Senin, 03 Desember 2012

Tugas rangkaiaan digital


1.   KONSEP DASAR MEMORI
Memori merupakan bagian dari komputer yang berfungsi sebagai tempat penyimpanan informasi yang harus diatur dan dijaga sebaik-baiknya. Sebagian besar komputer memiliki hirarki memori yang terdiri atas tiga level, yaitu:
·         Register di CPU, berada di level teratas. Informasi yang berada di register dapat diakses dalam satu clock cycle CPU.
·         Primary Memory (executable memory), berada di level tengah. Contohnya, RAM. Primary Memory diukur dengan satu byte dalam satu waktu, secara relatif dapat diakses dengan cepat, dan bersifat volatile (informasi bisa hilang ketika komputer dimatikan). CPU mengakses memori ini dengan instruksi single load dan store dalam beberapa clock cycle.
·         Secondary Memory, berada di level bawah. Contohnya, disk atau tape. Secondary Memory diukur sebagai kumpulan dari bytes (block of bytes), waktu aksesnya lambat, dan bersifat non-volatile (informasi tetap tersimpan ketika komputer dimatikan). Memori ini diterapkan di storage device, jadi akses meliputi aksi oleh driver dan physical device.
Gambar 1.1. Gambar Hirarki Memori
Komputer yang lebih canggih memiliki level yang lebih banyak pada sistem hirarki memorinya, yaitu cache memory dan bentuk lain dari secondary memory seperti rotating magnetic memory, optical memory, dan sequntially access memory. Akan tetapi, masing-masing level ini hanya sebuah penyempurnaan salah satu dari tiga level dasar yang telah dijelaskan sebelumnya.
Bagian dari sistem operasi yang mengatur hirarki memori disebut dengan memory manager. Di era multiprogramming ini, memory manager digunakan untuk mencegah satu proses dari penulisan dan pembacaan oleh proses lain yang dilokasikan di primary memory, mengatur swapping antara memori utama dan disk ketika memori utama terlalu kecil untuk memegang semua proses.



2.       CARA KERJA MEMORI
Awalnya terkesan sangat sulit untuk memahami cara kerja memori komputer. Tapi, ingat saja, komputer itu hanyalah sebuah kalkulator raksasa yang memiliki memori sebagai tempat sementara untuk menyimpan hasil perhitungan. Tempat-tempat ini diberikan indeks nomor (alamat) untukmemudahkan penggunaannya. Bayangkan saja, prosesor Intel x86 yang banyak digunakan saat ini menggunakan 32-bit skema alamat. Itu berarti ada 2^32 (4,294,967,296) kemungkinan tempat yang dapat digunakan sebagai tempat penyimpanan hasil perhitungan tersebut.

