Modul E4160 Unit 5 Sistem Ingatan

BAB 5.0 : SISTEM INGATAN 5.1

Ingatan Dalam Sistem Komputer

5.1.1 Fungsi Ingatan - berfungsi sebagai storan untuk menyimpan arahan-arahan dan data - terdiri daripada berbagai-bagai jenis, organisasi, teknologi, prestasi dan harga - dibahagikan kepada dua jenis yang utama, iaitu Ingatan Utama dan Ingatan Sekunder i.

Ingatan utama • menyimpan aturcara dan data (boleh capai dengan cepat oleh pemproses) yang akan dan sedang dilaksanakan oleh CPU • masa perlaksanaan untuk mana-mana aturcara adalah bergantung kepada kelajuan kitar pindahan ingatan. (Lebih pantas ingatan utama, lebih pantas komputer melaksanakannya) • Tidak semua aturcara dan data disimpan dalam ingatan utama kerana ini akan memerlukan ingatan utama yang besar dan seterusnya akan meningkatkan kos pembinaan • terdiri daripada dua jenis (RAM dan ROM)

ii. Ingatan sekunder • menyimpan aturcara dan data yang kurang diperlukan oleh komputer • kepantasan dan harga yang kurang • contohnya : hard disk, pen drive dan cakera magnet • aturcara dan data yang berada di ingatan sekunder dicapai oleh CPU melalui pengawal-pengawal I/O 5.1.2 Ciri-ciri Ingatan dan Kegunaan setiap cip (RAM, SRAM, DRAM, ROM, PROM, EPROM, EAROM, EEROM)

-

-

ciri-ciri perbandingan : kedudukan, muatan, prestasi, jenis, dan organisasi pengelasan terpenting bagi ingatan ialah dengan menurut kedudukannya berbanding dengan CPU: ingatan dalaman, ingatan utama dan ingatan sekunder Ingatan dalaman (internal memory) ialah daftar yang terdapat dalam CPU sama ada boleh dilihat oleh pengatur cara atau tidak. Daftar mengandungi maklumat yang paling kerap digunakan dan maklumat boleh dicapai serta-merta. Boleh dicapai secara langsung oleh CPU. Ingatan utama mengandungi aturcara dan data yang sedang dilaksanakan. Boleh dicapai secara langsung oleh CPU. Ingatan sekunder (secondary memory) mengandungi maklumat yang tidak diperlukan secara serta-merta dan dicapai oleh CPU melalui pengawal peranti masukan dan keluaran seperti cakera dan pita. Tiga pertimbangan terpenting dalam memilih peranti ingatan ialah kepantasan, harga dan saiz. Tiada peranti ingatan dapat memberi kepantasan, harga dan saiz yang terbaik serentak.

1

-

Jawapan kepada faktor reka bentuk ini ialah dengan menyusun peranti-peranti ingatan dalam suatu hierarki ingatan (memory hierarchy) yang dilambangkan dalam bentuk piramid. Peranti ingatan dibezakan menurut jarak dari CPU; semakin jauh dari CPU, peranti ingatan semakin murah dan masa capaian semakin lama. Amnya, tetapi tidak semestinya, peranti yang lebih murah mempunyai muatan yang besar. Dalam pyramid ingatan, ingatan yang terletak di bawah pyramid menyokong peranti yang diatasnya. Susun atur ini berkesan kerana ingatan bantuan yang perlahan jarang dicapai berbanding dengan ingatan pantas.

i. Ingatan Capaian Rawak, random access memory (RAM) • • •

•

Ingatannya boleh dibaca dan ditulis Merupakan ingatan jenis meruap iaitu kandungannya akan hilang bila bekalan kuasa di putuskan Digunakan bagi menyimpan data secara sementara (ketika CPU memproses) Kapasiti ingatan dinyatakan dalam jumlah bit yang dapat disimpan iaitu : Talian alamat : 12 (A0 – A11) Bas Data : 8 (D0 – D7) Kapasiti ingatan, 212 = 4096 bit Bilangan bit = kapasiti x bilangan bas data = 4096 x 8 = 32768 bit

•

Kendalian : Operasi menulis dan membaca (RAM) - Operasi menulis dan membaca akan dikawal oleh logic pada pin CS (chip select) dan WE (write enable) - Jika data ditulis ke dalam RAM maka pengkod alamat akan memberi logic rendah kepada pin CS dan WE - Jika data hendak dibaca, pin CS di beri logic rendah dan pin WE diberi logic tinggi. Dengan itu RAM dipilih dan ingatan dapat dibaca.

