangan komputer saat ini. Kemudian dibahas mengenai
bermacam-macam teknik dan strategi yang digunakan untuk mencapai unjuk kerja yang
seimbang dan efisien. Terakhir akan dibahas evolusi dua system yang sangat penting pada
komputer saat ini yaitu Pentium dan PowerPC.
2.1. Sejarah Singkat Komputer
2.1.1 Generasi Pertama : Tabung Vakum (1945 – 1955)
ENIAC
ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer), pada tahun 1946 dirancang dan dibuat
oleh John Mauchly dan John Presper Eckert di Universitas Pennsylvania merupakan komputer
digital elektronik untuk kebutuhan umum pertama di dunia. ENIAC dibuat di bawah lembaga
Army’s Ballistics Research Laboratory (BRL). Sebuah badan yang bertanggung jawab dalam
pembuatan jarak dan tabel lintasan peluru kendali senjata baru. Sebelumnya tugas ini dilakukan
oleh kurang lebih 200 personil dengan menggunakan kalkulator untuk menyelesaikan persamaan
matematis peluru kendali yang memakan waktu lama.
ENIAC mempunyai berat 30 ton, bervolume 15.000 kaki persegi, dan berisi lebih dari
18.000 tabung vakum. Daya listrik yang dibutuhkan sebesar 140 KW. Kecepatan operasi
mencapai 5.000 operasi penambahan per detik. ENIAC masih merupakan mesin desimal,
representasi data bilangan dalam bentuk desimal dan arimetiknya dibuat dalam bentuk desimal.
Memorinya terdiri atas 20 akumulator, yang masing – masing akumulatornya mampu
menampung 10 digit desimal. Setiap digit direpresentasikan oleh cincin yang terdiri atas 10 buah
tabung vakum. Kekurangan utama mesin ini adalah masih manual pemrogramannya, yaitu
dengan menyetel switch – switch, memasang dan menanggalkan kabel – kabelnya. ENIAC
selesai pada tahun 1946 sejak proposal diajukan tahun 1943, sehingga tahun 1946 merupakan
gerbang bagi zaman baru komputer elektronik.
BAB
2 Evolusi dan
Kinerja Komputer
8
John Van Neumann seorang ahli matematika
yang merupakan konsultan pembuatan ENIAC
pada tahun 1945 mencoba memperbaiki
kelemahan ENIAC dengan rancangan
komputer barunya, bernama EDVAC
(Electronic Discrete Variable Computer)
dengan konsep program tersimpan (storedprogram
concept)
Tahun 1946 komputer dengan stored-program concept dipublikasikasikan, yang
kemudian di kenal dengan Komputer IAS (Computer of Institute for Advanced Studies). Struktur
komputer IAS terlihat pada gambar 2.1. Komputer ini terdiri :
• Memori Utama, untuk menyimpan data maupun instruksi.
• Arithmetic Logic Unit (ALU), untuk mengolah data binner.
• Control Unit, untuk melakukan interpretasi instruksi – instruksi di dalam memori
sehingga adanya eksekusi instruksi tersebut.
• I/O, untuk berinteraksi dengan lingkungan luar.
Gambar 2.1 Struktur Komputer IAS
9
Memori IAS terdiri atas 1.000 lokasi penyimpanan yang disebut word. Word terdiri atas
40 binary digit (bit). Data maupun instruksi disimpan dalam memori ini, sehingga data maupun
instruksi harus dikodekan dalam bentuk biner. Format memori terlihat pada gambar 2.2. Setiap
bilangan terdiri atas sebuah bit tanda dan 39 bit nilai. Sebuah word terdiri atas 20 bit instruksi
dengan masing – masing 8 bit kode operasi (op code) dan 12 bit alamat.
Gambar 2.2 Format memori IAS
Struktur detail komputer IAS disajikan dalam gambar 2.3. Gambar ini menjelaskan
bahwa baik unit kontrol maupun ALU berisi lokasi – lokasi penyimpanan, yang disebut register,
yaitu :
• Memory Buffer Register (MBR), berisi sebuah word yang akan disimpan di dalam memori atau
digunakan untuk menerima word dari memori.
• Memory Address Register (MAR), untuk menentukan alamat word di memori untuk dituliskan
dari MBR atau dibaca oleh MBR.
• Instruction Register (IR), berisi instruksi 8 bit kode operasi yang akan dieksekusi.
• Instruction Buffer Register (IBR), digunakan untuk penyimpanan sementara instruksi sebelah
kanan word di dalam memori.
• Program Counter (PC), berisi alamat pasangan instruksi berikutnya yang akan diambil dari
memori.
• Accumulator (AC) dan Multiplier Quotient (MQ), digunakan untuk penyimpanan sementara
operand dan hasil ALU. Misalnya, hasil perkalian 2 buah bilangan 40 bit adalah sebuah
bilangan 80 bit; 40 bit yang paling berarti (most significant bit) disimpan dalam AC dan 40 bit
lainnya (least significant bit) disimpan dalam MQ.
IAS beroperasi secara berulang membentuk siklus instruksi. Komputer IAS memiliki 21
instruksi, yang dapat dikelompokkan seperti berikut ini :
• Data tranfer, memindahkan data di antara memori dengan register – register ALU atau antara
dua register ALU sendiri.
• Unconditional branch, perintah – perintah eksekusi percabangan tanpa syarat tertentu.
• Conditional branch, perintah – perintah eksekusi percabangan yang memerlukan syarat tertentu
agar dihasilkan suatu nilai dari percabangan tersebut.
10
• Arithmetic, kumpulan operasi – operasi yang dibentuk oleh ALU.
• Address Modify, instruksi – instruksi yang memungkinkan pengubahan alamat saat di komputasi
sehingga memungkinkan fleksibilitas alamat yang tinggi pada program.
Gambar 2.3 Struktur detail komputer IAS
11
Komputer Komersial
Tahun 1950 dianggap sebagai tahun kelahiran industri komputer dengan munculnya 2 buah
perusahaan yang saat itu mendominasi pasar, yaitu Sperry dan IBM.
Tahun 1947, Eckert dan Mauchly mendirikan Eckert-Mauchly Computer Corporation
untuk memproduksi komputer secara komersial. Komputer pertama yang mereka hasilkan adalah
UNIVAC I (Universal Automatic Computer). UNIVAC I menjadi tulang punggung penghitungan
sensus tahun 1950 di USA.
UNIVAC II yang memiliki kapasitas memori lebih besar dan kinerja yang lebih baik
diluncurkan tahun 1950. Mulai saat itu perusahaan telah mengembangkan produk – produk baru
yang kompatibel dengan produk sebelumnya sehingga pangsa pasar konsumen mereka tetap
terjaga menggunakan produknya.
