Tugas Arsitektur dan Organisasi Komputer

 Arsitektur dan Organisasi Komputer
{ Cache Memory }
Dosen
Kelas
Nama
: Drs. Eko Polosoro, MM, MT
: XB
: Iis Widya Harmoko
Ronal Chandra
Yoga Prihastomo
MAGISTER ILMU KOMPUTER
UNIVERSITAS BUDI LUHUR
2011
 i 
Kata Pengantar
Dengan rahmat Allah SWT, kami dapat menyelesaikan tugas makalah mata kuliah
“Arsitektur dan Organisasi Komputer” sesuai waktu yang telah ditentukan.
Dalam makalah ini kami mengambil tema mengenai Cache Memory. Cache memory
merupakan memori yang memiliki kecepatan sangat tinggi, digunakan sebagai perantara
antara Main Memory dan CPU. Memori ini mempunyai kecepatan lebih tinggi daripada Main
Memory, namun harganya lebih mahal. Cache memory digunakan untuk menjembatani
perbedaan kecepatan CPU yang sangat tinggi dengan kecepatan RAM yang jauh lebih rendah.
Dengan menggunakan cache memory, sejumlah data dapat dipindahkan ke memori ini dalam
sekali waktu, dan kemudian ALU akan mengambil data tersebut dari memori ini. Dengan
pendekatan seperti ini, pemrosesan data dapat dilakukan lebih cepat daripada kalau CPU
mengambil data secara langsung dari RAM.
Seperti pepatah mengatakan: “Tak ada gading yang tak retak”. Oleh karena itu, kami
mohon masukan dari makalah yang telah kami sajikan guna penyempurnaan pada penulisan
makalah ini.
Jakarta, 18 Juni 2011
Hormat kami,
Tim Penyusun
 ii 
Daftar Isi
Kata Pengantar .........................................................................................................
Daftar Isi ....................................................................................................................
Daftar Gambar .........................................................................................................
Daftar Tabel ..............................................................................................................
ii
iii
iv
v
BAB I MAIN MEMORY
1.1. Pendahuluan ...................................................................................................
1.2. Pengelompokkan Memory .............................................................................
1.3. Jenis Memory ................................................................................................
1.4. Hubungan Antara CPU dengan Main Memory dal Alat-alat I/O ..................
1.5. Karakteristik Sistem Memory ........................................................................
1
2
3
5
8
BAB II CACHE MEMORY
2.1. Cache Memory ..............................................................................................
2.2. Level Cache Memory ....................................................................................
2.3. Kapasitas Cache .............................................................................................
2.4. Ukuran Blok ..................................................................................................
9
10
12
12
BAB III MAPPING CACHE MEMORY
3.1. Pemetaan ........................................................................................................
3.2. Algoritma Penggantian ..................................................................................
3.3. Write Policy ...................................................................................................
3.4. Miss Cache ....................................................................................................
14
21
22
23
BAB IV PENUTUP ...................................................................................................
24
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
 iii 
Daftar Gambar
Gambar 1.1. Vaccum Tubes ......................................................................................
3
Gambar 1.2. Mesin Vaccum Tubesdengan Magnetic Core Storage .........................
4
Gambar 1.3. Single LayerTthin Film dengan Ta2N Resistors ..................................
4
Gambar 1.4. Semiconductor Storage berbentuk SIMM ............................................
4
Gambar 1.5. Josephson Junction Chip ......................................................................
5
Gambar 1.6. Delta-Doped Charged Coupled Devices (CCD) ...................................
5
Gambar 1.7. Keterhubungan CPU, MM, dan I/O ......................................................
6
Gambar 1.8. Keterhubungan CPU, MM, dan I/O melalui Register ..........................
6
Gambar 2.1. Posisi Cache Memory pada Sistem Memory ........................................
9
Gambar 2.2. Sistem Interkoneksi yang terkait dengan Cache Memory .....................
9
Gambar 2.3. Contoh Level Cache pada Processor .....................................................
11
Gambar 3.1. Organisasi Direct Mapping ....................................................................
15
Gambar 3.2. Contoh Pengalamatan Direct Mapping..................................................
16
Gambar 3.3. Organisasi Associative Mapping ...........................................................
17
Gambar 3.4. Contoh Pengalamatan Associative Mapping .........................................
18
Gambar 3.5. Organisasi K-Way Set Associative Mapping ........................................
19
Gambar 3.6. Contoh Pengalamatan 2-Way Associative Mapping .............................
20
 iv 
Daftar Tabel
Tabel 1.1.