Gambar 1.2
Cara kera RAM
Gambar 2.2
Cara kerja memori

Berikut merupakan hal-hal yang berkaitan dengan cara kerja memori:
1.    Pointer
Pointer merupakan satu tipe variabel yang khusus, digunakan untuk menyimpan alamat lain dalam memori untuk mereferensi informasi lain. Karena memori tidak dapat dipindahkan, informasi ini harus dikopi. Akan tetapi akan sangat sulit secara perhitungan untuk mengkopi satu informasi di dalam memori untuk digunakan di fungsi atau tempat lain. Begitu juga dilihat dari sudut pandang memori. Karena untuk mengkopi suatu data, maka memori akan membuat satu blok khusus untuk data tersebut, yang tidak dapat digunakan untuk menyimpan data lain.
Pointer adalah salah satu solusinya. Memori hanya perlu membuat satu variabel pointer yang diasosiasikan dengan satu blok besar yang menyimpan informasi tersebut, lalu pointer tersebut dapat dikopi ke semua fungsi atau tempat yang ingin mengakses blok informasi ini.
2.    Register
Prosesor memiliki satu jenis memori khusus yang relatif kecil. Memori ini disebut Register, dan ada beberapa register khusus yang digunakan untuk menjejaki hal-hal ketika program dieksekusi. Salah satu yang patut disebut adalah EIP, Extended Instruction Pointer. EIP merupakan pointer yang menyimpan alamat dari instruksi yang sedang dieksekusi. Register lain yang digunakan sebagai pointer adalah EBP (Extended Base Pointer) dan ESP (Extended Stack Pointer). EBP merupakan pointer yang menyimpan alamat terakhir (teratas) dari satu segmen memori yang disebut stack, sedangkan ESP merupakan pointer yang menyimpan alamat stack frame berikut yang akan dieksekusi. Kita akan membahas kedua pointer ini lebih jauh lagi pada bagian Segmentasi Memori sebentar lagi.
3.    Deklarasi Memori
Pada bahasa pemrograman tingkat tinggi seperti Bahasa C, variabel dideklarasikan berdasarkan tipenya (seperti: integer, character, float, dll) masing-masing. Hal ini dilakukan untuk memberitahukan memori berapa besar ruang yang harus disiapkan untuk menyimpan variabel tersebut. Misalnya, integer merupakan 4 byte data, yang berarti harus ada 32 (4 byte x 8 bit/byte) bit ruang kosong di memori yang harus dialokasikan untuk variabel ini. Contoh lainnya adalah tipe character, yang memerlukan 8 (1 byte x 8 bit/byte) bit ruang.Sebagai tambahan, variabel juga dapat dideklarasikan dalam bentuk array (senarai). Array merupakan list (senarai) dari N buah elemen spesifik data. Jadi, sebuah 10 character array hanya merupakan 10 variabel character yang disusun berurutan dalam memori. Array juga disebut sebagai buffer, dan character array juga disebut string. Mengkopi buffer yang berukuran besar memerlukan waktu dan perhitungan yang lama. Karena itu, pointer sering digunakan untuk menyimpan alamat memori yang menjadi awal buffer. Berikut adalah contoh pendeklarasian variabel dalam bahasa pemrograman.
int variabel_integer;
char variabel_character;
char character_array[10];
char *buffer_pointer;
4.   Little Endian
Salah satu yang perlu diingat dalam memori di prosesor x86 adalah urutan penyimpanan 4 byte data (seperti integer dan pointer) di dalam memori. Urutan ini disebut Little Endian, yang berarti data byte yang paling kecil disimpan terlebih dahulu.
Misal, sebuah 4 byte data (digambarkan dengan data hexadecimal atau 16 bit), 0×12345678. Data “12″, “34″, “56″, dan “78″ masing-masing merupakan 1 byte data (pada penulisan 16 bit data, 1 digit angka digambarkan dengan 4 bit). Pada saat disimpan dalam bentuk Little Endian akan berbentuk seperti berikut: 0×78563412.