IBM pun tidak mau kalah dengan mengeluarkan produk mereka yang akhirnya
mendominasi pangsa pasar bisnis saat ini. Seri IBM pertama adalah seri 701 tahun 1953 dan terus
berkembang menjadi lebih baik hingga sekarang.
2.1.2 Generasi Kedua : Transistor (1955 – 1965)
Sejak pesatnya teknologi semikonduktor hingga menghasilkan komponen transistor
membawa perubahan besar pada dunia komputer. Komputer era ini tidak lagi menggunakan
tabung vakum yang memerlukan daya operasional besar, tabung – tabung itu digantikan
komponen kecil bernama transistor. Konsumsi daya listrik amat kecil dan bentuknyapun relatif
kecil.
Transistor ditemukan di Bell Labs pada tahun 1947 dan tahun 1950 telah meluncurkan
revolusi elektronika modern. IBM sebagai perusahaan pertama yang meluncurkan produk
komputer dengan transistor sehingga tetap mendominasi pangsa pasar komputer. NCR dan RCA
adalah perusahaan yang mengembangkan komputer berukuran kecil saat itu, kemudian diikuti
IBM dengan mengeluarkan seri 7000-nya.
Dengan adanya transistor membuat hardware komputer saat itu makin cepat prosesnya,
lihat Tabel 2.1. Memori makin besar kapasitasnya namun makin kecil bentuknya. Generasi dua
ini juga terdapat perubahan perkembangan pada ALU yang makin kompleks, lahirnya bahasa
pemrograman tingkat tinggi maupun tersedianya software sistem operasi.
Generasi kedua juga ditandai munculnya Digital Equipment Corporation (DEC) tahun
1957 dan meluncurkan komputer pertamanya, yaitu PDP 1. Komputer ini sangat penting bagi
perkembangan komputer generasi ketiga.
12
Tabel 2.1 Kecepatan Generasi – Generasi Komputer
Gen Tahun Teknologi Kec (operasi/detik)
1 1946 – 1957 Tabung Vakum 40.000
2 1958 – 1964 Transistor 200.000
3 1965 – 1971 Small and medium scale integration 1.000.000
4 1972 – 1977 Large scale integration 10.000.000
5 1978 - Very large scale integration 100.000.000
IBM 7094
Komputer ini diluncurkan tahun 1962. Kemajuan IBM 7094 adalah adanya Instruction Backup
Register (IBR) yang berfungsi membeffer instruksi berikutnya, efeknya komputer akan lebih
cepat prosesnya. Unit kontrol mengambil dua word yang berdampingan dari memori untuk
sebuah pengambilan instruksi, kecuali bila terjadi percabangan.
Kemajuan IBM 7094 lainnya adalah adanya multiplexor untuk memultiplex data channel
(saluran data). Multiplexor berfungsi sebagai sentral switch data yang akan diproses dalam CPU.
Gambar 2.5 merupakan konfigurasi IMB 7094.
Gambar 2.5 Konfigurasi IBM 7094
13
1.1.3 Generasi Ketiga : Integrated Circuits (1965 – 1980)
Pada tahun 1958 terjadi revolusi elektronika kembali, yaitu ditemukannya integrated
circuit (IC) yang merupakan penggabungan komponen – komponen elektronika dalam suatu
paket. Dengan ditemukan IC ini semakin mempercepat proses komputer, kapasitas memori makin
besar dan bentuknya semakin kecil.
IBM System/360
Tahun 1964 dikeluarkan IBM System/360 yang telah menggunakan teknologi IC. Dalam satu
dekade IBM menguasai 70% pasaran komputer.
Sistem 360 merupakan kelompok komputer pertama yang terencana. Banyak model
dalam arsitektur 360 ini dan saling kompatibel. Hal ini sangat menguntungkan konsumen, karena
konsumen dapat menyesuaikan dengan kebutuhan maupun harganya. Pengembangan (upgrading)
dimungkinkan dalam komputer ini. Karakteristik komputer kelompok ini adalah :
• Set Instruksi Mirip atau Identik, dalam kelompok komputer ini berbagai model yang
dikeluarkan menggunakan set instruksi yang sama sehingga mendukung kompabilitas sistem
maupun perangkat kerasnya.
• Sistem Operasi Mirip atau Identik, ini merupakan feature yang menguntungkan konsumen
sehingga apabila kebutuhan menuntut penggantian komputer tidak kesulitan dalam sistem
operasinya karena sama.
• Kecepatan yang meningkat, model – model yang ditawarkan mulai dari kecepatan rendah
sampai kecepatan tinggi untuk penggunaan yang dapat disesuaikan konsumen sendiri.
• Ukuran Memori yang lebih besar, semakin tinggi modelnya akan diperoleh semakin besar
memori yang digunakan.
• Harga yang meningkat, semakin tinggi modelnya maka harganya semakin mahal.
Tabel 2.2 Karakteristik Penting Kelompok System/360
Karakteristik Model 30 Model 40 Model 50 Model 65 Model 75
Ukuran memori (Kb) 64 256 256 512 512
Laju data dari meori (Mbytes/det) 0.5 0.8 2.0 8.0 16.0
Prosesor cycle time (μdetik) 1.0 0.625 0.5 0.25 0.2
Jumlah maksimum data channel 3 3 4 6 6
Data maks per channel (Kbps) 250 400 800 1250 1250
14
DEC PDP-8
Pada tahun yang sama saat IBM mengeluarkan System/360, DEC meluncurkan DEC PDP-8.
Komputer ini memiliki keunggulan bentuknya yang kecil sehingga sangat fleksibel digunakan.
PDP-8 juga memiliki varian – varian yang modelnya sama dengan IBM System/360 untuk
menyesuaikan kebutuhan pelanggannya. Dengan hadirnya PDP-8 ini membawa DEC sebagai
perusahaan menyuplai komputer mini terbesar membawa DEC sebagai pabrik komputer terbesar
kedua setelah IBM.
Arsitektur PDP-8 sangat berbeda dengan IBM terutama bagian sistem bus. Pada
komputer ini menggunakan omnibus system. Sistem ini terdiri atas 96 buah lintasan sinyal yang
terpisah, yang digunakan untuk membawa sinyal – sinyal kontrol, alamat maupun data. Karena
semua komponen menggunakan jalur bus ini maka penggunaannya dikontrol oleh CPU.
Arsitektur bus seperti PDP-8 ini nantinya digunakan oleh komputer – komputer modern
selanjutnya. Struktur bus PDP-8 terlihat pada gambar 2.6.