Karakteristik Sistem Memori .................................................................
8
Tabel 3.1.
Direct Mapping .......................................................................................
17
Tabel 3.2.
Associative Mapping ..............................................................................
19
Tabel 3.3.
Set Associative Mapping .........................................................................
21
 v 
BAB I
MAIN MEMORY
1.1. Pendahuluan
Main Memory (memory utama) atau lebih dikenal sebagai memori adalah sebuah
array yang besar dari word atau byte, yang ukurannya mencapai ratusan, ribuan,
atau bahkan jutaan. Setiap word atau byte mempunyai alamat tersendiri. Main
memory berfungsi sebagai tempat penyimpanan yang akses datanya digunakan oleh
CPU atau perangkat I/O. Main-memory termasuk tempat penyimpanan data yang
sementara (volatile), artinya data dapat hilang begitu sistem dimatikan.
Sistem operasi bertanggung jawab atas aktivitas-aktivitas yang berkaitan dengan
manajemen memori seperti: menjaga track dari memori yang sedang digunakan dan
siapa yang menggunakannya; memilih program yang akan di-load ke memori; dan
mengalokasikan dan mendealokasikan memoryspace sesuai kebutuhan.
Main memory dapat dibayangkan sebagai kumpulan kotak-kotak yang masing dapat
menyimpan suatu penggal informasi baik berupa data maupun instruksi. Umumnya
1 byte memory terdiri dari 8 bit dan tiap bit diwakili oleh 1 atau 0. Kombinasi bit
dalam1 byte tersebut membentuk suatu kode yang mewakili isi dari lokasi memory.
Kode yang digunakan untuk mewakilinya tergantung dari komputer yang digunakan,
dapat membentuk sistem kode BCD (Binary-Coded Decimal), sistem kode SBCDIC
(Standard Binary Coded Decimal Interchange Code), sistem kode EBCDIC
(Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) atau sistem kode ASCII
(American Standard Code for Information Interchange).
Misalnya suatu komputer mempunyai kapasitas memory 256 KB atau 262.144 byte,
yang berarti mempunyai 262.144 lokasi memori. Alamat dari memori ini adalah
bernomor 000000 sampai dengan 262.143.
 1 
1.2. Pengelompokkan Memory
Main memory terdiri dari:
A. RAM (Random Access Memory)
Merupakan memori yang dapat diisi dan diambil isinya oleh pemrogram. Semua
data dan program yang dimasukkan lewat alat input akan disimpan terlebih
dahulu di RAM. Struktur dari RAM, dibagi menjadi:
1. Input Storage, digunakan untuk menampung input yang dimasukkan lewat
alat input;
2. Program Storage, digunakan untuk menyimpan semua instruksi program
yang akan diproses;
3. Working Storage, digunakan untuk menyimpan data yang akan diolah dan
hasil dari pengolahan;
4. Output Storage, digunakan untuk menampung hasil akhir dari pengolahan
data yang akan ditampilkan ke alat output.
B. ROM (Read Only Memory)
Memori ini hanya dapat dibaca saja, programer tidak bisa mengisi sesuatu ke
dalam ROM. Isi ROM sudah diisi oleh pabrik pembuatnya berupa sistem operasi
yang terdiri dari program-program pokok yang diperlukan oleh sistem komputer,
seperti program untuk mengatur penampilan karakter, pengisian tombol kunci
dan bootstrap program.
Bootstrap program diperlukan pada waktu pertama kali sistem komputer
diaktifkan, yang proses ini disebut dengan istilah booting, yang terdiri dari:
1. Cold booting, yaitu proses mengaktifkan sistem komputer pertama kali untuk
mengambil bootsrap program dari keadaan listrik komputer mati.
2. Warm booting, yaitu proses pengulangan pengambilan bootstrap program
dalam keadaan komputer masih hidup.
 2 
Instruksi yang tersimpan di ROM disebut dengan microinstruction atau microcode
atau disebut juga firmware. Isi dari ROM tidak boleh hilang atau rusak, karena dapat
menyebabkan sistem komputer tidak berfungsi. ROM bersifat non volatile, artinya
isinya tidak hilang bila listrik komputer dimatikan. Jenis-jenis ROM:
1. PROM (Programmable Read Only Memory), yaitu ROM yang dapat diprogram
sekali saja dan tidak dapat diubah kembali
2. EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory), yaitu ROM yang dapat
dihapus dengan sinar ultra violet serta dapat diprogram kembali berulang-ulang
3. EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), yaitu
ROM yang dapat dihapus secara elektronik dan dapat diprogram kembali
1.3. Jenis Memory
Berdasarkan komponen yang digunakan terbagi atas :
A. Vacuum Tubes
Komputer generasi pertama ENIAC tahun 1946 menggunakan komponen tabung
hampa udara untuk main memory. Memori ini relatif berukuran besar dan tiaptiap tabung hampa udara mewakili 1 bit.
