Materi Arsitektur Mikroprosesor [PDF]

Citation preview

Teknik Pemrograman Mikroprosesor dan Mikrokontroler



Pertemuan : 1 dan 2 ARSITEKTUR MIKROPROSESOR DAN MIKROKONTROLER



Kelas



:X



Semester : Genap TUJUAN PEMBELAJARAN PENGETAHUAN Tujuan dari pembelajaran materi ini adalah agar siswa dapat: 1. Menjelaskan pengertian mikroprosesor 2. Mendeskripsikan fungsi bagian-bagian internal mikroprosesor ALU, RU, dan CU 3. Mengemukakan cara kerja mikroprosesor dalam sistem mikroprosesor 4. Menjelaskan pengertian mikrokontroler 5. Menjelaskan bahwa mikrokontroler adalah one chip microcomputer (komputer mikro chip tunggal) 6. Mendeskripsikan fungsi bagian-bagian internal mikrokontroler 7. Mengemukakan cara kerja mikrokontroler 8. Menjelaskan fungsi mikrokontroler dalam dunia industri 9. Mengemukakan perbedaan arsitektur mikroprosesor dan mikrokontroler 10. Menganalisis spesifikasi mikrokontroler dari datasheet mikrokontroler



TUJUAN PEMBELAJARAN KETERAMPILAN Tujuan dari pembelajaran praktik ini adalah agar siswa dapat: 1. Menggambarkan blok diagram arsitektur mikroprosesor dan mikrokontroler 2. Menyajikan presentasi terkait blok diagram arsitektur mikroprosesor dan mikrokontroler yang diduplikasi 3. Mendemonstrasikan pembacaan datasheet mikrokontroler



Teknik Audio Video



Febri Handoyo | 1



Teknik Pemrograman Mikroprosesor dan Mikrokontroler



ARSITEKTUR MIKROPROSESOR DAN MIKROKONTROLER A. SEJARAH MIKROPROSESOR Pada tahun 1969 tim insinyur jepang dari sebuah perusahaan BUSICOM datang ke Amerika Serikat memesan beberapa buah IC untuk membuat kalkulator. Mereka datang ke Perusahaan INTEL dan Marcian Hoff adalah orang yang dapat melayani permintaan itu. Sebab ia adalah orang yang berpengalaman bekerja di bidang komputer. Marcian Hoff memberi saran Gambar 1.1 Mikroprosesor agar digunakannya IC yang bekerja berdasarkan programMarcian sehinggaHoff menjadi lebih sederhana. Gagasan ini berhasil dan mikroprosesor pertama kali lahir. Untuk mewujudkan gagasan ini Marcian Hoff dibantu oleh Frederico Faggin. Dalam waktu sembilan bulan mereka sukses dan INTEL memperoleh hak hak atas penjualan temuan IC itu. Pada tahun 1971 keluar mikroprosesor seri 4004 dengan data bus 4 bit dengan kecepatan 6000 operasi per detik. Tidak lama kemudian Perusahaan Amerika CTC meminta INTEL dan Texas Instrumen untuk membuat mikroprosesor 8 bit. Akhirnya pada tahun 1972 INTEL dan Texas Instrumen berhasil menciptakan mikroprosesor 8008 dengan memori 16 Kbyte, 45 instruksi, dan kecepatan 300000 operasi per detik. Mikroprosesor ini menjadi pendahulu bagi semua mikroprosesor masa kini. INTEL terus melakukan penelitiannya sehingga pada bulan April 1974 menghasilkan mikroprosesor 8080 dengan kemampuan memori 64 Kbyte dan 75 instruksi. Keberhasilan INTEL diikuti oleh MOTOROLA dengan ciptaannya mikroprosesor 8 bit seri 6800, 6820, dan 6850. Frederico Faggin meninggalkan INTEL membuat perusahaan sendiri diberi nama ZILOG dan pada tahun 1976 mengumumkan temuannya sebuah mikroprosesor seri Z80. Mikroprosesor Z-80 dikembangkan dari rancangan mikroprosesor 8080. Mikroprosesor Z-80 kompatibel dan mampu menjalankan semua perintah yang ada pada 8080 sehingga Z-80 menjadi mikroprosesor yang tangguh pada waktu itu. Tak berselang lama setelah kemunculan Z80, pada tahun 1978 INTEL mengeluarkan chip mikroprosesor 16 bit dengan seri 8086. Rancangan ini menandai dimulainya penggunaan arsitektur x86 dan perkembangan mikroprosesor ke tahap yang lebih lanjut.