Gambar 2.6 Struktur bus PDP-8
1.1.4 Generasi Keempat : Very Large Scale Integration (1980 - ????)
Era keempat perkembangan genarasi komputer ditandai adanya VLSI. Paket VLSI dapat
menampung 10.000 komponen lebih per kepingnya dengan kecepatan operasi mencapai 100juta
operasi per detiknya. Gambar 2.7 mengilustrasikan perkembangan mikroprosesor Pentium
terhadap jumlah transistor per kepingnya.
Masa – masa ini diawali peluncuran mikroprosesor Intel seri 4004. Mikroprosesor 4004
dapat menambahkan dua bilangan 4 bit dan hanya dapat mengalikan dengan cara pengulangan
penambahan. Memang masih primitif, namun mikroprosesor ini tonggak perkembangan
mikroprosesor – mikroprosesor canggih saat ini. Tidak ada ukuran pasti dalam melihat
mikroprosesor, namun ukuran terbaik adalah lebar bus data : jumlah bit data yang dapat dikirim –
diterima mikroprosesor. Ukuran lain adalah jumlah bit dalam register.
15
Tahun 1972 diperkenalkan dengan mikroprosesor 8008 yang merupakan mikroprosesor 8
bit. Mikroprosesor ini lebih kompleks instruksinya tetapi lebih cepat prosesnya dari
pendahulunya. Kemudian Bells dan HP menciptakan mikroprosesor 32 bit pada 1981, sedangkan
Intel baru mengeluarkan tahun 1985 dengan mikroprosesor 80386.
Gambar 2.7 Grafik jumlah transistor dalam chips Pentium
Tabel 2.3 Evolusi mikroprosesor Intel
Feature 8008 8080 8086 80386 80486
Tahun diperkenalkan
Jumlah instruksi
Lebar bus alamat
Lebar bus data
Jumlah flag
Jumlah register
Memori
I/O port
Waktu add register to register
1972
66
8
8
4
8
15KB
24
-
1974
111
16
8
5
8
64KB
256
1.3μ det
1978
133
20
16
9
16
1MB
64KB
0.3μ det
1985
154
32
32
14
8
4GB
64KB
0.125μ det
1989
235
32
32
14
8
4GB
4GB
0.06μ det
16
1.2 Perancangan Kinerja
Kinerja sebuah sistem komputer merupakan hasil proses dari seluruh komponen
komputer, yang melibatkan CPU, memori utama, memori sekunder, bus, peripheral. Dari segi
perkembangan program aplikasipun sangat menakjubkan. Aplikasi dekstop yang hampir dimiliki
semua sistem komputer saat ini meliputi :
• Pengolahan citra
• Pengenalan voice atau pembicaraan
• Video conference
• Mulitimedia
• Transfer data
Yang menakjubkan lagi adalah dari sudut pandang organisasi dan arsitektur komputer
saat ini adalah mirip dengan komputer IAS yang dibuat sekitar 50 tahun lalu, namun
perkembangan dan kecanggihannya dapat kita rasakan sekarang ini. Peningkatan kinerja
mikroprosesor ini terus berlanjut tidak kenal henti dengan berbagai teknik yang telah
dikembangkan, diantaranya :
• Branch Prediction, teknik dimana prosesor memungkinkan mengamati terlebih dahulu di dalam
software dan melakukan prediksi percabangan atau kelompok instruksi yang akan dieksekusi
berikutnya.
• Data Flow Analysis, prosesor akan menganalisa instruksi – instruksi yang tidak tergantung pada
hasil atau data lainnya untuk membuat penjadwalan yang optimum dalam eksekusi.
• Speculative Execution, dengan modal prediksi cabang dan analisis data, maka prosesor dapat
melakukan eksekusi spekulatif terlebih dahulu sebelum waktunya.
Perkembangan mikroprosesor, dilihat dari kapasitas operasi dan kecepatannya sangatlah
pesat. Perkembangan mikroprosesor ini sulit diimbangi oleh komponen lainnya semisal memori.
Hal ini menimbulkan masalah kesenjangan dan kurang sinkronnya operasi antar komponen.
Perhatikan laju perkembangan prosesor dibandingkan memori utama seperti terlihat pada gambar
2.8. Organisasi dan arsitektur komputer yang handal sangat diperlukan untuk mengatasi persoalan
seperti ini.
17
Gambar 2.8 Grafik perbandingan kecepatan mikroprosesor dan memori
Terdapat beberapa metode untuk mengatasi masalah perbedaan kecepatan operasi antara
mikroprosesor dengan komponen lainnya, diantaranya :
• Meningkatkan jumlah bit yang dicari pada suatu saat tertentu dengan melebarkan DRAM dan
melebarkan lintasa sistem busnya.
• Mengubah antarmuka DRAM sehingga lebih efisien dengan menggunakan teknik cache atau
pola buffer lainnya pada keping DRAM.
• Meningkatkan bandwidth interkoneksi prosesor dan memori dengan penggunakan hierarki bus –
bus yang lebih cepat untuk buffering dan membuat struktur aliran data.
Bidang lain yang menjadi fokus kajian peningkatan kinerja sistem komputer adalah
penanganan perangkat – perangkat I/O. Masalah yang terjadi hampir sama dengan memori.
Teknik penyelesaian yang digunakan umumnya adalah teknik buffering dan caching.
Target yang ingin dicapai dalam peningkatan kinerja adalah tercapainya keseimbangan
proses operasi antar komponen – komponen penyusun komputer sehingga menghasilkan kinerja
komputer yang tinggi.
1.3 Contoh Evolusi Komputer
Evolusi komputer yang akan dijelaskan adalah kelompok komputer Pentium Intel dan
PowerPC. Alasannya adalah komputer Pentium Intel mampu mendominasi pasaran dan secara
18
teknologi menggunakan rancangan CISC (complex instruction set computers) dalam
arsitekturnya. Sedangkan PowerPC merupakan kelompok komputer yang menerapkan teknologi
RISC (reduced instruction set computers). Detail tentang CISC dan RISC akan dijelaskan dalam
matakuliah Arsitektur CPU.
Pentium
Pentium merupakan produk Intel yang mampu mendominasi pasaran prosesor hingga saat ini.
Generasi demi generasi diluncurkan ke pasaran dengan kenaikan unjuk kerja yang menakjubkan
dalam memenuhi kebutuhan konsumennya.
Berikut evolusi prosesor keluaran Intel dari prosesor sederhana sampai prosesor keluaran saat ini:
• 8080, keluar tahun 1972 merupakan mikroprosesor pertama keluaran Intel dengan mesin 8 bit
dan bus data ke memori juga 8 bit. Jumlah instruksinya 66 instruksi dengan kemampuan
pengalamatan 16KB.