Gambar 1.1 – Gambar Vacuum Tubes
B. Magnetic Core Storage
Digunakan sekitar tahun 1960-1970. Terdiri dari ribuan cincin magnetik kecil
berukuran 18 mm dengan lubang berdiameter 10 mm. Tiap-tiap core dihubungkan dengan kabel kawat membentuk suatu bidang core (core plane) dan
ditumpuk membentuk suatu core stack.
 3 
Masing-masing core dapat menyimpan 1 bit bila dimagnetasi dengan suatu arus
listrik dari dua arah jurusan yang masing-masing bermuatan ½ arus.
Gambar 1.2 – Gambar Mesin Vacuum Tube dengan Magnetic Core Storage
C. Planar Thin-Film Storage
Terbuat dari lempengan tipis keramik atau metal tembus pandang yang berisi
kumpulan besi nikel berbentuk empat persegi panjang
kecil dihubungkan
dengan kabel-kabel.
Gambar 1.3 – Gambar Single LayerTthin Film dengan Ta2N Resistors
D. Semiconductor Storage
Mulai banyak digunakan sejak tahun 1970-an hingga sekarang. Terbuat dari
VLSI (Very Large Scale Integration) yaitu meletakkan sejumlah besar circuit ke
dalam suatu chip. Teknologi yang digunakan adalah MOS (Metal Oxide
Semiconductor) dan bersifat volatile.
Gambar 1.4 – Gambar Semiconductor Storage berbentuk Single In-line Memory Module (SIMM)
 4 
E. Josephson Junction
Diciptakan oleh Brian Josephson dari Inggris. Merupakan memori yang dapat
melakukan switch dari bit 1 ke bit 0 atau sebaliknya dengan kecepatan yang
tinggi, yaitu kurang dari sepertriliun detik. Menggunakan suatu tempat tertutup
yang berisi helium cair dengan suhu sekitar -200 derajat celcius.
Gambar 1.5 – Gambar Josephson Junction Chip
F. Charged-Coupled Device (CCD)
Merupakan memori yang terdiri dari ribuan metal bujur sangkar berukuran kecil
yang masing-masing dapat menyimpan informasi digit binari dalam bentuk
beban elektronik (electric charge)
Gambar 1.6 – Gambar Delta-Doped Charged Coupled Devices (CCD)
1.4. Hubungan Antara CPU dengan Main Memory dan Alat-Alat I/O
Berikut ini adalah hubungan antara CPU dengan main memory dan alat-alat I/O:
A. BUS
Disebut juga pathway, merupakan suatu sirkuit yang merupakan jalur
transportasi informasi antara dua atau lebih alat-alat dalam sistem komputer. Bus
yang menghubungkan antara CPU dengan main memory disebut dengan internal
bus, sedangkan yang menghubungkan CPU dengan alat-alat input/output disebut
external bus.
 5 
Jenis-jenis bus :
1. Data bus, yaitu bus yang digunakan untuk jalur transportasi data dan
instruksi;
2. Address bus, yaitu bus yang digunakan untuk jalur transportasi untuk alamat
di main memory untuk data atau instruksi yang akan diambil atau direkam;
3. Control bus, yaitu bus yang digunakan untuk mengirimkan signal sebagai
pemberitahuan akan dikirimkan suatu informasi atau telah diterimanya
informasi yang dikirimkan dari satu alat ke alat yang lain.
Gambar 1.7 – Gambar Keterhubungan CPU, MM, dan I/O
Di dalam internal bus, hubungan antara CPU dengan main memory melalui data bus
yang dihubungkan dengan memory data register (MDR), address bus yang
dihubungkan dengan memory address register (MAR) dan control bus yang
dihubungkan dengan control unit.
Gambar 1.8 – Gambar Keterhubungan CPU, MM, dan I/O melalui Register
 6 
B. I/O PORT
Alat-alat input/output tidak dilekatkan langsung dengan bus tetapi melalui suatu
I/O port atau I/O interface. Alat-alat input/output dapat berkomunikasi dengan
CPU dengan cara mengirimkan informasi yang akan dikomunikasikan lewat bus.