•

Terdapat dua jenis RAM

(a) RAM statik (SRAM) – static random access memory − Menggunakan flip – flop sebagai sel ingatan. − Satu sel biasanya diimplementasi dengan enam transistor MOS. Transistor-transistor ini membentuk flip-flop atau selak yang boleh menyimpan data selagi terdapat bekalan kuasa. − Data disimpan selagi bekalan kuasa dibekalkan kepada IC (ingatan meruap) − Di gunakan untuk sistem komputer berprestasi tinggi seperti supercomputer kerana kepantasan pemprosessan yang tinggi. − Guna kuasa yang tinggi. Ia keluarkan kuasa panas berlebihan bila digunakan terlalu lama.

(b) RAM dinamik (DRAM) – dynamic random access memory − Menggunakan hanya satu kapasitor dan satu transistor sebagai sel ingatan. − Data disimpan dalam bentuk bit sebagai cas-cas elektrik dalam kapasitor. Ia mesti di fresh kan setiap beberapa milisaat bagi mengekalkan datanya.

2

− Data yang disimpan oleh kapasitor (cajnya) – 0 dan 1 dalam masa terhad. − Penggunaan kuasa yang rendah berbanding SRAM − Harga lebih murah berbanding SRAM •

Contoh :

Jika RAM 256 bytes mempunyai I/O 4 bit hendak disambung kepada mikropemproses (256bytes) yang mempunyai sistem bas data 8 bit. Maka jumlah IC RAMyang diperlukan ialah, Ukuran IC (RAM) : 256 bytes / 4 bit output CPU : 256 bytes, 8 bit Jumlah IC = Sistem ingatan (RAM) yang diperlukan Ukuran IC ingatan (RAM) yang ada = 256 x 8 256 x 4 = 2 buah IC

ii. Ingatan Baca Sahaja, Read Only Memories (ROM) • •

ROM adalah jenis ingatan semikonduktor yang direkabentuk untuk menyimpan data secara kekal atau tidak selalu diubah Data hanya boleh dibaca dari ROM • Semasa operasi biasa, tiada data baru ditulis ke dalam ROM tetapi data boleh dibaca dari ROM • Data di simpan di dalam ROM semasa proses pembuatan dikilang • Proses memasukkan data dipanggil pengaturcaraan ROM. Sebahagian ROM tidak membenarkan data yang ada padanya ditukar setelah dimasukkan, terdapat juga yang boleh dipadam dan diprogram semula seberapa kerap • ROM digunakan untuk menyimpan data dan maklumat yang tidak boleh ditukar semasa sistem beroperasi • Kegunaan utama ROM adalah menyimpan aturcara dalam komputer • Ingatan tak meruap, maka aturcara tidak akan hilang bila mikrokomputer di OFF. Bila mikrokomputer di ON, maka aturcara yang tersimpan akan dilaksanakan

•

Kendalian : - Bagi membolehkan operasi baca, pin CE (chip enable) dan OE (output enable) diberi logic rendah, dengan itu ROM akan dipilih dan data dapat dibaca.

•

beberapa jenis ROM antaranya ialah :

(a)

ROM (Read Only Memory) - Ingatan baca sahaja - Ia diaturcara oleh pengeluar mengikut speksifikasi pengguna

3

- Diaturcara menggunakan teknologi ‘photo mask’Dihasilkan dalam

kuantiti yang banyak disebabkan masa yang panjang dan kosnya tinggi

(b)

PROM (Programmable Read Only Memory) - Ingatan baca sahaja yang boleh diaturcara oleh pengguna tetapi hanya secali sahaja - Ia diaturcara menggunakan PROM burner - Data atau suruhan akan disimpan secara kekal di dalam ingatan

