Desain Memori Utama Semikonduktor

Pengertian Memori dan Memori Semikonduktor

Memori merupakan tempat penyimpanan informasi. Memori utama adalah memori dimana CPU mengambil instruksi selama program dieksekusi. kapasitas memori dan kecepatan adalah dua hal penting yang merupakan pemanfaatan efektif komputer. Beberapa jenis memori hingga kini telah dikembangkan dan pada praktisnya terdapat banyak konsep manajemen memori yang ada. 

Memori semikonduktor adalah memori komputer yang terbuat dari bahan semikonduktor, perangkat penyimpanan data elektronik ini biasanya diimplementasikan ke sebuah semikonduktor berbasis sirkuit terpadu (IC). Berdasarakan kemampuannya dalam menahan data saat tidak ada teganggan, memori semikonduktor dibedakan menjadi non-volatile dan volatile. Non-volatile sendiri adalah kemampuan memori semikonduktor untuk menyimpan data dalam perangkat bahkan saat komputer sudah tidak dialiri daya atau dengan kata lain komputer sudah dalam keadaan mati. Sedangkan volatile adalah ketidakmampuan memori menahan data atau dengan kata lain data akan hilang ketika komputer dimatikan.

Memori utama semikonduktor sering disebut sebagai inti. Penggunaan keping semikonduktor bagi memori utama hampir universal. Memori utama merupakan media penyimpanan dalam bentuk array yang disusun word atau byte, kapasitas daya simpan nya bisa jutaan susunan.  Setiap word atau byte mempunyai alamat tersendiri. Data yang disimpan pada memori utama ini bersifat volatile, artinya data yang disimpan bersifat sementara dan dipertahankan oleh sumber-sumber listrik, apabila sumber listrik dimatikan maka datanya akan hilang. Memori utama digunakan sebagai media penyimpanan data yang berkaitan dengan CPU atau perangkat Input/Output. Elemen dasar suatu memori semikonduktor adalah sel memori. Semua sel memori semikonduktor mempunyai sifat-sifat tertentu:

a.        Sel memori memiliki dua keadaan stabil yang dapat digunakan untuk merepresentasikan bilangan biner 1 dan 0.

b.        Sel memori mempunyai kemampuan untuk ditulisi untuk menetapkan keadaan.

c.         Sel memori mempunyai kemampuan untuk dibaca untuk merasakan keadaan.

1.        PARAMETER-PARAMETER MEMORI

Ada empat parameter penting yang signifikan dalam pemilihan sebuah memori komputer, yaitu :

a.       kapasitas

b.      kecepatan

c.       latency

d.      bandwidth

a.         Kapasitas

Memori dapat dipandang sebagai sebuah unit penyimpanan yang terdiri atas l jumlah lokasi yang masing-masing dapat menyimpan w jumlah bit. Dengan kata lain memori mempunyai l alamat dan panjang word w bit, jadi kapasitas total memori adalah l x w.

b.        Kecepatan

Parameter penting memori adalah kecepatan operasi. hal ini diukur dengan dua parameter: waktu akses tA dan waktu pemulihan (recovery time) tR. Untuk melakukan operasi baca, pertama alamat lokasi dikirim ke memori disertai dengan sinyal kontrol “baca”. Memori melakukan pengkodean (penerjemah) alamat, memilih lokasi dan membaca isi yang ada dalam lokasi memori tersebut. Waktu akses adalah waktu yang diperlukan oleh memori untuk melengkapi operasi baca segera ketika menerima sinyal kontrol “baca”. Umumnya waktu akses untuk operasi pembacaan memori berurutan harus dilakukan. Selama operasi baca pertama, pembacaan informasi memori diberikan setelah waktu akses. Data ini dapat segera digunakan oleh CPU, walaupun memori masih sibuk dengan beberapa operasi internal untuk sejumlah waktu tambahan yang disebut dengan waktu pemulihan. Selama waktu pemulihan ini, akses memori lainnya (baca atau tulis) tidak dapat dimulai. Operasi berikutnya baru dapat dimulaihanya setelah waktu pemulihan berakhir. Waktu siklus adalah total waktu akses dan waktu pemulihan (tC = tA + tR). Waktu ini adalah interval waktu minimum yang diperlukan dari awal operasi memori ke awal operasi memori berikutnya.