Informasi yang dikirim dari alat input/output (peripheral device) ke main
memory atau ke register di CPU diletakan di I/O port dan dikirimkan lewat data
bus. Demikian juga bila informasi dari main memory akan dikirimkan ke
peripheral device juga melalui data bus dan diterima di I/O port. Cara ini disebut
juga dengan program-controlled I/O. Cara ini banyak diterapkan pada alat I/O
yang hanya dapat menangani satu karakter atau 1 byte atau 1 word saja tiap saat
misalnya keyboard.
C. DMA CONTROLLER
Untuk peripheral device yang mempunyai kecepatan tinggi, tidaklah ekonomis
untuk pengiriman informasi byte per byte atau word per word, dan akan lebih
ekonomis bila pengiriman informasi dilakukan sekaligus per blok informasi. Bila
informasi dikirim sekaligus per blok dan CPU harus selalu mengawasi
pengiriman informasi, maka akan terjadi suatu waktu yang terbuang (idle time).
DMA (Direct Memory Access) merupakan suatu konsep yang akan membuat
komunikasi informasi antara peripheral device dengan main memory akan lebih
efisien. DMA controller mempunyai suatu processor sendiri di dalamnya
berupa IC khusus yang akan menangani operasi baca dan tulis antara main
memory dan device peripheral.
Dengan cara DMA ini, CPU cukup sekali saja memberi signal ke DMA
controller untuk melakukan pengiriman sejumlah blok data antara main memory
dengan device peripheral, yang selanjutnya urusan pengiriman data tersebut
akan dilakukan oleh processor di DMA tanpa turut campur dari CPU, sehingga
dapat melakukan pekerjaan yang lain.
Cara DMA ini biasanya digunakan untuk device peripheral yang mempunyai
kecepatan tinggi yang membutuhkan pengiriman blok data yang besar, misalnya
hard disk drive.
 7 
D. I/O CHANNEL
I/O Channel adalah suatu DMA controller yang digunakan bersama-sama untuk
sejumlah alat-alat I/O. Masing-masing alat I/O dihubungkan dengan suatu
channel lewat suatu controller. Sebuah controller dapat digunakan untuk
sejumlah alat-alat I/O sejenis, misalnya akan digunakan dua atau lebih disk drive
pada sebuah komputer.
1.5. Karakteristik Sistem Memori
Adapun karakteristik sistem memori adalah sebagaimana tabel berikut:
Karakteristik
Keterangan
Lokasi
1.
2.
3.
1.
2.
1.
2.
1.
2.
3.
4.
1.
2.
3.
1.
2.
1.
2.
Kapasitas
Satuan Transfer
Metode Akses
Kinerja
Tipe Fisik
Karakteristik Fisik
CPU
Internal (main)
External (secondary)
Ukuran word
Jumlah word
Block
Word
Sequential Access
Direct Access
Random Access
Associative Access
Access Time
Cycle Time
Transfer Rate
Semi konduktor
Magnetik
Volatile/Non-Volatile
Eraseable/Non-Eraseable
Tabel 1.1. Tabel Karakteristik Sistem Memori
 8 
BAB II
CACHE MEMORY
2.1. Cache Memory
Cache memory merupakan lokasi data sementara antara prosesor dengan main
memory. Penempatan cache memory ditujukan untuk mengurangi gap antara
kecepatan prosesor dengan kecepatan main memory. Gambar 2.1. di bawah ini
menunjukkan posisi cache memory yang diletakkan antara prosesor (CPU) dengan
main memory. Sedangkan gambar 2.2. memperlihatkan sistem interkoneksi untuk
cache memory.
CPU
Word
Transfer
Cache
Memory
Block
Transfer
Main
Memory
Gambar 2.1. Gambar Posisi Cache Memory pada Sistem Memory.
Gambar 2.2. Gambar Sistem Interkoneksi yang terkait dengan Cache Memory.
 9 
Cache berasal dari kata cash. Dari istilah tersebut cache adalah tempat
menyembunyikan atau tempat menyimpan sementara. Sesuai definisi tersebut cache
memory adalah tempat menympan data sementara. Cara ini dimaksudkan untuk
meningkatkan transfer data dengan menyimpan data yang pernah diakses pada cache
memory tersebut, sehingga apabila ada data yang ingin diakses adalah data yang
sama maka maka akses akan dapat dilakukan lebih cepat. Cache memory ini adalah
memori tipe SDRAM yang memiliki kapasitas terbatas namun memiliki kecepatan
yang sangat tinggi dan harga yang lebih mahal dari memori utama. Cache memory
ini terletak antara register dan RAM (memori utama) sehingga pemrosesan data
tidak langsung mengacu pada memori utama.