(c) EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory)

- Ia merupakan ingatan baca sahaja yang boleh diaturcara dan dipadam - Ia diaturcara menggunakan EPROM programmer atau EPROM burner - Jika ia hendak diaturcara semula kandungannya mestilah dipadam terlebih dahulu - Kandungannya boleh dipadam menggunakan EPROM eraser (didedahkan kepada cahaya ultraviolet selama 12 minit)

(d)

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) - Ia merupakan ingatan baca sahaja yang boleh diaturcara dan dipadam menggunakan isyarat (denyut) elektrik (proses hanya 10ms) - Kebaikan : Ia tak perlu dikeluarkan dari litar

5.1.3 Kendalian Am Ingatan 1. 2. 3.

Prinsip Asas : Pilih alamat yang dicapai dalam ingatan bagi kendalian baca atau kendalian tulis. Pilih sama ada kendalian baca atau tulis yang akan dilaksanakan. Bekalkan data masukan yang akan disimpan dalam ingatan semasa kendalian tulis. 4. Pegang data keluaran yang datang daripada ingatan semasa kendalian baca. 5. Bolehkan (lumpuhkan) ingatan supaya ia dapat (atau tidak dapat) menyambut masukan alamat dan arahan baca/tulis. -

Operasi Baca • maklumat dipindahkan dari ingatan ke pemproses • untuk membaca data dalam ingatan, alamat maklumat yang dikehendaki diberikan oleh pemproses kepada ingatan - perintah BACA dikeluarkan • apabila ingatan melihat kedua-dua maklumat ini, ia mengeluarkan data yang terletak di alamat yang dinyatakan ke bas data. Data ini akhirnya dibaca oleh CPU.

-

Operasi Tulis • memindahkan data dari CPU ke dalam ingatan • bas data tidak menjadi output ingatan tetapi berfungsi sebagai input

4

•

Untuk menulis data ke dalam ingatan, CPU memberikan alamat dimana data akan disimpan ke bas alamat - data yang akan disimpan dikeluarkan ke bas data - perintah TULIS diberi • Apabila ingatan melihat kesemua maklumat ini, ia menyimpan data di alamat yang dinyatakan. 5.1.4 Pengalamatan Ingatan (pemetaan alamat)

-

-

Suatu mikropemproses memerlukan saiz memori yang besar bagi menyimpan program dan data Memori boleh terdiri dari sejumlah daftar (register) yang besar, dimana setiap daftar mempunyai nama tersendiri atau alamat Bagi membolehkan mikropemproses mencapai data pada setiap daftar, mikropemproses mesti menggunakan alamat yang dikhaskan bagi setiap daftar Apabila alamat daftar tersebut telah dicapai maka mikropemproses boleh membaca /ambil sebarang data yang tersimpan pada memori tersebut atau menulis /simpan sebarang data pada alamat tersebut Semua alatan yang bersambung dengan mikropemproses mestilah diberi alamat yang unik. Selain dari ingatannya, semua peranti luaran seperti keyboard, monitor, parallel dan serial ports mesti diberi nama/alamat khas Contoh : Jika suatu komputer peribadi (PC) mempunyai ciri-ciri: • CPU 8 bit bas data dan 16 bit bas alamat • 12 Kbyte ROM • 4 Kbyte untuk I/O ports • 16 Kbyte RAM maka pemetaan alamat yang boleh digunakan adalah seperti berikut : Device ROM I /O RAM unsed