Segmen Dalam Memory:
Memori program terbagi atas 5 segmen: text, data, bss, heap, dan stack. Masing-masing segmen mempunyai tempat yang khusus dalam memori untuk mencapai tujuan yang khusus.
a.   Segmen Text
Segmen text juga disebut segmen code. Di segmen ini disimpan instruksi bahasa mesin hasil kompilasi dari bahasa asembli. Eksekusi instruksi dalam segmen ini dilakukan secara non-linear. Pada saat program dieksekusi, EIP diset ke instruksi pertama pada segmen text. Processor kemudian mengikuti aturan loop seperti di bawah ini dalam mengeksekusi program:
“Baca instruksi di alamat yang ditunjukkan oleh EIP (instruksi pertama pada awal eksekusi)
Tambahkan sejumlah byte instruksi yang dibaca ke EIP (defaultnya adalah EIP adalah linear walaupun dalam kenyataan tidak selalu demikian
Eksekusi instruksi yang dibaca pada step 1
Kembali ke step 1
Kadang, instruksi yang dieksekusi merupakan instruksi “jump” atau “call” yang mengubah EIP ke alamat memori yang berbeda. Jadi jika EIP berubah pada step 3, processor tetap akan kembali ke step 1 dan membaca apa pun instruksi yang ada di alamat baru tersebut.
Segmen ini tidak dapat ditulisi karena hanya berisi kode-kode program. Hal ini mencegah orang mengubah kode program selama program berjalan. Ketika segmen ini dicoba untuk ditulisi, maka program akan memberikan peringatan kepada user dan program akan berhenti. Perlu dicatat juga bahwa segmen memori ini mempunyai ukuran yang tetap.
b.   Segmen Data dan BSS
Segmen data dan bss digunakan untuk menyimpan variabel program yang bersifat global atau statis. Segmen data diisi dengan variabel global, string, dan konstanta lain yang sudah diinisialisasi yang digunakan di keseluruhan program. Sedangkan segmen bss diisi dengan variabel yang belum diinisialisasi. Walaupun segmen ini dapat ditulisi, pada dasarnya ukurannya juga tidak berubah.
c.   Segmen Heap
Segmen heap digunakan untuk variabel program lainnya. Satu hal yang perlu dicatat adalah ukuran segmen heap ini dapat berubah sesuai dengan kebutuhan. Heap akan bertambah atau menyusut sesuai dengan jumlah memori yang dipergunakan di dalam program yang sedang berjalan. Pertumbuhan heap bergerak dari alamat memori yang kecil menuju yang besar.
d.   Segmen Stack
Sama seperti heap, stack juga mempunyai ukuran memori yang berubah-ubah sesuai dengan jumlah ruang yang dipergunakan. Stack dipergunakan untuk menyimpan konteks sementara pada saat pemanggilan fungsi (function calls). Pada saat program memanggil fungsi lain, fungsi tersebut akan diberikan satu set variabel yang diperlukan. Fungsi itu sendiri berada di lokasi yang berbeda pada segmen text/code. Karena konteks dan nilai EIP berubah pada saat fungsi dipanggil, stack digunakan untuk mengingat semua variabel yang diserahkan kepada fungsi, dan juga ke mana EIP akan dikembalikan setelah fungsi selesai dieksekusi.
Segmen stack pada memori memiliki struktur FILO (First In Last Out), yang berarti data yang pertama kali dimasukkan ke dalam memori ini akan menjadi data yang terakhir kali dikeluarkan. Seperti dijelaskan sebelumnya, register ESP digunakan untuk menjajaki ujung akhir (data yang terakhir masuk) dari alamat memori pada Stack. Pada saat fungsi dipanggil, beberapa hal dimasukkan ke dalam stack bersama-sama dalam suatu struktur yang dinamakan stack frame. EBP register dipergunakan untuk membuat referensi terhadap Stack Frame yang sedang dipergunakan. Setiap Stack Frame berisi parameter-parameter terhadap fungsi tersebut, variabel lokal fungsi tersebut, serta dua pointer yang diperlukan untuk mengembalikan segala sesuatunya seperti semula setelah fungsi selesai dijalankan. Kedua pointer ini adalah Saved Frame Pointer (SFP) dan Return Address (RA). SFP berguna untuk mengembalikan nilai EBP ke kondisi awal sebelum fungsi dijalankan. Sedangkan RA digunakan untuk mengembalikan EIP ke instruksi berikutnya setelah fungsi dijalankan.
Ada baiknya kita menggunakan 2 fungsi berikut untuk menjelaskan cara kerja Stack:
void test_function (int a, int b, char c)
                   char flag;
                   char buffer[10];