Karakteristik cache memory adalah sebagai berikut:
 Kapasitas relatif lebih kecil dari main memory, tetapi memiliki kecepatan yang
relativ lebih tinggi dibanding main memory;
 Cache memory merupakan suatu memori buffer (salinan data) bagi memori
utama;
 Meskipun cache menggunakan informasi yang tersimpan dalam memori utama,
tetapi ia tidak berhadapan secara langsung dengan memori utama;
 Word yang disimpan didalam cache memory adalah word yang diambil dari main
memory, yang dikerjakan sesuai perintah CPU.
2.2. Level Cache Memory
Hingga saat ini, cache memory terbagi atas tiga level yaitu L1, L2 dan L3. Cache
memory memori level 1 (L1) adalah cache memory yang terletak dalam prosesor
(internal cache). Cache memory ini memiliki kecepatan akses paling tinggi dan
harganya paling mahal. Ukuran memori berkembang mulai dari 8KB, 64KB dan
128KB. Cache memory level 2 (L2) memiliki kapasitas yang lebih besar yaitu
berkisar antara 256KB sampai dengan 2MB. Namun, cache memory L2 ini memiliki
kecepatan yang lebih rendah dari cache memory L1. Cache memory L2 terletak
terpisah dengan prosesor atau disebut dengan external cache.
 10 
Sedangkan cache memory level 3 hanya dimiliki oleh prosesor yang memiliki unit
lebih dari satu misalnya dualcore dan quadcore. Fungsinya adalah untuk mengontrol
data yang masuk dari tembolok L2 dari masing-masing inti prosesor.
Level 2 atau L2 cache merupakan bagian dari strategi penyimpanan multi level
untuk meningkatkan performa komputer. Terdapat tiga level cache yang digunakan
pada komputer, yaitu L1, L2 dan L3 cache. Tiap-tiap cache tersebut menjembatani
jarak (gap) diantara processor yang sangat cepat, dengan memori RAM (Random
Access Memory) yang jauh lebih lambat.
Sementara desainnya terus mengalami perubahan, L1 cache biasanya telah
terintegrasi (built in) ke dalam processor, sementara L2 cache biasanya terintegrasi
pada motherboard (bersamaan dengan L2 cache). Namun, beberapa processor kini
menggabungkan L2 cache serta L1 cache, dan bahkan beberapa diantaranya juga
menggungkan L3 cache. Kecepatan yang paling tinggi terdapat pada L1 cache,
kemudian menurun pada L2 dan L3 cache. Namun kebalikannya, semakin besar
angka cache, maka semakin besar pula kapasitas penyimpanan datanya.
Gambar 2.3. Gambar Contoh Level Cache pada Processor.
Tugas dari cache processor adalah untuk mengantisipasi data request, sehingga
ketika pengguna mengakses sebuah program yang sering digunakan, sebagai
contohnya, instruksi-instruksi yang dibutuhkan untuk menjalankan program tersebut
telah siap digunakan, disimpan pada cache. Ketika hal ini terjadi, CPU dapat
memproses request tanpa adanya jeda (delay), sehingga dapat meningkatkan
performa komputer secara drastis.
 11 
CPU pertama-tama akan memeriksa L1 cache, diikuti dengan L2 dan L3 cache.
Jika processor telah menemukan bit data yang dibutuhkan, maka disebut dengan
cache hit. Namun jika cache tidak menyediakan bit data yang dibutuhkan,
processor mendapatkan sebuah cache miss, dan data perlu ditarik dari RAM yang
lebih lambat atau hard disk yang juga lebih lambat.
2.3. Kapasitas Cache
Menentukan ukuran cache memory sangatlah penting untuk mendongkrak kinerja
komputer. Dari segi harga cache memory sangatlah mahal tidak seperti memori
utama. Semakin besar kapasitas cache tidak berarti semakin cepat prosesnya, dengan
ukuran besar akan terlalu banyak 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 memory yang besar (1MB) tetapi
kinerjanya tidak bagus. Kemudian Intel pernah mengeluarkan prosesor tanpa cache
memory 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 memory sekitar 128KB.
Lalu berapa idealnya kapasitas cache memory? Sejumlah penelitian telah
menganjurkan bahwa ukuran cache antara 1KB dan 512KB akan lebih optimum.
2.4. 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.
 12 
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.
`
 13 
BAB III
MAPPING CACHE MEMORY
3.1. Pemetaan
Karena saluran cache memory lebih sedikit dibandingkan dengan blok memori
utama, maka diperlukan algoritma untuk pemetaan blok memori utama ke dalam
saluran cache memory. Pemilihan terhadap fungsi pemetaan akan sangat menentukan bentuk organisasi cache memory.