• 8086, dikenalkan tahun 1974 adalah mikroprosesor 16 bit dengan teknologi cache instruksi.
Jumlah instruksi mencapai 111 dan kemampuan pengalamatan ke memori 64KB.
• 80286, keluar tahun 1982 merupakan pengembangan dari 8086, kemampuan pengalamatan
mencapai 1MB dengan 133 instruksi.
• 80386, keluar tahun 1985 dengan mesin 32 bit. Sudah mendukung sistem multitasking. Dengan
mesin 32 bitnya, produk ini mampu menjadi terunggul pada masa itu.
• 80486, dikenalkan tahun 1989. Kemajuannya pada teknologi cache memori dan pipelining
instruksi. Sudah dilengkapi dengan math co-processor.
• Pentium, dikeluarkan tahun 1993, menggunakan teknologi superscalar sehingga memungkinkan
eksekusi instruksi secara paralel.
• Pentium Pro, keluar tahun 1995. Kemajuannya pada peningkatan organisasi superscalar untuk
proses paralel, ditemukan sistem prediksi cabang, analisa aliran data dan sistem cache memori
yang makin canggih.
• Pentium II, keluar sekitar tahun 1997 dengan teknologi MMX sehingga mampu menangani
kebutuhan multimedia. Mulai Pentium II telah menggunakan teknologi RISC.
• Pentium III, terdapat kemampuan instruksi floating point untuk menangani grafis 3D.
• Pentium IV, kemampuan floating point dan multimedia semakin canggih.
• Itanium, memiliki kemampuan 2 unit floating point, 4 unit integer, 3 unit pencabangan, internet
streaming, 128 interger register.
19
PowerPC
Proyek sistem RISC diawali tahun 1975 oleh IBM pada komputer muni seri 801. Seri pertama ini
hanyalah prototipe, seri komersialnya adalah PC RT yang dikenalkan tahun 1986. Tahun 1990
IBM mengeluarkan generasi berikutnya yaitu IBM RISC System/6000 yang merupakan mesin
RISC superskalar workstation. Setelah ini arsitektur IBM lebih dikenal sebagai arsitektur
POWER.
IBM menjalin kerja sama dengan Motorola menghasilkan mikroprosesor seri 6800,
kemudian Apple menggunakan keping Motorola dalam Macintoshnya. Saat ini terdapat 4
kelompok PowerPC, yaitu :
• 601, adalah mesin 32 bit merupakan produksi masal arsitektur PowerPC untuk lebih dikenal
masyarakat.
• 603, merupakan komputer desktop dan komputer portabel. Kelompok ini sama dengan seri 601
namun lebih murah untuk keperluan efisien.
• 604, seri komputer PowerPC untuk kegunaan komputer low-end server dan komputer desktop.
• 620, ditujukan untuk penggunaan high-end server. Mesin dengan arsitektur 64 bit.
• 740/750, seri dengan cache L2.
• G4, seperti seri 750 tetapi lebih cepat dan menggunakan 8 instruksi paralel.
20
Seperti telah dijelaskan pada bagian pengantar, bahwa komputer digital terdiri dari sistem
prosesor atau sering disebut CPU, memori – memori, dan piranti masukan/keluaran yang saling
berhubungan dan saling dukung mewujudkan fungsi operasi komputer secara keseluruhan.
3.1 Komponen Utama CPU
CPU merupakan komponen terpenting dari sistem komputer. CPU adalah komponen
pengolah data berdasarkan instruksi – instruksi yang diberikan kepadanya.
Dalam mewujudkan fungsi dan tugasnya, CPU tersusun atas beberapa komponen sebagai
bagian dari struktur CPU, seperti terlihat pada gambar 3.1 dan struktur detail internal CPU terlihat
pada gamber 3.2. CPU tersusun atas beberapa komponen, yaitu :
• Arithmetic and Logic Unit (ALU), bertugas membentuk fungsi – fungsi pengolahan data
komputer. ALU sering disebut mesin bahasa (machine language) karena bagian ini
mengerjakan instruksi – instruksi bahasa mesin yang diberikan padanya. Seperti istilahnya,
ALU terdiri dari dua bagian, yaitu unit arithmetika dan unit logika boolean, yang masing –
masing memiliki spesifikasi tugas tersendiri.
• Control Unit, bertugas mengontrol operasi CPU dan secara keselurahan mengontrol komputer
sehingga terjadi sinkronisasi kerja antar komponen dalam menjalankan fungsi – fungsi
operasinya. Termasuk dalam tanggung jawab unit kontrol adalah mengambil instruksi –
instruksi dari memori utama dan menentukan jenis instruksi tersebut.
• Registers, adalah media penyimpan internal CPU yang digunakan saat proses pengolahan data.
Memori ini bersifat sementara, biasanya digunakan untuk menyimpan data saat diolah ataupun
data untuk pengolahan selanjutnya.
• CPU Interconnections, adalah sistem koneksi dan bus yang menghubungkan komponen internal
CPU, yaitu ALU, unit kontrol dan register – register dan juga dengan bus – bus eksternal CPU
yang menghubungkan dengan sistem lainnya, seperti memori utama, piranti masukan/keluaran.
BAB
3 Struktur
CPU
21
Gambar 3.1 Komponen internal CPU
Gambar 3.2 Struktur detail internal CPU
22
3.2 Fungsi CPU
Fungsi CPU adalah penjalankan program – program yang disimpan dalam memori utama
dengan cara mengambil instruksi – instruksi, menguji instruksi tersebut dan mengeksekusinya
satu persatu sesuai alur perintah.
Untuk memahami fungsi CPU dan caranya berinteraksi dengan komponen lain, perlu kita
tinjau lebih jauh proses eksekusi program. Pandangan paling sederhana proses eksekusi program
adalah dengan mengambil pengolahan instruksi yang terdiri dari dua langkah, yaitu : operasi
pembacaan instruksi (fetch) dan operasi pelaksanaan instruksi (execute). Siklus instruksi yang
terdiri dari siklus fetch dan siklus eksekusi diperlihatkan pada gambar 3.3 berikut.
Gambar 3.3 Siklus instruksi dasar
3.2.1 Siklus Fetch - Eksekusi
Pada setiap siklus instruksi, CPU awalnya akan membaca instruksi dari memori. Terdapat
register dalam CPU yang berfungsi mengawasi dan menghitung instruksi selanjutnya, yang
disebut Program Counter (PC). PC akan menambah satu hitungannya setiap kali CPU membaca
instruksi.