void main ()
                  test_function(1,2,’a');
Di permulaan program ini, fungsi test_function yang memerlukan 3 parameter yang dideklarasikan sebagai integer (a dan b) serta satu character (c). Kemudian, fungsi ini juga memiliki variabel lokal yang dideklarasikan sebagai character (flag) dan satu larik character (buffer). Pada saat program berjalan pertama kali, maka fungsi main akan dieksekusi yang kemudian akan memanggil fungsi test_function.
Pada saat fungsi test_function dipanggil, ada beberapa nilai yang dimasukkan ke dalam Stack untuk membuat Stack Frame. Dalam Stack, data dimasukkan secara terbalik. Data 1,2, dan ‘a’ akan dimasukkan dengan posisi ‘a’, 2, 1. Parameter ini dinyatakan dengan variabel c, b, dan a pada test_function.
Ketika instruksi “call” dari bahasa assembly dieksekusi, konteks eksekusi program akan berpindah dari fungsi main ke fungsi test_function, karena itu alamat si pemanggil (main) perlu dimasukkan ke dalam stack. Alamat ini merupakan alamat berikutnya dari EIP, atau alamat yang ditemukan pada step 3 dari eksekusi loop pada segmen text yang sudah dijelaskan di atas. Setelah memasukkan alamat pemanggil (return address) ini, maka dimasukkan nilai Saved Frame Pointer (SFP) yaitu nilai EBP pada saat ini. Ini dilakukan untuk mengembalikan posisi stack ke kondisi sebelumnya setelah eksekusi test_function selesai. Kemudian nilai EBP diperbaharui dengan nilai Frame Pointer yang terbaru. Setelah itu, barulah variabel lokal pada fungsi test_function dimasukkan ke dalam Stack dengan menggunakan nilai ESP (Extended Stack Pointer) sebagai patokan.
Pada saat fungsi dipanggil, EIP akan berpindah menunjukkan ke alamat permulaan dari instruksi dari fungsi tersebut yang tersimpan di segmen Text. Memori pada Stackdigunakan untuk menyimpan variabel lokal dan argumen atau parameter fungsi tersebut. Ketika program sudah selesai dieksekusi, seluruh Frame Stack akan dikeluarkan dari Stack dan EIP diset kepada alamat pemanggil (return address) agar program dapat melanjutkan kerjanya. Jika dalam fungsi tersebut dipanggil fungsi lain, maka Frame Stack yang baru akan dimasukkan ke dalam Stack dan begitu seterusnya. Dan begitu fungsi ini selesai, maka Frame Stacknya dikeluarkan dari Stack dan pengeksekusian dikembalikan ke fungsi sebelumnya. Inilah mengapa segmen dalam memori ini diorganisasikan sebagai FILO (First In Last Out) struktur data.

3.   RANGKAIAN MEMORI
Memori adalah bagian dari komputer tempat program – program dan data – data disimpan.
Memori terbagi atas 2 jenis yakni:
1.   RAM (Random Access Memory) adalah rangkaian yang mempunyai sel pengingat.
2.   ROM (Read Only Memory) adalah rangkaian kombinasi tanpa adanya sel pengingat.
Pada dasarnya RAM adalah register yang terdiri dari sekumpulan D flip-flop.
1.   RAM selalu terdiri dari sejumlah sel (flip-flop) yang sama. Masing-masing flip-flop dalam RAM dikenal berdasarkan nomor alamat (address)-nya.
2.   Flip-flop juga harus dapat ditulis dengan data baru dan data yang disimpannya harus dapat dibaca. Karena itu diperlukan sinyal pemilih alamat untuk menentukan sel yang akan ditulis atau dibaca, dan sinyal kendali untuk menulis (sinyal tulis) dan sinyal kendali untuk membaca (sinyal baca).
3.   Hanya sel terpilih sajalah yang boleh diberikan sinyal baca atau tulis yang aktif.
4.   Pulsa penabuh untuk masing-masing flip-flop dapat diperoleh dari peng-AND-an sinyal tulis dan pemilih alamat.
5.   Operasi baca tidak perlu dilakukan pada saat bersamaan dengan operasi tulis. Karena itu, data masukan juga perlu dihalang (disabled) masuk ke flip-flop pada saat operasi bukan operasi tulis. Ini dapat dilakukan dengan meng-AND-kan data masukan dengan sinyal penabuh flip-flop.
6.   Dalam operasi baca juga, hanya keluaran sel terpilih sajalah yang boleh ditampilkan pada keluaran RAM. Jadi keluaran masing-masing sel harus di-AND-kan dengan sinyal baca dan sinyal pemilih alamatnya.
Bila data masukan dan keluaran untuk elemen ke i kita sebut Di dan Qi, sinyal alamatnya kita sebut Ai, sinyal baca Ri dan sinyal tulis Wi, maka untuk masing-masing flip-flop D dengan masukan D dan keluaran Q, dapat ditulis persamaan logika sebagai berikut:
  Penabuh                : CP = Ai Wi
  Data masukan        : D = Di CP
  Data Keluaran        : Q = Ai Ri
 