Telah kita ketahui bahwa cache memory mempunyai kapasitas yang kecil
dibandingkan memori utama. Sehingga diperlukan aturan blok-blok mana yang
diletakkan dalam cache memory. Terdapat tiga metode, yaitu pemetaan langsung
(direct mapping), pemetaan asosiatif, dan pemetaan asosiatif set.
1. Direct Mapping
 Setiap blok pada main memory dipetakan dengan line tertentu pada cache.
i = j modulo C
di mana i adalah nomor line pada cache yang digunakan untuk meletakkan
blok main memory ke-j.
 Jika M = 64 dan C = 4, maka pemetaan antara line dengan blok menjadi
seperti berikut :
Line 0 can hold blocks 0, 4, 8, 12, ...
Line 1 can hold blocks 1, 5, 9, 13, ...
Line 2 can hold blocks 2, 6, 10, 14, ...
Line 3 can hold blocks 3, 7, 11, 15, ...
 Pada cara ini, address pada main memory dibagi 3 field atau bagian, yaitu:
o
Tag identifier.
o
Line number identifier
o
Word identifier (offset)
Pada gambar 3.1. tampak skema organisasi cache secara Direct Mapping.
 14 
 Word identifier berisi informasi tentang lokasi word atau unit addressable
lainnya dalam line tertentu pada cache.
 Line identifier berisi informasi tentang nomor fisik (bukan logika) line pada
cache.
 Tag identifier disimpan pada cache bersama dengan blok pada line.
o
Untuk setiap alamat memory yang dibuat oleh CPU, line tertentu yang
menyimpan copy alamat tsb ditentukan, jika blok tempat lokasi data
tersebut sudah dikopi dari main memory ke cache.
o
Tag yang ada pada line akan dicek untuk melihat apakah benar blok yang
dimaksud ada pada line tsb.
Gambar 3.1. Gambar Organisasi Direct Mapping.
Keuntungan menggunakan Direct Mapping antara lain:
 Mudah dan murah diimplementasikan.
 Mudah untuk menentukan letak salinan data main memory pada cache.
 15 
Kerugian menggunakan Direct Mapping antara lain:
 Setiap blok main memory hanya dipetakan pada 1 line saja.
 Terkait dengan sifat lokal pada main memory, sangat mungkin mengakses
blok yang dipetakan pada line yang sama pada cache. Blok seperti ini akan
menyebabkan seringnya sapu masuk dan keluar data ke/dari cache, sehingga
hit ratio mengecil. Hit ratio adalah perbandingan antara jumlah ditemukannya data pada cache dengan jumlah usaha mengakses cache.
Gambar 3.2. Gambar Contoh Pengalamatan Direct Mapping.
 16 
Ringkasan direct mapping nampak pada tabel berikut:
Item
Keterangan
Panjang alamat
Jumlah unit yang dapat dialamati
Ukuran Blok sama dengan ukuran Line
Jumlah blok di memori utama
Jumlah line di cache
Besarnya tag
(s + w) bits
2s+w words or bytes
2w words or bytes
2s+ w/2w = 2s
m = 2r
(s – r) bits
Tabel 3.1. Tabel Direct Mapping
2. Associative Mapping
 Memungkinkan blok diletakkan di sebarang line yang sedang tidak terpakai.
 Diharapkan akan mengatasi kelemahan utama Direct Mapping.
 Harus menguji setiap cache untuk menemukan blok yang diinginkan.
o
Mengecek setiap tag pada line
o
Sangat lambat untuk cache berukuran besar.
 Nomor line menjadi tidak berarti. Address main memory dibagi menjadi 2
field saja, yaitu tag dan word offset.
Gambar 3.3. Gambar Organisasi Associative Mapping.
 17 
 Melakukan pencarian ke semua tag untuk menemukan blok.
 Cache dibagi menjadi 2 bagian :
o
lines dalam SRAM
o
tag dalam associative memory
Gambar 3.4. Gambar Contoh Pengalamatan Associative Mapping.
Keuntungan Associative Mapping: cepat dan fleksibel.
Kerugiannya: biaya implementasi. Misalnya : untuk cache ukuran 8 kbyte
dibutuhkan 1024 x 17 bit associative memory untuk menyimpan tag identifier.