Instruksi – instruksi yang dibaca akan dibuat dalam register instruksi (IR). Instruksi –
instruksi ini dalam bentuk kode – kode binner yang dapat diinterpretasikan oleh CPU kemudian
dilakukan aksi yang diperlukan. Aksi – aksi ini dikelompokkan menjadi empat katagori, yaitu :
23
• CPU – Memori, perpindahan data dari CPU ke memori dan sebaliknya.
• CPU –I/O, perpindahan data dari CPU ke modul I/O dan sebaliknya.
• Pengolahan Data, CPU membentuk sejumlah operasi aritmatika dan logika terhadap data.
• Kontrol, merupakan instruksi untuk pengontrolan fungsi atau kerja. Misalnya instruksi
pengubahan urusan eksekusi.
Perlu diketahui bahwa siklus eksekusi untuk suatu instruksi dapat melibatkan lebih dari sebuah
referensi ke memori. Disamping itu juga, suatu instruksi dapat menentukan suatu operasi I/O.
Perhatikan gambar 3.4 yang merupakan detail siklus operasi pada gambar 3.3, yaitu :
• Instruction Addess Calculation (IAC), yaitu mengkalkulasi atau menentukan alamat instruksi
berikutnya yang akan dieksekusi. Biasanya melibatkan penambahan bilangan tetap ke alamat
instruksi sebelumnya. Misalnya, bila panjang setiap instruksi 16 bit padahal memori memiliki
panjang 8 bit, maka tambahkan 2 ke alamat sebelumnya.
• Instruction Fetch (IF), yaitu membaca atau pengambil instruksi dari lokasi memorinya ke CPU.
• Instruction Operation Decoding (IOD), yaitu menganalisa instruksi untuk menentukan jenis
operasi yang akan dibentuk dan operand yang akan digunakan.
• Operand Address Calculation (OAC), yaitu menentukan alamat operand, hal ini dilakukan
apabila melibatkan referensi operand pada memori.
• Operand Fetch (OF), adalah mengambil operand dari memori atau dari modul I/O.
• Data Operation (DO), yaitu membentuk operasi yang diperintahkan dalam instruksi.
• Operand store (OS), yaitu menyimpan hasil eksekusi ke dalam memori.
Gambar 3.4 Diagram siklus instruksi
24
3.2.2 Fungsi Interrupt
Fungsi interupsi adalah mekanisme penghentian atau pengalihan pengolahan instruksi
dalam CPU kepada routine interupsi. Hampir semua modul (memori dan I/O) memiliki
mekanisme yang dapat menginterupsi kerja CPU.
Tujuan interupsi secara umum untuk menejemen pengeksekusian routine instruksi agar
efektif dan efisien antar CPU dan modul – modul I/O maupun memori. Setiap komponen
komputer dapat menjalankan tugasnya secara bersamaan, tetapi kendali terletak pada CPU
disamping itu kecepatan eksekusi masing – masing modul berbeda sehingga dengan adanya
fungsi interupsi ini dapat sebagai sinkronisasi kerja antar modul. Macam – macam kelas sinyal
interupsi :
• Program, yaitu interupsi yang dibangkitkan dengan beberapa kondisi yang terjadi pada hasil
eksekusi program. Contohnya: arimatika overflow, pembagian nol, oparasi ilegal.
• Timer, adalah interupsi yang dibangkitkan pewaktuan dalam prosesor. Sinyal ini memungkinkan
sistem operasi menjalankan fungsi tertentu secara reguler.
• I/O, sinyal interupsi yang dibangkitkan oleh modul I/O sehubungan pemberitahuan kondisi error
dan penyelesaian suatu operasi.
• Hardware failure, adalah interupsi yang dibangkitkan oleh kegagalan daya atau kesalahan
paritas memori.
Dengan adanya mekanisme interupsi, prosesor dapat digunakan untuk mengeksekusi
instruksi – instruksi lain. Saat suatu modul telah selesai menjalankan tugasnya dan siap menerima
tugas berikutnya maka modul ini akan mengirimkan permintaan interupsi ke prosesor. Kemudian
prosesor akan menghentikan eksekusi yang dijalankannya untuk menghandel routine interupsi.
Setelah program interupsi selesai maka prosesor akan melanjutkan eksekusi programnya kembali.
Saat sinyal interupsi diterima prosesor ada dua kemungkinan tindakan, yaitu interupsi
diterima/ditangguhkan dan interupsi ditolak. Apabila interupsi ditangguhkan, prosesor akan
melakukan hal – hal dibawah ini :
1. Prosesor menangguhkan eksekusi program yang dijalankan dan menyimpan konteksnya.
Tindakan ini adalah menyimpan alamat instruksi berikutnya yang akan dieksekusi dan data lain
yang relevan.
2. Prosesor menyetel program counter (PC) ke alamat awal routine interrupt handler.
Gambar 3.5 berikut menjelaskan siklus eksekusi oleh prosesor dengan adanya fungsi interupsi.
25
Gambar 3.5 Siklus eksekusi instruksi dengan interrupt
Untuk sistem operasi yang kompleks sangat dimungkinkan adanya interupsi ganda
(multiple interrupt). Misalnya suatu komputer akan menerima permintaan interupsi saat proses
pencetakan dengan printer selesai, disamping itu dimungkinkan dari saluran komunikasi akan
mengirimkan permintaan interupsi setiap kali data tiba. Dalam hal ini prosesor harus menangani
interupsi ganda.
Dapat diambil dua buah pendekatan untuk menangani interupsi ganda ini. Pertama adalah
menolak atau tidak mengizinkan interupsi lain saat suatu interupsi ditangani prosesor. Kemudian
setelah prosesor selesai menangani suatu interupsi maka interupsi lain baru di tangani.
Pendekatan ini disebut pengolahan interupsi berurutan / sekuensial. Pendekatan ini cukup baik
dan sederhana karena interupsi ditangani dalam ututan yang cukup ketat. Kelemahan pendekatan
ini adalah metode ini tidak memperhitungkan prioritas interupsi. Pendekatan ini diperlihatkan
pada gambar 3.6a.
Pendekatan kedua adalah dengan mendefinisikan prioritas bagi interupsi dan interrupt
handler mengizinkan interupsi berprioritas lebih tinggi ditangani terlebih dahulu. Pedekatan ini
disebut pengolahan interupsi bersarang. Metode ini digambarkan pada gambar 3.6b.
26
Gambar 3.6 Transfer pengendalian pada interupsi ganda
Sebagai contoh untuk mendekatan bersarang, misalnya suatu sistem memiliki tiga
perangkat I/O: printer, disk, dan saluran komunikasi, masing – masing prioritasnya 2, 4 dan 5.