  Dalam kebanyakan sistem digital, operasi baca-tulis atas memori dilakukan serentak untuk sekumpulan bit (sel) yang dipandang sebagai satu kesatuan data yang disebut kata ("word").
  Mengakses satu lokasi berarti membaca atau menulis satu kata. Ukuran kata yang paling banyak digunakan adalah 4 dan 8 bit.
  Sebagai contoh, pada gambar berikut digambarkan rangkaian logika suatu RAM 2x2 bit, yaitu RAM 2 kata dengan panjang kata 2 bit.
  Dalam rangkaian terpadu RAM, pemilihan kata memori yang di akses dilakukan dengan menggunakan dekoder yang sudah dipadukan dalam serpih yang sama dengan sel memorinya. Dalam gambar berikut ditunjukkan rangkaian dalam suatu rangkaian terpadu RAM 4 kata (word) dengan panjang kata (word length) 4 bit.
  Dari gambar ini dapat dilihat bahwa:
  setiap data masukan diumpankan kepada 4 sel (flip-flop)
  setiap keluaran dekoder alamat S0, S1, S2, S3 memilih 4 sel yang diperlakukan sebagai satu kata 4 bit (dipandang sebagai satu alamat).
  Seluruh sel dikendalikan oleh satu sinyal baca/tulis bersama.
  Setiap bit data keluaran diperoleh dari gerbang OR yang dicatu dari 4 sel.

Rangkaian RAM
  Walaupun data masukan diumpankan kepada 4 sel, hanya sel yang dipilih(diaktifkan) oleh dekoder alamat yang dipengaruhi oleh operasi baca/tulis.
  Dalam RAM dengan kapasitas yang besar, pemilihan alamat tidak dari hanya satu sisi seperti dalam gambar di atas, tetapi dilakukan dari dua sisi, yaitu sisi baris dan sisi kolom.
  Sebagai contoh, RAM tipe 2112 yang berkapasitas 1024 bit yang diorganisasikan sebagai 256 x 4 bit. Ini berarti bahwa setiap lokasi mengandung 4 bit sebagai satu kata. Serpih RAM ini mempunyai 8 bit alamat, 5 bit pemilih baris (untuk 32 baris) dan 3 bit pemilih kolom (untuk 8 kolom).
Cotoh lain, RAM tipe 2114 yang berkapasitas 4096 bit (1024 x 4 bit) mempunyai 10 bit alamat yang terdiri atas 6 pemilih baris dan 4 pemilih kolom.

4.    CARA KERJA FLIP FLOP
a.   Prinsip Kerja Flip Flop
Pada dasarnya, Flip-flop bekerja berdasarkan prinsip kerja transistor sebagai saklar.
Jika Rangkaian tersebut diberi tegangan maka maka salah satu dari transistor akan berada dalam kondisi on. Kondisi ini akan tegantung pada kapasitor mana yang memiliki muatan lebih tinggi dibanding dengan kapasitor lain. Kapasitor yang memiliki muatan lebih tinggi akan melepaskan muatan listrik lebih dahulu sehingga transistor yang kaki basisnya terhubung dengan kapasitor tersebut akan berada dalam kondisi on sementara transistor tersebut on akan menyebabkan kapasitor yang terhubung dengan kaki kolektor akan terisi muatan, jika salah satu transistor dalam kondisi on maka transistor yang lain akan berada dalam konsi off hal ini akan berlaku terus menerus secara bergantian sehingga terjadilah pergiliran nyala lampu yang disebut lampu flip-flop.
Dimulai dari Tr1, Jika Tr1 dalam kondisi on (disebabkan C1 melepas muatan) maka kolektor dan emitor akan terhubung sehingga Lampu D1 mendapat arus listrik sehingga D1 menyala, pada saat yang sama C2 mengisi muatan, setelah penuh maka C2 melepas muatan sehingga Tr2 sekarang berada dalam kondisi on sementara Tr1 berubah ke kondisi off. Pada saat Tr2 dalam kondisi on akan menyebabkan kolektor dan emitor terhubung sehingga lampu D2 mendapat arus listrik dan menyala, pada saat yang sama C1 mengisi muatan, demikian seterusnya selama rangkaian flip-flop ini mendapat arus listrik, maka peristiwa tersebut akan berulang. Sementara fungsi resistor dalam rangkaian ini adalah untuk memberi bias tegangan pada kaki basis dari masing-masing transistor.





b.    Cara kerja FLIP-FLOP
FLIP-FLOP merupakan suatu rangkaian yang terdiri sdari dua elemen aktif (Transistor) yang kerjanya saling bergantian. Fungsinya adalah sebagai berikut:
1. Menyimpan bilangan biner
2. Mencacah pulsa
3. Menyerampakkan/men-sinkronkan rangkaian aritmatika
Misalnya : Beberapa full yang dapat dikendalikan
FLIP-FLOP bersifat bistable : dua kondisi yang stabil 0 atau 1. Kondisi ini akan tetap stabil tidak akan berubah jika tidak ada pemicu (input) yang masuk.