Teknik Audio Video



Febri Handoyo | 2



Teknik Pemrograman Mikroprosesor dan Mikrokontroler



B. MIKROPROSESOR DAN SISTEM MIKROPROSESOR 1. Mikroprosesor Mikroprosesor dalam perkembangan dunia komputer digital disebut sebagai Central Processing Unit (CPU). Mikroprosesor diberi sebutan CPU karena fungsinya sebagai unit pemroses pusat. CPU bekerja sebagai pusat pemroses dan pengendali bekerjanya system komputer. Sebagai salah satu jenis chip dari berbagai jenis chip yang telah diproduksi, mikroprosesor sering juga diberi sebutan Microprocessor Unit (MPU). CPU atau MPU merupakan komponen utama dari sebuah komputer.



Gambar 1.2 Central



Sebuah mikroprosesor terdiri dari 3 bagian penting, yaitu ALU (Arithmatic Logic Unit), RU (Register Unit), dan CU (Control Unit). Secara ilustratif, konstruksi internal mikroprosesor ditunjukkan oleh gambar di bawah ini:



Gambar 1.3 Blok Diagram



ALU adalah bagian yang bekerja melaksanakan operasi aritmetika dan operasi logika. Operasi aritmetika meliputi operasi penjumlahan (ADD atau ADD with Carry), pengurangan (SUB atau SUB with Borrow), perkalian (MUL), dan pembagian (DIV). Sedangkan operasi logika meliputi operasi logika AND, OR, XOR, COMPLEMEN, NEGATE. Untuk mendukung pelaksanaan operasi pada ALU mikroprosesor membutuhkan sejumlah register. Register adalah sebuah memori tempat menyimpan data dan tempat menyimpan hasil operasi. Register khusus yang bekerja sebagai tempat penampung hasil operasi pengolahan pada ALU disebut Akumulator. CU Teknik Audio Video



Febri Handoyo | 3



Teknik Pemrograman Mikroprosesor dan Mikrokontroler mengendalikan aliran data pada bus data dan bus alamat, kemudian menafsirkan dan mengatur sinyal yang terdapat pada bus pengendali. Mikroprosesor sebagai sebuah chip tidak bisa bekerja sendiri. Mikroprosesor memerlukan unit lain yaitu unit memori dan unit I/O. Dengan menggabungkan CPU, Memory Unit, dan I/O unit terbangun sebuah sistem yang disebut dengan sistem mikroprosesor. Gambar 1.4 menunjukkan blok diagram sebuah sistem mikroprosesor.