Pada awal sistem melakukan pencetakan dengan printer, saat itu terdapat pengiriman data pada
saluran komunikasi sehingga modul komunikasi meminta interupsi. Proses selanjutnya adalah
pengalihan eksekusi interupsi mudul komunikasi, sedangkan interupsi printer ditangguhkan. Saat
pengeksekusian modul komunikasi terjadi interupsi disk, namun karena prioritasnya lebih rendah
maka interupsi disk ditangguhkan. Setelah interupsi modul komunikasi selesai akan dilanjutkan
interupsi yang memiliki prioritas lebih tinggi, yaitu disk. Bila interupsi disk selesai dilanjutkan
eksekusi interupsi printer. Selanjutnya dilanjutkan eksekusi program utama.
27
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.
4.1 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 4.1 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
BAB
4 Memori
28
keadaan sel brnilai 1 atau 0, sedangkan untuk operasi pembacaan, terminal ini digunakan sebagai
keluaran.
Gambar 4.1 Operasi sel memori
4.2 Karakteristik Sistem Memori
Untuk mempelajari sistem memori secara keseluruhan, harus mengetahui karakteristik –
karakteristik kuncinya. Karakteristik penting sistem memori disajikan dalam tabel 4.1 berikut :
Tabel 4.1 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
29
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.
30
• 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.
Berdasarkan karakteristik unjuk kerja, memiliki tiga parameter utama pengukuran unjuk kerja,
yaitu :
• 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 nonrandom
access memory dengan perumusan :
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 nonvolatile,
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).
31
4.3 Keandalan Memori
Untuk memperoleh keandalan sistem ada tiga pertanyaan yang diajukan: Berapa banyak ?
Berapa cepat? Berapa mahal?
Pertanyaan berapa banyak adalah sesuatu yang sulit dijawab, karena berapapun kapasitas
memori tentu aplikasi akan menggunakannya. Jawaban pertanyaan berapa cepat adalah memori
harus mempu 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.
Dilema yang dihadapi para perancang adalah keinginan menerapkan teknologi untuk
kapasitas memori yang besar karena harga per bit yang murah namun hal itu dibatasi oleh
teknologi dalam memperoleh waktu akses yang cepat. Salah satu pengorganisasian masalah ini
adalah menggunakan hirarki memori. Seperti terlihat pada gambar 4.2, bahwa semakin
menurunnya hirarki maka hal berikut akan terjadi :
• 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.
Tabel 4.2 Tabel spesifikasi memori
Tipe memori Teknologi Ukuran Waktu akses
Cache Memory semikonduktor RAM 128 – 512 KB 10 ns
Memori Utama semikonduktor RAM 4 – 128 MB 50 ns
Disk magnetik Hard Disk Gigabyte 10 ms, 10MB/det
Disk Optik CD-ROM Gigabyte 300ms, 600KB/det
Pita magnetik Tape 100 MB Det -mnt, 10MB/mnt
32
Gambar 4.2 Hirarki memori
4.4 Satuan Memori
Satuan pokok memori adalah digit biner, yang disebut bit. Suatu bit dapat berisi sebuah
angka 0 atau 1. Ini adalah satuan yang paling sederhana. Memori juga dinyatakan dalam byte (1
byte = 8 bit). Kumpulan byte dinyatakan dalam word. Panjang word yang umum adalah 8, 16,
dan 32 bit.
Tabel 4.3 Tingkatan 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
4.5 Memori Utama Semikonduktor
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.
33
4.5.1 Jenis Memori Random Akses
Semua jenis memori yang dibahas pada bagian ini adalah berjenis random akses, yaitu
data secara langsung diakses melalui logik pengalamatan wired-in. Tabel 4.4 adalah daftar jenis
memori semikonduktor utama.
Hal yang membedakan karakteristik RAM (Random Access Memory) adalah
dimungkinkannya pembacaan dan penulisan data ke memori secara cepat dan mudah. Aspek lain
adalah RAM bersifat volatile, sehingga RAM hanya menyimpan data sementara. Teknologi yang
berkembang saat ini adalah statik dan dinamik. RAM dinamik disusun oleh sel – sel yang
menyimpan data sebagai muatan listrik pada kapasitor. Karena kapasitor memiliki kecenderungan
alami untuk mengosongkan muatan, maka RAM dinamik memerlukan pengisian muatan listrik
secara periodik untuk memelihara penyimpanan data. Pada RAM statik, nilai biner disimpan
dengan menggunakan konfigurasi gate logika flipflop tradisional. RAM statik akan menyimpan
data selama ada daya listriknya.
RAM statik maupun dinamik adalah volatile, tetapi RAM dinamik lebih sederhana dan
rapat sehingga lebih murah. RAM dinamik lebih cocok untuk kapasitas memori besar, namun
RAM statik umumnya lebih cepat.
Read only memory (ROM) sangat berbeda dengan RAM, seperti namanya, ROM berisi
pola data permanen yang tidak dapat diubah. Data yang tidak bisa diubah menimbulkan
keuntungan dan juga kerugian. Keuntungannya untuk data yang permanen dan sering digunakan
pada sistem operasi maupun sistem perangkat keras akan aman diletakkan dalam ROM.
Kerugiaannya apabila ada kesalahan data atau adanya perubahan data sehingga perlu penyisipan –
penyisipan.
Kerugian tersebut bisa diantisipasi dengan jenis programmable ROM, disingkat PROM.
ROM dan PROM bersifat non-volatile. Proses penulisan PROm secara elektris dengan peralatan
khusus.
Variasi ROM lainnya adalah read mostly memory, yang sangat berguna untuk aplikasi
operasi pembacaan jauh lebih sering daripada operasi penulisan. Terdapat tiga macam jenis,
yaitu: EPROM, EEPROM dan flash memory.
EEPROM (electrically erasable programmable read only memory) merupakan memori
yang dapat ditulisi kapan saja tanpa menghapus isi sebelumnya. EEPROM menggabungkan
kelebihan non-volatile dengan fleksibilitas dapat di-update.
Bentuk memori semikonduktor terbaru adalah flash memory. Memori ini dikenalkan
tahun 1980-an dengan keunggulan pada kecepatan penulisan programnya. Flash memory
menggunakan teknologi penghapusan dan penulisan elektrik. Seperti halnya EPROM, flash
34
memory hanya membutuhkan sebuah transistor per byte sehingga dapat diperoleh kepadatan
tinggi.
Tabel 4.4 Tipe – tipe memori semikonduktor
4.5.2 Pengemasan (Packging)
Gambar 4.3a menunjukkan sebuah contoh kemasan EPROM, yang merupakan keping 8
Mbit yang diorganisasi sebagai 1Mx8. Dalam kasus ini, organisasi dianggap sebagai kemasan
satu word per keping. Kemasan terdiri dari 32 pin, yang merupakan salah satu ukuran kemasan
keping standar. Pin – pin tersebut mendukung saluran – saluran sinyal beikut ini :
• Alamat word yang sedang diakses. Untuk 1M word, diperlukan sejumlah 20 buah (220
= 1M).