 18 
Ringkasan associative mapping nampak pada tabel berikut:
Item
Keterangan
Panjang alamat
Jumlah unit yang dapat dialamati
Ukuran Blok sama dengan ukuran Line
Jumlah blok di memori utama
Jumlah line di cache
Besarnya tag
(s + w) bits
2s+w words or bytes
2w words or bytes
2s+ w/2w = 2s
undetermined
s bits
Tabel 3.2. Tabel Associative Mapping
3. Set Associative Mapping
 Merupakan kompromi antara Direct dengan Full Associative Mapping.
 Membagi cache menjadi sejumlah set (v) yang masing-masing memiliki
sejumlah line (k)
 Setiap blok dapat diletakkan di sebarang line dengan nomor set:
nomor set = j modulo v
Gambar 3.5. Gambar Organisasi K-Way Set Associative Mapping.
 19 
 Jika sebuah set dapat menampung X line, maka cache disebut memiliki Xway set associative cache.
 Hampir semua cache yang digunakan saat ini menggunakan organisasi 2 atau
4-way set associative mapping.
Gambar 3.6. Gambar Contoh Pengalamatan 2-Way Associative Mapping.
Keuntungan menggunakan Set Associative Mapping antara lain:
 Setiap blok memori dapat menempati lebih dari satu kemungkinan nomor
line (dapat menggunakan line yang kosong), sehingga thrashing dapat
diperkecil
 Jumlah tag lebih sedikit (dibanding model associative), sehingga jalur untuk
melakukan perbandingan tag lebih sederhana.
 20 
Ringkasan set associative mapping nampak pada tabel berikut:
Item
Keterangan
Panjang alamat
Jumlah unit yang dapat dialamati
Ukuran Blok sama dengan ukuran Line
Jumlah blok di memori utama
Jumlah line dalam set
Jumlah set
Jumlah line di cache
Besarnya tag
(s + w) bits
2s+w words or bytes
2w words or bytes
2d
k
V=2d
Kv = k*2d
(s-d) bits
Tabel 3.3. Tabel Set Associative Mapping
3.2. Algoritma Penggantian
Yang dimaksud algoritma penggantian adalah suatu mekanisme pergantian blokblok dalam cache memory yang lama dengan data baru. Dalam pemetaan langsung
tidak diperlukan algoritma ini, namun dalam pemetaan asosiatif dan asosiatif set,
algoritma ini mempunyai peranan penting untuk meningkatkan kinerja cache
memory.
Banyak algoritma penggantian yang telah dikembangkan. Algoritma yang paling
efektif adalah Least Recently Used (LRU), yaitu mengganti blok data yang terlama
berada dalam cache memory dan tidak memiliki referensi. Algoritma lainnya adalah
First In First Out (FIFO), yaitu mengganti blok data yang awal masuk. Kemudian
Least Frequently Used (LFU) adalah mengganti blok data yang mempunyai
referensi paling sedikit. Teknik lain adalah algoritma Random, yaitu penggantian
tidak berdasakan pemakaian datanya, melainkan berdasarkan slot dari beberapa slot
kandidat secara acak.
 21 
3.3. Write Policy
Apabila suatu data telah diletakkan pada cache memory maka sebelum ada
penggantian harus dicek apakah data tersebut telah mengalami perubahan. Apabila
telah berubah maka data pada memori utama harus di-update. Masalah penulisan ini
sangat komplek, apalagi memori utama dapat diakses langsung oleh modul I/O, yang
memungkinkan data pada memori utama berubah, lalu bagaimana dengan data yang
telah dikirim pada cache? Tentunya perbedaan ini menjadikan data tidak valid.
Teknik yang dikenalkan diantaranya, write through, yaitu operasi penulisan
melibatkan data pada memori utama dan sekaligus pada cache memory sehingga
data selalu valid. Kekurangan teknik ini adalah menjadikan lalu lintas data ke
memori utama dan cache memory sangat tinggi sehingga mengurangi kinerja sistem,
bahkan bisa terjadi hang. Teknik lainnya adalah write back, yaitu teknik meminimasi
penulisan dengan cara penulisan pada cache memory saja. Pada saat akan terjadi
penggantian blok data cache memory maka baru diadakan penulisan pada memori
utama. Masalah yang timbul adalah manakala data di memori utama belum diupdate telah diakses modul I/O sehingga data di memori utama tidak valid.
Penggunaan multi cache terutama untuk multiprocessor adan menjumpai masalah
yang lebih komplek. Masalah validasi data tidak hanya antara cache memory dan
memori utama saja, namun antar cache memory juga harus diperhatikan. Pendekatan
penyelesaian masalah yang dapat dilakukan adalah dengan :
 Bus Watching with Write Through, yaitu setiap cache controller akan
memonitoring bus alamat untuk mendeteksi adanya operasi tulis. Apabila ada
operasi tulis di alamat yang datanya digunakan bersama maka cache controller
akan menginvalidasi data cache-nya.