                 

Beberapa jenis memori seperti hard disk, mempunyai organisasi internal yang dalam akses pertamanya ke suatu lokasi (sektor) mempunyai waktu akses yang lama, sedangkan lokasi yang yang berdekatan mempunyai waktu akses yang singkat. Latency adalah waktu yang digunakan untuk mengakses lokasi (word) yang pertama dalam suatu rangkaian lokasi (blok lokasi).

c.         Bandwidth

Bandwidth adalah kecepatan transfer data memori yang dinyatakan dalam jumlah byte per detik.

2.        OPERASI MEMORI SECARA UMUM

Walaupun setiap jenis memori berbeda cara operasi internalnya, tetapi prinsip-prinsip operasi dasar tertentu adalah sama untuk semua sistem memori. Pemahaman ide-ide dasar akan membantu dalam mempelajari perangkat memori secara individu.

Setiap sistem memori memerlukan beberapa jenis saluran input dan output unutk melaksanakan fungsi-fungsi berikut :

a.       Memilih alamat memori yang akan diakses unutk operasi baca atau operasi tulis.

b.      Memilih operasi baca atau operasi tulis unutk dilaksanakan.

c.       Mensuplai data input untuk penyimpanan dalam memori ketika operasi penulisan.

d.      Menahan data output yang berasal dari memori ketika operasi pembacaan.

e.       Enable atau disable memori agar memori akan (tidak akan) merespon masukan alamat dan perintah baca/tulis.

a.      Masukan-masukan alamat

Memori yang dapat menyimpan 32 word, berarti memori ini memiliki 32 lokasi penyimpanan dan karena itu terdapat alamat-alamat biner 32 macam yaitu mulai dari 00000 sampai 11111 (0 sampai 31 dalam desimal). jadi, ada lima masukan alamat yaitu A0 sampai A4. Untuk mengakses satu lokasi memori untuk operasi baca atau tulis, maka digunakan lima bit kode alamat yang diberikan pada masukan alamat. Secara umum, masukan-masukan alamat N diperlukan untuk memori yang mempunyai kapasitas  word.

b.        Masukan R /

Masukan  R /  ini mengontrol operasi memori apakah operasi baca (R) atau tulis (W). input diberi label R /  , karenatidak ada tanda garis diatas R ini mengindikasikan operasi terjadi jika R /  = 1. Tanda garis diatas W berarti operasi tulis terjadi jika R /  = 0.

c.         Enable memori

Banyak sistem-sistem memori mempunyai cara dalam pengontrolan unutk menanggapi atau tidak menanggapi masukan-masukan dengan menggunakan saluran kontrol enable. Penamaan ini dapat mempunyai nama yang berbeda-beda misalnya chip enable (CE) atau chip select (CS).

3.      KLASIFIKASI MEMORI

Klasifikasi memori yang umum adalah berdasarkan fungsi, teknologi, modus penggunaan (kemampuan baca/tulis) serta metode akses.

Klasifikasi memori menurut jenis-jenis nya

a.      Kemampuan baca/tulis

Memori ROM (read only memory) hanya boleh dibaca oleh CPU. Memori baca/tulis dapat melakukan melakukan operasi baca dan tulis. Dalam industri komputer, memori semikonduktor baca/tulis dengan istilah RAM (diganti dengan RWM) walaupun secara teknik ROM semikonduktor juga adalah akses acak (random access memory).

b.      Metode akses

Metode akses merujuk pada mekanisme perbedaan pengaksesan lokasi dalam memori. Memori akses acak adalah memori yang membolehkan pengaksesan ke suatu lokasi tanpa ada keterkaitan dengan posisi fisik  dan tidak bergantung pada lokasi lain. Dengan kata lain, waktu akses sama untuk semua lokasi. Contoh memori akses acak adalah memori semikonduktor (RAM dan ROM).