Gambar 1.4 Blok Diagram



CPU bekerja mengatur pengendalian dan proses alih data yang terjadi dalam sistem mikroprosesor. Alih data berlangsung melalui saluran yang disebut dengan data bus. Alih data bisa terjadi dari memori ke CPU atau dari I/O ke CPU atau sebaliknya dari CPU ke memori atau dari CPU ke I/O. Alih data dari memori atau dari I/O ke CPU dikenal sebagai proses baca (READ). Alih data dari CPU ke memori atau alih data dari CPU ke I/O dikenal sebagai proses tulis (WRITE). Proses Read atau proses Write dikendalikan melalui saluran yang disebut dengan Control bus. Bus alamat (Address Bus) bekerja mengatur lokasi alamat memori atau I/O dari mana atau kemana data diambil atau dikirim. 2. Sistem Mikroprosesor Komputer mikro adalah salah satu contoh jenis sistem mikroprosesor. Untuk membangun fungsi sebagai komputer mikro, sebuah mikroprosesor juga harus dilengkapi dengan memori, biasanya memori program yang hanya bisa dibaca (Read Only Memory = ROM) dan memori yang bisa dibaca dan ditulisi (Read Write Memory = RWM), dekoder memori, osilator, dan sejumlah peralatan input output seperti port data seri dan paralel. Sebuah blok diagram komputer mikro dan contoh pirantinya dapat dlihat berturut-turut pada gambar 1.5. dan 1.6.



Teknik Audio Video



Gambar 1.5 Blok Diagram



Febri Handoyo | 4



Teknik Pemrograman Mikroprosesor dan Mikrokontroler



Gambar 1.6 Perkembanga



Gambar 1.5 Blok Diagram Komputer Mikro menunjukkan CPU bekerja bersama unit memori, unit I/O, peralatan input, dan peralatan output. Pokok dari penggunaan mikroprosesor adalah untuk melaksanakan program, mengambil data, membentuk kalkulasi, perhitungan atau manipulasi data, dan menyimpan hasil perhitungan pada peralatan penyimpan atau menampilkan hasil pada sebuah monitor atau cetak keras.



C. MIKROKONTROLER Mikrokontroler adalah komputer mikro dalam satu chip tunggal. Mikrokontroler memadukan CPU, ROM, RWM, I/O paralel, I/O seri, counter-timer, dan rangkaian clock dalam satu chip tunggal. Mikrokontroler berbeda dengan mikroprosesor dalam beberapa hal. Mikrokontroler memadukan memori untuk Gambar 1.7 menyimpan program atau data pheriperal I/O Mikrokontroler untuk berkomunikasi dengan alat luar. Pemanfaatan mikrokontroler saat ini sangat populer di bidang kendali dan instrumentasi elektronik. Hal ini terjadi karena mikrokontroler memiliki keunggulan dan kemudahan dalam penggunaannya, disamping harganya yang sangat murah dibandingkan sistem lainnya. Blok diagram internal Mikrokontroler ditunjukkan oleh gambar 1.8 berikut:



Gambar 1.8



Teknik Audio Video



Febri Handoyo | 5



Teknik Pemrograman Mikroprosesor dan Mikrokontroler Jika dibandingkan dengan mikroprosesor pada setiap mikrokontroler terdapat unit-unit CPU/MPU, Memory Unit, I/O Unit yang dihubungkan oleh tiga bus yaitu bus data, bus alamat, dan bus kendali. Dengan demikian maka sebuah mikrokontroler adalah sebuah sistem mikroprosesor dalam sebuah chip tunggal. Dengan menambahkan peralatan input dan peralatan output sebuah mikrokontroler dapat berfungsi sebagai komputer mikro dalam satu chip tunggal. Mikrokontroler sebagai sebuah chip telah mengalami perkembangan baik dari sisi arsitektur, teknologi dan kemampuannya. Sebagai contoh, struktur internal sebuah mikrokontroler AT89C51 dapat dilihat pada gambar di bawah ini.



Gambar 1.9 Blok Diagram



Sama halnya dengan mikroprosesor, mikrokontroler adalah piranti yang dirancang untuk kebutuhan umum. Penggunaan pokok dari mikrokontroler adalah untuk mengontrol kerja mesin atau sistem menggunakan program yang disimpan pada sebuah ROM. 1. Perbedaan Konsep Mikrokontroler dengan Mikroprosesor



Teknik Audio Video



Febri Handoyo | 6



Teknik Pemrograman Mikroprosesor dan Mikrokontroler Untuk melihat perbedaan konsep diantara mikroprosesor dan mikrokontroler di bawah ini ditunjukan tabel perbandingan konfigurasi, arsitektur, dan set instruksi diantara mikroprosesor Z-80 CPU dengan mikrokontroler AT89C51. Sebagai catatan, perbandingan di bawah ini tidaklah menunjukkan bahwa satu lebih baik dari lainnya. Kedua rancangan memiliki penekanan tujuan yang berbeda. Mikrokontroler dilengkapi dengan port I/O, memori, timer, dan counter, sementara mikroprosesor tidak.