Capacity (bytes) 12 K 4K 16 K 32 K

Address 0000 – 2FFF 3000 – 3FFF 4000 – 7FFF 8000 - FFFF

Range (decimal) 0 - 12287 12288 - 16383 16384 - 32767 32768 - 65535

0000 ROM 2FFF 3000 I/O 3FFF 4000 RAM 7FFF 8000 UNSED FFFF Rajah 5.1 : Pemetaan Alamat

5

TERMINOLOGI INGATAN Alamat Satu nombor yang menentukan tempat sesuatu perkataan dalam ingatan. Setiap perkataan yang disimpan dalam peranti atau system ingatan mempunyai alamat yang unik. Alamat biasanya diungkapkan dalam nombor perduaan.(juga dlm nombornombor perlapanan, perpuluhan dan perenambelasan) Rajah menggambarkan satu ingatan kecil yang mengandungi lapan perkataan. Setiap satu daripada lapan perkataan ini mempunyai satu alamat khusus yang digambarkan sebagai satu nombor 3-bit yang berjulat daripada 000 hingga 111. Setiap kali kita merujuk kepada tempat perkataan yang tertentu dalam ingatan, kita menggunakan kod alamatnya untuk menunjukkannya Alamat - alamat 000 Perkataan 0 001 Perkataan 1 010 Perkataan 2 011 Perkataan 3 100 Perkataan 4 101 Perkataan 5 110 Perkataan 6 111 Perkataan 7 Setiap tempat perkataan mempunyai satu alamat perduaan yang khusus

Masukan R/W Talian ini menentukan kendalian ingatan yang akan berlaku. Kendalian baca berlaku apabila R/W = 1 dan kendalain tulis berlaku bila R/W = 0. Pemboleh Ingatan (Memory Enable) Talian ini mesti diaktifkan tinggi bagi membolehkan ingatan berkendali. Jika keadaan rendah pada masukan ini ia tidak akan menyambut masukan alamt dan R/W. Sel Ingatan Satu peranti atau litar elektrik yang digunakan bagi menyimpan satu bit tunggal (0 atau 1). Contoh flip-flop, bintik tunggal di atas pita atau cakera magnet. Perkataan Ingatan Satu kumpulan bit (sel) dalam satu ingatan yang mewakili arahan atau datadaripada jenis-jenis tertentu. Contoh daftar yang mempunyai lapan FF boleh dikatakan sebagai satu ingatan yang menyimpan satu perkataan 8-bit. Byte Satu sebutan khusus yang digunakan untuk perkataan 8-bit. Satu byte selalunya mempunyai 8-bit dan merupakan saiz perkataan yang paling umum dalam mikrokomputer. Muatan Satu cara mengkelaskan berapa banyakkah bit yang dapat disimpan dalam sesuatu peranti ingatan. Contoh muatan ingatan 4096 x 20. Bermaksud satu ingatan dapat

6

menyimpan 4096 perkataan-perkataan 20 bit. Nombor pertama (4096) adalah bilanganbilangan perkataan dan nombor kedua (20) adalah bit per perkataan. Bilangan perkataan dalam satu ingatan biasanya berbilang dengan 1024. Sudah menjadi kebiasaan menggunakan 1K bagi mewakili 1024. Oleh itu satu ingatan yang mempunyai muatan storan 4K X 20 adalah 4096 X 20. Contoh : Satu ingatan separuh pengalir dengan muatan 2K X 8. Kira; (i) perkataan yang dapat disimpan (ii) saiz perkataan (iii) jumlah bit (i) (ii) (iii)

Penyelesaian : 2K = 2 X 1024 = 2048 perkataan Setiap perkataan adalah 8 bit. 2048 perkataan X 20 bit per perkataan = 16,384 bit.

Kendalian Baca Kendalian yang mengesan perkataan perduaan yang tersimpan dalam satu tempat ingatan (alamat) yang tertentu dan kemudiannya memindahkannya ke peranti lain.Sebagai contoh kita mahu menggunakan perkataan 4, jadi kita perlu menjalankan satu kendalian baca pada alamat 100. Kendalian baca juga dipanggil kendalian ambil kerana satu perkataan diambil daripada ingatan. Kendalian Tulis Kendalian dengan satu perkataan baru dimasukkan ke dalam satu tempat ingatan tertentu. Ia juga dirujuk sebagai satu kendalian simpan. Masa Capaian Pengukuran kepantasan satu kendalian peranti ingatan. Ia merupakan jumlah masa yang diperlukan bagi melaksanakan satu kendalian baca. Lebih tepat lagi, ia adalah satu masa antara ingatan menerima satu masukan alamat yang baru dan data boleh didapati pada keluaran ingatan. Ingatan Meruap Sebarang ingatan yang memerlukan kuasa elektrik bagi membolehkan menyimpan maklumat. Jika kuasa elektrik diputuskan, semua maklumat yang tersimpan dalam ingatan tersebut akan hilang. Kebanyakan daripada ingatan separuh pengalir meruap manakala semua ingatan teras magnet tidak meruap. LATIHAN : S1. Jika pemetaan alamat : i. ii. iii. iv.