Jenis-jenis FLIP-FLOP :
1. RS Flip-flop (Set-Reset Flip-Flop)
FLIP-FLOP RS merupakan rangkaian dasar untuk menyusun berbagai jenis Flip-Flop yang lainnya FLIP-FLOP SR dapat disusun dari dua gerbang NAND atau dua gerbang NOR. Berikut ini karakteristik tabelnya :
S                      R                    Q                     Ǭ
0                      0                      Race                Race
0                      1                      1                      0
1                      0                     0                      1
1                      1                      Tetap              tetap
Skema Pengkabelan :

2.          CLOCK SR FLIP-FLOP
RS FLIP-FLOP dengan clock merupakan pengembangan dari RS FLIP-FLOP dengan menambahkan dua gerbang NAND pada RS FLIP-FLOP dari gerbang Nand dan gerbang AND pada RS FLIP-FLOP dari Gerbang NOR yang bertujuan untuk memasukan pemicu yang disebut dengan sinyal Clock untuk mengubah nilai yang ada.



Rangkaian Clock RS FLIP-FLOP:
Skema Pengkabelan :


3. D FLIP-FLOP (Delay Flip-Flo)
D Flip-Flop memiliki 1 input yang disebut D (Data) serta 2 output yang disebut Q dan Q. Pada dasarnya D lip-flop diperoleh dari SR flip-flop yang salah satu inputnya didapat dengan mengkomplemenkan input yang lain yaitu menambahkan satu gerbang NOT pada masukan.
Prinsip kerja dari D Flip-flop adalah berapapun nilai yang diberikan pada input D akan dikeluarkan dengan nilai yang sama pada output Q. D Flip-Flop diaplikasikan pada rangkaian-rangkaian yang memerlukan penyimpanan data sementara sebelum diprosesberikutnya. Salah satu contoh IC D Flip-flop adalah 74LS75, yang mempunya input Asinkron.
Rangkaian D Flip-Flop



4. Master Slave D Flip-Flop
Master Save D Flip-flop merupakan rangkaian flip-flop yang memiliki 2 latch D dan sebuah inverter. Latch yang satu bernama Master dan yang kedua bernama Slave. Master D hanya akan mendeskripsikan diktat yang outputnya hanya dapt diganti selama ujung negatif jam.
Rangkaian Master Slave D Flip-flop :
5. JK Flip-Flop
Kelemahan dari flip-flop SR adalah munculnya output yang tidak dapat didefinisikan ketika input S dan R tinggi untuk jenis NOR dan rendah untuk jenis AND. Untuk menanggulangi keadaan tersebut, maka dikembangkan menjadi flip-flop JK yang dibangun utnuk mengantisipasi keadaan terlarang pada SR flip-flop.
MASTER SLAVE JK FLIP FLOP
Sebuah master slave JK Flip Flop di bentuk dari dua buah SR Flip Flop, dimana operasi dari kedua SR Flip Flop tersebut dilakukan secara bergantian, dengan memberi input Clock yang berlawanan pada ke dua SR Flip Flop tersebut. Prinsip dasar dari Master Slave JK adalah: jika Clock diberi input “1”, gerbang AND 1 dan 2 akan aktif, SR Flip Flop ke 1 akan menerima data yang di masukkan melalui input Jdan K, semantara gerbang AND 3 dan 4 tidak aktif, sehingga SR Flip Flop ke 2 tidak ada respon. Sebaliknya jika Clock dari input 0, gerbang 3 dan 4 aktif, slave akan mengeluarkan output di Q dan Q’, sementara master tidak merespon input, karena gerbang AND 1 dan 2 tidak aktif.
skema perkabelan :
Rangkaian JK Flip-Flop:
Skema Pengkabelan :

Tidak ada komentar:

Posting Komentar