No 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.



Tabel 1.1 Perbandingan Konfigurasi Z80 dengan AT89C51 Mikroprosesor Mikrokontroler Konfigurasi Pin Z-80 CPU AT89C51 Jumlah pin 40 40 Jumlah pin alamat 16 16 Jumlah pin data 8 8 Jumlah pin interupt 2 2 Pin I/O 32 Register 8 bit 20 34 Register 16 bit 4 2 Ukuran Stack 64 K 128 ROM Internal 4 Kbyte RAM Internal 128 byte Memori ekternal 64 Kbyte 128 Kbyte Flag 6 4 Timer 0 2 Port Paralel 0 4 x 8 bit Port Serial 0 1



Perlu diketahui bahwa setiap mikroprosesor dan mikrokontroler dengan merk yang berbeda tetap memiliki arsitektur yang sama. Perbedaannya hanya terletak pada spesifikasi masing-masing seri yang dikeluarkan. 2. Mikrokontroler Berdasarkan Jumlah Bit Data Seperti halnya sebuah mikroprosesor, mikrokontroler juga berkembang sesuai rancangan dan model-model aplikasinya. Mikrokontroler berdasarkan jumlah bit data yang dapat diolah dapat dibedakan dalam ke dalam 4 jenis, yaitu Mikrokontroler 4 Bit, Mikrokontroler 8 Bit, Mikrokontroler 16 Bit, dan Mikrokontroler 32 Bit.  Mikrokontroler 4 Bit Mikrokontroler 4 bit merupakan mikrokontroler dengan jumlah bit data terkecil. Mikrokontroler jenis ini diproduksi untuk meminimalkan jumlah pin dan ukuran kemasan.



Pabrik : Model Hitachi : HMCS40 National:COP42 0 Teknik Audio Video



Tabel 1.2 Contoh Mikrokontroler 4 Bit Pin : RAM ROM Gambaran Counter I/O Byte Byte Lain 28 : 10



-



32



512



10 bit ROM



28 : 23



1



64



1K



Serial bit I/O



Febri Handoyo | 7



Teknik Pemrograman Mikroprosesor dan Mikrokontroler OKI : MSM6411 TI : TMS 1000 Toshiba : TLCS47



16 : 11 28 : 23



-



32 64



1K 1K



LED Display



42 : 35



2



128



2K



Serial bit I/O



 Mikrokontroler 8 Bit Mikrokontroler 8 bit merupakan mikrokontroler yang paling banyak digunakan untuk pekerjaanpekerjaan perhitungan skala kecil. Dalam komunikasi data, Data ASCII serial juga disimpan dalam ukuran 8 bit. Kebanyakan IC memori dan fungsi logika dibangun menggunakan data 8 bit sehingga interface bus data menjadi sangat mudah dibangun. Penggunaan mikrokontroler 8 bit jauh lebih banyak dibandingkan dengan mikrokontroler 4 bit. Aplikasinya juga sangat variatif mulai dari aplikasi kendali sederhana sampai kendali mesin berkecepatan tinggi. Pabrik : Model Intel : 8048



Intel : 8051



Tabel 1.3 Contoh Mikrokontroler 8 Bit Pin : Counte RAM ROM Gambaran I/O r Byte Byte Lain Memori 40 : 27 1 64 1K ekternal 8 K Memori ekternal 40 : 32 2 128 4K 128K; serial