suatu mikropemproses 8 bit diberi seperti Rajah 5.2, dapatkan Saiz ROM Saiz RAM Jika saiz ROM 4096 words / 8 bits, berapakah ROM yang diperlukan Jika RAM (16384 words / 4 bits) berapa RAM yang diperlukan 0000

7

RAM 7FFF 8000 I/O 8FFF 9000 UNSED BFFF C000 ROM FFFF Rajah 5.2 : Pemetaan Alamat Latihan 5.1 S2. Satu ingatan bermuatan 32 X 4 yang menyimpan 32 perkataan 4 bit. Tentukan; (ii) talian masukan dan keluaran (iii) masukan alamat. Penyelesaian : (i) Oleh kerana saiz perkataan 4-bit, terdapat 4 talian masukan (I0 – I3) dan 4 talian keluaran data (O0 – O3) (ii) Ingatan ini mempunyai 32 perkataan (32 tempat storan yang berbeza) dengan alamat perduaan daripada 00000 hingga 11111. ( 0 hingga 31 dalam perpuluhan). Oleh itu terdapat 5 masukan alamat. Amnya : N adalah masukan alamat; = 2N = perkataan S3. Terangkan keadaan pada setiap masukan dan keluaran semasa kandungan tempat alamat 00100 dibaca. Penyelesaian :

Masukan alamat : 00100 Masukan data : xxxx (tidak digunakan) R/W : Tinggi. Pemboleh Ingatan : Tinggi Keluaran Data : 0001

S4. Terangkan keadaan pada setiap masukan dan keluaran semasa perkataan data 1110 ditulis ke dalam tempat alamat 01101. Penyelesaian :

Masukan alamat : 01101 Masukan data : 1110 R/W : Rendah Pemboleh Ingatan : Tinggi Keluaran Data : xxxx (tidak digunakan)

S5. Satu ingatan mempunyai muatan 4K x 8,

8

(a) (b) (c) (d)

Berapakah talian masukan data dan keluaran data yang dipunyainya? Berapakah talian alamat yang dipunyainya? Apakah muatannya dalam byte dan bit Lukis gambarajah bagi ingatan 4K x 8

Penyelesaian : (a) 8 talian masukan dan keluaran kerana saiz perkataan adalah lapan (b) 4K = 4 X 1024 = 4096 perkataan; 4096 = 212; 12 talian alamat. (c) Byte = 4 x 1024 = 4096 byte. Bit ; 4096 perkataan x 8 bit per perkataan = 32768 bit. S6. Jika suatu komputer peribadi (PC) mempunyai ciri-ciri berikut: • CPU 8 bit data bus dan 16 bit address bus •

12K byte ROM

•

4K byte I/O ports

•

16K byte RAM

Maka pemetaan alamat yang boleh digunakan adalah seperti berikut : Device ROM I/O RAM UNSED

Capacity (bytes) 12K 4K 16K 32K

Cara pengiraan kapasiti UNUSED : 2n = word ; di mana n ialah talian alamat UNUSED Diberi talian alamat adalah 16, UNUSED 216 = 12K + 4K + 16K + UNUSED 32768 = 32768 216 = 32K + UNUSED 32768/1024 = 32K Cara pengiraan julat (desimal) : ROM

Address 0000-2FFF 3000-3FFF 4000-7FFF 8000-FFFF

Range (decimal) 0-12287 12288-16383 16384-32767 32768-65535 65536 = 32(1024) + 65536