Pada memori akses urut (sequential access), pembacaan suatu lokasi dilakukan secara berurut dimana setelah operasi baca atau tulis dilakukan, head baca/tulis diletakkan didepan lokasi berikutnya. Karena itu waktu akses akan berbeda setiap lokasi. Contoh memori akses urut adalah pita magnetik dan pita kertas.

Pada memori akses semi-acak, pemilihan lokasi  yang diakses menggunakan dua langkah: satu akses acak dan lainnya akses urut. Contoh memori akses semi-acak adalah memori magnetik (floppy disk dan hard disk) yang dikenal juga dengan nama memori akses langsung (direct access memory).

c.    Mode-mode penggunaan dan fungsi

Klasifikasi ini berdasarkan pada peranan memori pada komputer . pada dasarnya ada lima peranan memori dalam hubungannya dengan CPU: register internal, memori utama, memori sekunder, memori cache, dan memori virtual. Register mempunyai peran terbatas dalam penyimpanan informasi sementara ketika program berjalan. Register mempunyai waktu akses yang singkat/cepat. Register tertentu hanya dapat diakses oleh CPU sedangkan yang lainnya dapat juga diakses oleh program.

Memori Utama

CPU  mengambil (fetch) instruksi dari memori utama ketika program dijalankan. Memori ini dikenal juga dengan nama memori program dan memori primer. Untuk mengeksekusi program , program ditransfer ke dalam memori utama.

Memori utama adalah jenis memori akses acak. Pada suatu CPU,  kapasitas maksimum memori utama adalah  lokasi, dimana n adalah jumlah bit alamat memori. Secara praktis, komputer dapat mempunyai memori fisik lebih kecil karena pertimbangan harga. Namun, pengguna tidak perlu khawatir mengenai kapasitas memori (memori utama) fisik secara eksak karena ada cara tak langsung yang tersedia dalam penanganan program. Konsep memori virtual akan membantu menangani hal ini.

Secar fisik memori utama dapat diintegrasikan ke dalam sebuah IC prosesor dan juga ke mikrokontroler. Memori ini disebut on-chip memory atau memori internal. Biasanya ukurannya terbatas karena pertimbangan harga ruang dan harga IC. Beberapa bagian memori utama yang dimiliki komputer saat ini biasanya hanya dibaca, digunakan untuk menyimpan program kontrol permanen dan boot strap loader.

Memori Sekunder

     Memori sekunder dikeanl juga dengan nama memori pembantu. Memori ini digunakanuntuk menyimpan program dan data dalam volume yang besar. Memori ini lambat dan murah dibandingkan dengan memori utama. Saat ini biasa digunakan sebagai memori sekunder adalah floppy disk, hard disk, pita magnetik dan disk optik. Magnetik drum, pita kertas dan kartu kertas merupakan memori sekunder yang saat ini sudah tidak digunakan lagi. Untuk CPU (dan sistem operasi), memori sekunder menyimpan beberapa infor masi yang dapat di geser ke memori utamaketika diperlukan. CPU mengakses memori sekunder sebagai perangkat peripheral. Namun, sistem operasi dapat memanipulasi memori sekunder sebagai perpanjangan dari memori utama seperti yang terlihat pada konsep memori virtual. Umumnya memori sekunder ada yang akses urut (pita magnetik) dan semi-acak(hard disk).

Memori sekunder

Memori Cache

Memori cache merupakan sebuah penyangga tengah antara CPU dan memori utama. Kapasitasnya lebih kecil dibandingkan dengan memori utama karena sangat mahal. Kecepatannya beberapa kali dari memori utama. Karena itu sering diperlukan dalam menyalin data/instruksi dari memori utama ke memori cache. Ketika diperlukan oleh CPU , data/instruksi disediakan dari memori cache yang menggantikan pengaksesan memori utama. Secara efektif, waktu yang dibutuhkan dalam akses memori utama diambil alih oleh akses memori cache yang cepat. Namun jika data/instruksi yang diperlukan tidak ada dalam memori cache, maka barulah dilakukan pengaksesan ke memori utama.