• Data yang akan dibaca, terdiri dari 8 saluran (D0 –D7)
• Catu daya keping adalah Vcc
• Pin grounding Vss
• 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 ( diatas A19)
• Tegangan program (Vpp).
Konfigurasi pin DRAM yang umum ditunjukkan gambar 4.3b, untuk 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).
35
Gambar 4.3 Pin dan sinyal kemasan memori
Gambar 4.4 Packging SIMM
4.5.3 Koreksi Error
Dalam melaksanakan fungsi penyimpanan, memori semikonduktor dimungkinkan
mengalami kesalahan. Baik kesalahan berat yang biasanya merupakan kerusakan fisik memori
maupun kesalahan ringan yang berhubungan data yang disimpan. Kesalahan ringan dapat
dikoreksi kembali. Untuk mengadakan koreksi kesalahan data yang disimpan diperlukan dua
mekanisme, yaitu mekanisme pendeteksian kesalahan dan mekanisme perbaikan kesalahan.
Mekanisme pendeteksian kesalahan dengan menambahkan data word (D) dengan suatu
kode, biasanya bit cek paritas (C). Sehingga data yang disimpan memiliki panjang D + C.
Kesalahan akan diketahui dengan menganalisa data dan bit paritas tersebut. Mekanisme perbaikan
36
kesalahan yang paling sederhana adalah kode Hamming. Metode ini diciptakan Richard Hamming
di Bell Lab pada tahun 1950.
Gambar 4.5 Koreksi kesalahan dengan kode Hamming
Perhatikan gambar 4.5, disajikan tiga lingkaran Venn (A, B, C) saling berpotongan
sehingga terdapat 7 ruang. Metode diatas adalah koreksi kesalahan untuk word data 4 bit (D =4).
Gambar 4.5a adalah data aslinya. Kemudian setiap lingkaran harus diset bit logika 1 berjumlah
genap sehingga harus ditambah bit – bit paritas pada ruang yang kosong seperti gambar 4.5b.
Apabila ada kesalahan penulisan bit pada data seperti gambar 4.5c akan dapat diketahui karena
lingkaran A dan B memiliki logika 1 berjumlah ganjil.
Lalu bagaimana dengan word lebih dari 4 bit ? Ada cara yang mudah yang akan
diterangkan berikut. Sebelumnya perlu diketahui jumlah bit paritas yang harus ditambahkan
untuk sejumlah bit word. Contoh sebelumnya adalah koreksi kesalahan untuk kesalahan tunggal
yang sering disebut single error correcting (SEC). Jumlah bit paritas yang harus ditambahkan
lain pada double error correcting (DEC). Tabel 4.5 menyajikan jumlah bit paritas yang harus
ditambahkan dalam sistem kode Hamming.
37
Tabel 4.5 Penambahan bit cek paritas untuk koreksi kode Hamming
# Data Bits # Bit Paritas SEC # Bit Paritas DEC
8 4 5
16 5 6
32 6 7
64 7 8
128 8 9
512 9 10
Contoh koreksi kode Hamming 8 bit data :
Dari tabel 4.5 untuk 8 bit data diperlukan 4 bit tambahan sehingga panjang seluruhnya
adalah 12 bit. Layout bit disajikan dibawah ini :
Bit cek paritas ditempatkan dengan perumusan 2N dimana N = 0,1,2, ……, sedangkan bit
data adalah sisanya. Kemudian dengan exclusive-OR dijumlahkan ebagai berikut :
38
Setiap cek bit (C) beroperasi pada setiap posisi bit data yang nomor posisinya berisi bilangan 1
pada kolomnya.
Sekarang ambil contoh suatu data, misalnya masukkan data : 00111001 kemudian ganti bit data
ke 3 dari 0 menjadi 1 sebagai error-nya. Bagaimanakah cara mendapatkan bit data ke 3 sebagai
bit yang terdapat error?
Jawab :
Masukkan data pada perumusan cek bit paritas :
Sekarang bit 3 mengalami kesalahan sehingga data menjadi: 00111101
Apabila bit – bit cek dibandingkan antara yang lama dan baru maka terbentuk syndrom word :
Sekarang kita lihat posisi bit ke-6 adalah data ke-3.
Mekanisme koreksi kesalahan akan meningkatkan realibitas bagi memori tetapi resikonya
adalah menambah kompleksitas pengolahan data. Disamping itu mekanisme koreksi kesalahan
akan menambah kapasitas memori karena adanya penambahan bit – bit cek paritas. Jadi ukuran
memori akan lebih besar beberapa persen atau dengan kata lain kapasitas penyimpanan akan
berkurang karena beberapa lokasi digunakan untuk mekanisme koreksi kesalahan.
39
4.6 Cache Memori
Cache memori difungsikan mempercepat kerja memori sehingga mendekati kecepatan
prosesor. Konsepnya dijelaskan pada gambar 4.6 dan gambar 4.7. Dalam organisasi komputer,
memori utama lebih besar kapasitasnya namun lambat operasinya, sedangkan cache memori
berukuran kecil namun lebih cepat. Cache memori berisi salinan memori utama.
Pada saat CPU membaca sebuah word memori, maka dilakukan pemeriksaan untuk
mengetahui apakah word tersebut berada dalam cache memori. Bila ada dalam cache memori
maka dilakukan pengiriman ke CPU, bila tidak dijumpai maka dicari dalam memori utama,
selanjutnya blok yang berisi sejumlah word tersebut dikirim ke cache memori dan word yang
diminta CPU dikirimkan ke CPU dari cache memori. Karena fenomena lokalitas referensi, ketika
blok data diberikan ke dalam cache memori, terdapat kemungkinan bahwa word-word berikutnya
yang berada dalam satu blok akan diakses oleh CPU. Konsep ini yang menjadikan kinerja
memori lebih baik.
Gambar 4.6 Hubungan cache memori
Sehingga dapat disimpulkan bahwa kerja cache adalah antisipasi terhadap permintaan
data memori yang akan digunakan CPU. Apabila data diambil langsung dari memori utama
bahkan memori eksternal akan memakan waktu lama yang menyebabkan status tunggu pada
prosesor.
Ukuran cache memori adalah kecil, semakin besar kapasitasnya maka akan
memperlambat proses operasi cache memori itu sendiri, disamping harga cache memori yang
sangat mahal.