= 32768 + UNUSED = 65536 –

∴ Capacity UNUSED =

= 12K = 12 x 1024 = 12288 word

I/O

∴ Range ROM = 0 – 12287

= 4K + 12288 = (4 x 1024) + 12288 = 4096 + 12288

9

= 16384 word

RAM

∴ Range I/O = 12288 – 16383

= 16K + 16384 = (16 x 1024) + 16384 = 16384 + 16384 = 32768 word

UNUSED

∴ Range RAM = 16384 – 32767

= 32K + 32768 = (32 x 1024) + 32768 = 32768 + 32768 = 65536 word

∴ Range UNUSED = 32767 – 65535

Cara pengiraan Address : Range ROM = 0 – 12287 Tukar ke nombor perenambelasan. ∴ Address ROM = 0000 – 2FFF

Range I/O = 12288 – 16383 Tukar ke nombor perenambelasan. ∴ Address I/O = 3000 – 3FFF

Range RAM = 16384 – 32767 Tukar ke nombor perenambelasan. ∴ Address RAM = 4000 – 7FFF

Range UNSED = 32768 – 65535 Tukar ke nombor perenambelasan. ∴ Address UNSED = 8000 – FFFF Pemetaan alamat :

10

0000 2FFF 3000 3FFF 4000 7FFF 8000 FFFF

ROM I/O RAM UNUSED

S7. Jika pemetaan alamat suatu mikro pemproses 8 bit diberi seperti di bawah, dapatkan : a. Saiz ROM b. Saiz RAM c. Jika saiz ROM 4096 words/8 bits, berapakah ROM yang diperlukan? d. Jika saiz RAM 16384 words/ 4 bits, berapakah RAM yang diperlukan? 0000 7FFF 8000 8FFF 9000 BFFF C000 FFFF

RAM I/O UNUSED ROM

Maka pemetaan alamat yang boleh digunakan Device Capacity (bytes) RAM 32K I/O 4K UNSED 12K ROM 16K

adalah seperti berikut : Address Range (decimal) 0000-7FFF 0-32767 8000-8FFF 32768-36863 9000-BFFF 36864-49151 C000-FFFF 49152-65535

Cara pengiraan julat (desimal) :

i. Diberi Address RAM = 0000 – 7FFF (Tukar ke nombor desimal) ∴ Range RAM = 0 – 32767

ii. Diberi Address I/O = 8000 – 8FFF (Tukar ke nombor desimal) ∴ Range I/O = 32768 – 36863

iii. Diberi Address UNSED = 9000 – BFFF (Tukar ke nombor decimal) ∴ Range UNSED = 36864 – 49151

iv. Diberi Address ROM = C000 – FFFF (Tukar ke nombor decimal) ∴ Range ROM = 49152 – 65535 Cara pengiraan kapasiti (S7(a) dan S7(b)) :

i. Diketahui Range RAM = 0 – 32767 11

RAM

= (32767 – 0 ) + 1 = 32768 word

∴ Capacity RAM = 32768/1024 = 32K

ii. Diketahui Range I/O = 32768 – 36863 I/O

= (36863 – 32768) + 1 = 4096 word ∴ Capacity I/O = 4096/1024 = 4K iii. Diketahui Range UNSED = 36864 – 49151 UNSED = (49151 – 36864) + 1 = 12288 word ∴ Capacity UNSED = 12288/1024 = 12K iv. Diketahui Range ROM = 49152 – 65535 ROM = (65535 – 49152) + 1 = 16384 word

∴ Capacity ROM

= 16384/1024 = 16K

c. Jika saiz ROM 4096 words/8 bits, berapakah ROM yang diperlukan? Bil ROM = saiz asal / saiz diberi = (16K x 8) / (4096 x 8) = 16(1024) x 8 / (4096 x 8) = 131072 / 32768 = 4

∴ Bilangan ROM yang diperlukan adalah 4

d. Jika saiz RAM 16384 words/4 bits, berapakah RAM yang diperlukan? Bil RAM = saiz asal / saiz diberi = (32K x 8) / (16384 x 4) = 32(1024) x 8 / (16384 x 4) = 262144 / 65536 = 4 JAWAPAN S7 : ii. iii. iv.

∴ Bilangan RAM yang diperlukan adalah 4.

i. Saiz ROM = 16K Saiz RAM = 32K Bilangan ROM = 4 Bilangan RAM = 4

12