 Hardware Transparency, yaitu adanya perangkat keras tambahan yang menjamin
semua updating data memori utama melalui cache direfleksikan pada seluruh
cache yang ada.
 Non Cacheable Memory, yaitu hanya bagian memori utama tertentu yang
digunakan secara bersama. Apabila ada mengaksesan data yang tidak di share
merupakan kegagalan cache.
 22 
3.4. Miss Cache
Saat miss menulis, anda bisa punya pilihan antara membawa blok ke cache (writeallocate) atau tidak (write-no-allocate). Saat miss membaca, anda selalu membawa
blok ke cache (lokalitas spasial atau temporal) - blok mana yang diganti:

tidak ada pilihan untuk direct-mapped cache

memilih secara acak way yang akan diganti

mengganti way yang paling jarang dipakai (LRU)

penggantian FIFO (round-robin)
Tipe miss cache adalah sebagai berikut:
 Miss wajib: terjadi saat pertama kali word memori diakses. Merupakan miss
untuk cache yang infinit.
 Miss kapasitas: terjadi karena program menyentuh banyak word yang lain
sebelum menyentuh ulang word yang sama. Merupakan miss untuk cache fullyassociative.
 Miss konflik: terjadi karena dua work dipetakan ke lokasi yg sama di cache.
Merupakan miss yang terjadi ketika berganti dari cache fully-associative ke
direct-mapped.
 23 
BAB IV
PENUTUP
Cache memory merupakan memori yang memiliki kecepatan sangat tinggi, digunakan
sebagai perantara antara Main Memory dan CPU. Memori ini mempunyai kecepatan lebih
tinggi daripada Main Memory, namun harganya lebih mahal. Cache memory digunakan untuk
menjembatani perbedaan kecepatan CPU yang sangat tinggi dengan kecepatan RAM yang
jauh lebih rendah. Dengan menggunakan cache memory, sejumlah data dapat dipindahkan ke
memori ini dalam sekali waktu, dan kemudian ALU akan mengambil data tersebut dari
memori ini. Dengan pendekatan seperti ini, pemrosesan data dapat dilakukan lebih cepat
daripada kalau CPU mengambil data secara langsung dari RAM.
 24 
DAFTAR PUSTAKA
Stallings, William. 2010. Computer Organization and Architecture 8th Edition.
Prentice Hall.
Daftar Website:
 http://en.wikipedia.org/wiki/Cache_coherency
 http://en.wikipedia.org/wiki/Cache_algorithms
 http://williamstallings.com/ComputerOrganization/COA8e-Instructor/index.html
 http://www.tomshardware.com/reviews/athlon-l3-cache,2416-2.html
 25 
LAMPIRAN
Processor
Type
Year
IBM 360/85
Mainframe
1968
PDP-11/70
Minicomputer
WAX 11/780
L1 Cache
L2 Cache
L3 Cache
16-32KB
-
-
1975
1KB
-
-
Minicomputer
1978
16KB
-
-
IBM 3033
Mainframe
1978
64KB
-
-
IBM 3090
Mainframe
1985
126-256KB
-
-
Intel 80486
PC
1989
8KB
-
-
Pentium
PC
1993
8KB
256-512KB
-
PowerPC 601
PC
1993
32KB
-
-
PowerPC 620
PC
1996
32KB
-
-
PowerPC G4
PC/Server
1999
32KB
256KB-1MB
-
IBM S/390 G4
Mainframe
1997
32KB
245KB
2MB
IBM S/390 G6
Mainframe
1999
256KB
8MB
2MB
Pentium 4
PC/Server
2000
8KB/8KB
256KB
-
IBM SP
High-end server
2000
64KB/32KB
8MB
-
Cray MTA
Supercomputer
2000
8KB
2MB
-
Itanium
PC/Server
2001
16KB/16KB
96KB
4MB
SGI Origin 2001
High-end server
2001
32KB/32KB
4MB
-
Itanium 2
PC/Server
2002
32 KB
256KB
6MB
IBM Power5
High-end server
2003
64KB
1.9MB
36MB
Cray XD-1
Supercomputer
2004
64KB/64KB
1MB
-
Tabel Perbandingan Cache Size. Sumber William Stalling.
 26 
Gambar Perbandingan Kecepatan Akses antara CPU dan Main Memory
 27 