40
Gambar 4.7 Organisasi cache memori
4.7 Elemen Rancangan
Walaupun terdapat banyak implementasi cache, namun dari sisi organisasi maupun
arsitekturnya tidak banyak macamnya.
Tabel 4.6 Unsur – unsur rancangan cache memori
Unsur Macam
Kapasitas -
Ukuran blok -
Mapping 1. Direct Mapping
2. Assosiative Mapping
3. Set Assosiative Mapping
Algoritma pengganti 1. Least recently used (LRU)
2. First in first out (FIFO)
3. Least frequently used (LFU)
4. Random
Write Policy 1. Write Througth
2. Write Back
3. Write Once
Jumlah Cache 1. Singe atau dua level
2. Unified atau split
41
4.7.1 Kapasitas Cache
Menentukan ukuran memori cache sangatlah penting untuk mendongkrak kinerja
komputer. Dari segi harga cache sangatlah mahal tidak seperti memori utama. Semakin besar
kapasitas cache tidak berarti semakin cepat prosesnya, dengan ukuran besar akan terlalu banya
gate pengalamatannya sehingga akan memperlambat proses.
Kita bisa melihat beberapa merek prosesor di pasaran beberapa waktu lalu. AMD
mengeluarkan prosesor K5 dan K6 dengan cache yang besar (1MB) tetapi kinerjanya tidak bagus.
Kemudian Intel pernah mengeluarkan prosesor tanpa cache untuk alasan harga yang murah, yaitu
seri Intel Celeron pada tahun 1998-an hasil kinerjanya sangat buruk terutama untuk operasi data
besar, floating point, 3D. Intel Celeron versi berikutnya sudah ditambah cache sekitar 128KB.
Lalu berapa idealnya kapasitas cache? Sejumlah penelitian telah menganjurkan bahwa
ukuran cache antara 1KB dan 512KB akan lebih optimum [STA96].
4.7.2 Ukuran Blok
Elemen rancangan yang harus diperhatikan lagi adalah ukuran blok. Telah dijelaskan
adanya sifat lokalitas referensi maka nilai ukuran blok sangatlah penting. Apabila blok berukuran
besar ditransfer ke cache akan menyebabkan hit ratio mengalami penurunan karena banyaknya
data yang dikirim disekitar referensi. Tetapi apabila terlalu kecil, dimungkinkan memori yang
akan dibutuhkan CPU tidak tercakup. Apabila blok berukuran besar ditransfer ke cache, maka
akan terjadi :
1. Blok – blok yang berukuran lebih besar mengurangi jumlah blok yang menempati
cache. Karena isi cache sebelumnya akan ditindih.
2. Dengan meningkatnya ukuran blok maka jarak setiap word tambahan menjadi lebih
jauh dari word yang diminta, sehingga menjadi lebih kecil kemungkinannya digunakan
cepat.
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].
4.7.3 Fungsi Pemetaan (Mapping)
Telah kita ketahui bahwa cache mempunyai kapasitas yang kecil dibandingkan memori
utama. Sehingga diperlukan aturan blok – blok mana yang diletakkan dalam cache. Terdapat tiga
metode, yaitu pemetaan langsung, pemetaan asosiatif, dan pemetaan asosiatif set.
42
Pemetaan Langsung
Pemetaan langsung adalah teknik yang paling sederhana, yaitu teknik ini memetakan blok
memori utama hanya ke sebuah saluran cache saja. Gambar 4.8 menjelaskan mekanisme
pemetaan langsung.
Gambar 4.8 Organisasi cache pemetaan langsung
i = j modulus m dan m = 2r
dimana :
i = nomer saluran cache
j = nomer blok memori utama
m = jumlah saluran yang terdapat dalam cache
Fungsi pemetaan diimplementasikan dengan menggunakan alamat, yang terdiri dari tiga
field (tag, line, word), lihat gambar 4.8.
w = word, adalah bit paling kurang berarti yang mengidentifikasikan word atau byte unik
dalam blok memori utama.
s = byte sisa word yang menspesifikasi salah satu dari 2S blok memori utama. Cache
logik menginterpretasikan bit – bit S sebagai suatu tag s – r bit (bagian paling berarti
dalam alamat) dan field saluran r bit.
43
Efek pemetaan tersebut adalah blok – blok memori utama diberikan ke saluran cache seperti
berikut ini:
Jadi dalam metode ini pemetaan adalah bagian alamat blok memori utama sebagai nomer
saluran cache. Ketika suatu blok data sedang diakses atau dibaca terhadap saluran yang diberikan,
maka perlu memberikan tag bagi data untuk membedakannya dengan blok – blok lain yang dapat
sesuai dengan saluran tersebut.
Pada gambar 4.9 disajikan contoh pemetaan langsung dengan m = 16K, maka pemetaannya :
Perlu diketahui bahwa tidak ada dua buah blok yang dipetakan ke nomer saluran uang sama
memiliki tag sama. Sehingga 000000, 010000, …., FF0000 masing – masing memiliki tag 00, 01,
…., FF.
44
Gambar 4.9 Contoh pemetaan langsung
Teknik pemetaan ini sederhana dan mudah diimplementasikan, namun kelemahannya
adalah terdapat lokasi cache yang tetap bagi sembarang blok – blok yang diketahui. Dengan
demikian, apabila suatu program berulang – ulang melakukan word referensi dari dua blok yang
berbeda memetakan saluran yang sama maka blok – blok itu secara terus – menerus akan di-swap
ke dalam cache sehingga hit rasionya akan rendah.
Pemetaan Assosiatif
Pemetaan asosiatif mengatasi kekurangan pemetaan langsung dengan cara setiap blok memori
utama dapat dimuat ke sembarang saluran cache. Alamat memori utama diinterpretasikan dalam
field tag dan field word oleh kontrol logika cache. Tag secara unik mengidentifikasi sebuah blok
memori utama.
45
Mekanisme untuk mengetahui suatu blok dalam cache dengan memeriksa setiap tag
saluran cache oleh kontrol logika cache. Dengan pemetaan ini didapat fleksibilitas dalam
penggantian blok baru yang ditempatkan dalam cache. Algoritma penggantian dirancang untuk
memaksimalkan hit ratio, yang pada pemetaan langsung terdapat kelemahan dalam bagian ini.
Kekurangan pemetaan asosiatif adalah kompleksitas rangkaian sehingga mahal secara ekonomi.
Gambar 4.10 Organisasi cache dengan pemetaan asosiatif
Pemetaan Assosiatif Set
Pemetaan asosiatif set menggabungkan kelebihan yang ada pada pemetaan langsung dan
pemetaan asosiatif. Memori cache dibagi dalam bentuk