Memori cache dapat dibagi dalam dua jenis:

- Memori cache gabung (menyimpan instruksi dan data)

- Memori cache instruksi dan cache data terpisah

Memori cache

Konsep memori cache

Memori cache gabungan

Memori cache data terpisah

Konsep penggabungan dan pemisahan instruksi dan data pada memori cache

Memori Virtual

     Memori virtual adalah suatu fitur/konsep yang membantu untuk menjalankan program yang panjang dalam sebuah memori fisik yang kecil. Sistem operasi mengatur program (besar) dengan hanya menyimpan sebagian di dalam memori utama dan menggunakan memori sekunder untuk menyimpan program keseluruhan. Ketika bagian program tertentu tidak terdapat di dalam memori utama, maka diambil dari memori sekunder. Perangkat keras CPU dan sistem operasi bekerja sama dalam melakukan hal tersebut pada saat program dijalankan.

     d.      Teknologi memori

Dahulu dalam beberapa tahun memori inti magnetik banyak digunakan sebagai memori utama pada komputer mainframe dan komputer mini, tetapi sekarang secara total diganti dengan memori semikonduktor. Memori magnetik bubble adalah memori serial, sangat lambat dan membutuhkan penyegaran ulang yang sirkuit kontrolnya sudah terdapat didalamnya.

Memori inti magnetik menggunakan prinsip magnetisasi unutk menyimpan 0 dan 1 dalam inti magnetik. Saat ini sudah tidak digunakan lagi sebagai memori utama dan telah digantikan oleh memori semikonduktor karena selain lambat, juga menggunakan daya dan ruang yang lebih besar. Sifat baik yang dimiliki memori inti adalah non-volatile yang alami. Memori inti tetap menyimpan isinya ketika daya dilepas.

Keuntungan utama memori semikonduktor dibanding memori inti adalah konsumsi daya rendah, waktu akses singkat, non-destructive read out dan ukuran kecil. Ada dua jenis memori semikonduktor yaitu paralel dan serial.

Jenis-jenis memori semikonduktor

4.        ARSITEKTUR ROM

Arsitektur internal (struktur) ROM sangat kompleks dan karena itu pembahasan arsitektur ROM

       a.       Larik register

Larik register menyimpan data yang telah diprogram ke dalam ROM. Setiap register berisi banyak sel-sel memori yang setara dengan ukuran word.

       b.      Decoder alamat

Kode alamat  yang digunakan menentukan isi register (8-bit) mana dalam larik yang akan ditempatkan pada bus data (enable). Bit-bit alamat  diumpankan ke decoder yang akan mengaktifkan atau memilih satu saluran baris-pilih dan bit-bit alamat   diumpankan pada decoder kedua yang akan mengaktifkan atau memilih satu saluran kolom-pilih.

       c.       Penyangga output

Register yang di-enable oleh masukan alamat akan menempatkan data pada bus data. Data ini diumpankan ke penyangga output, yang akan melewatkan data ke keluaran-keluaran data eksternal, hal ini disediakan dengan  = LOW. Jika  = HIGH, maka penyangga output berada dalam keadaan impendasi tinggi(tristate), dan  sampai  akan mengambang.

5.        PEWAKTUAN ROM

Ketika terjadi operasi pembacaan, terdapat waktu tunda perambatan (propagation delay) antara pemberian sebuah input ROM dan kemunculan data pada output. Waktu tunda ini disebut waktu akses  yang merupakan pengukuran kecepatan operasi ROM.

6.        JENIS-JENIS ROM

Memori ROM dibagi menjadi : MPROM, PROM, EPROM, EEPROM dan memori flash.

      a.       MPROM (Mask-programmed Read Only Memory)

Adalah memori yang isinya diprogram oleh pabrik secara teersembunyi di perusahaan pembuatnya, dimana isinya dipesan oleh pembeli. MPROM di program satu kali saja dan selanjutnya hanya dapat dibaca saja dan tak dapat dihapus.

      b.      PROM (Programmable Read Only Memory)

Adalah memori yang dapat diprogram oleh pemakai.

      c.       EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)

Adalah memori yang dapat diprogram juga dapat dihapus.

      d.      EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)

Adalah memori yangdiprogram dan dihapus secara listrik (menggunakan listrik). Memori ini dapat dihapus dan diprogram ulang sekitar 10.000 kali.

      e.       Memori flash

Adalah sebuah EEPROM jenis khusus yang dapat dihapus dan diubah dalam blok pada satu operasi besar (seperti kilat). Pada komputer, memori flash digunakan dalam dua cara :

*  Pengganti EPROM yang berisi BIOS. Ini dikenal dengan BIOS-flash. Membolehkan memperbarui isi BIOS dengan mudah tanpa mencabut IC dari sirkuit.

*  Pengganti hard disk. Opsi ini menarik karena beberapa keuntungan seperti tidak berat (ringan), konsumsi daya rendah, data mudah dibawa-bawa (portable).

7.        APLIKASI ROM

      a.       Firmware

Aplikasi ROM yang paling luas adalah dalam penyimpanan data dan kode-kode program yang harus tersedia pada sistem-sistem berbasis mikropresesor ketika catu daya di hidupkan. Data dan kode-kode program yang ini disebut firmware karena mereka tetap tersimpan di dalam hardware (yaitu chip-chip ROM) dan tidak ada yang menghapus selama operasi sistem normal.

      b.      Pengonversi data

Sirkuit pengonversi data menerima data yang dinyatakan dalam satu jenis kode dan menghasilkan keluaran yang dinyatakan dalam jenis yang lain.

      c.       Pembangkit fungsi

Adalah suatau sirkuit yang menghasilkan bentuk gelombang seperti gelombang sinus, gelombang gigi gergaji, gelombang segitiga dan gelombang kotak.

8.        RAM SEMIKONDUKTOR

Sebutan RAM berarti lokasi alamat memori dimana saja dapat diakses semudah mengakses lokasi alamat lainnya dalam memori tersebut tanpa ada perbedaan wktu akses seperti yang terjadi pada memori sekuensial.

     Kelemahan utama RAM adalah karena data akan hilang jika catu dayanya mati, atau biasa disebut dengan istilah memori volatile.

     Keuntungan utama RAM adalah karena dapat ditulis dan dibaca dengan cepat sama mudahnya.

9.        ARSITEKTUR SEMIKONDUKTOR

Ada dua jenis memori semikonduktor baca/tulis yaitu memori statik (static RAM) dan memori dinamik (dynamic RAM).

10.    STATIC RAM

Sel-sel memori SRAM pada dasarnya adalah sejumlah flip-flop yang akan tetap pada suatu keadaan yang diberikan (menyimpan bit) secara permanen, selama catu daya yang diberikan tidak terputus.

Aplikasi utama SRAM adalah pada daerah dimana kebutuhan memori yang jumlahnya kecil atau dimana dibutuhkan kecepatan tinggi.

11.    DYNAMIC RAM (DRAM)

RAM dinamik dipabrikasi menggunakan teknologi MOS dan untuk kapasitas besar, kebutuhan daya rendah, dan kecepatan operasi menengah. RAM dinamik menyimpan 1 dan 0 sebagai muatan pada sebuah kapasitor MOS kecil (khas beberapa picofarad). Karena kecendurungan muatan-muatan ini bocor setelah periode waktu tertentu, RAM dinamik memerlukan pengisian muatan ulang secara periodik terhadap sel-sel memori, hal ini disebut refreshing (penyegaran ulang) RAM dinamik.