Motorola : 6805



28 : 20



1



64



1K



Motorola : 68 HC11



52 : 40



2



256



8K



Signetics : 87C552



68 : 48



3



256



8K



TI : TMS7500



40 : 32



1



128



2K



Zilog : Z8



40 : 32



2



128



2K



Zilog : Z8820



44 : 40



2



272



8K



Atmel : Atmega8



28 : 23



2



1K



8K



Atmel : Atmega32



40 : 32



2



2K



32 K



Teknik Audio Video



Serial; A/D; Wath Dog timer Serial; A/D; WDT Memori Ekternal 112 K; A/D; Serial; WDT Memori ekternal 124 K ; serial Memori Ekternal 128 K; Serial Serial; A/D; Wath Dog timer, PWM Serial; A/D; Wath Dog timer, PWM Febri Handoyo | 8



Teknik Pemrograman Mikroprosesor dan Mikrokontroler



 Mikrokontroler 16 Bit Keterbatasan-keterbatasan yang ada pada mikrokontroler 8 bit berkaitan dengan semakin kompleknya pengolahan data dan pengendalian serta kecepatan tanggap/respon disempurnakan dengan menggunakan mikrokontroler 16 bit. Salah satu solusinya adalah dengan menaikkan kecepatan clock, dan ukuran data. Mikrokontroler 16 bit digunakan untuk mengatur tangan robot, dan aplikasi Digital Signal Processing (DSP). Pabrik : Model



Tabel 1.4 Contoh Mikrokontroler 16 Bit Counte Pin : I/O RAM ROM r



Hitachi : H87532



84 : 65



5



1K



32 K



National:: HPC1616 4



68 : 52



4



512



16 K



Intel : 8096



68 : 40



2



232



8K



Gambaran Lain Memori ekternal 1 MB; Serial; A/D; Pulse Wide Modulasi (PWM) Memori ekternal 64 K ;Serial; A/D; WDT; PWM Memori ekternal 64 K ;Serial; A/D; WDT; PWM



 Mikrokontroler 32 Bit Mikrokontroler 32 bit ditargetkan untuk aplikasi Robot, Instrumen cerdas, Avionics, Image Processing, Telekomunikasi, Automobil, dan sebagainya. Program-program aplikasinya bekerja dengan sistem operasi. Pabrik : Model



Tabel 1.5 Contoh Mikrokontroler 32 Bit Counte Pin I/O RAM ROM r



Atmel : SAM3X8 E



Up to 103



9



64 + 32 K



2x 256 K



Gambaran Lain Memori ekternal; Serial; A/D; D/A; PWMC



3. Datasheet Mikrokontroler Datasheet sebuah mikrokontroler memuat informasi tentang fitur, deskripsi, konfigurasi pin, blok diagram, deskripsi fungsi masing-masing pin, organisasi memori termasuk register, pemrograman memori, karakteristik AC dan karakteristik DC. Gambar 1.10 menunjukkan salah contoh bentuk bagian depan data sheet Teknik Audio Video



Febri Handoyo | 9



Teknik Pemrograman Mikroprosesor dan Mikrokontroler mikrokontroler AT89S51. Datasheet dapat diakses dari berbagai sumber seperti buku teks, kumpulan buku datasheet, dan berbagai situs di internet.



Gambar 1.10 Halaman



TUGAS Kerjakan soal-soal berikut berdasarkan materi yang sudah kalian pahami! 1. Sebut dan jelaskan fungsi dari bagian-bagian internal mikroprosesor! 2. Gambarlah blok diagram sistem mikroprosesor dan berikan penjelasannya! 3. Jelaskan perbedaan antara mikroprosesor dan mikrokontroler! 4. Sebutkan minimal 5 contoh mikrokontroler 8 bit! 5. Apakah datasheet penting? Jelaskan kegunaannya!



Teknik Audio Video



Febri Handoyo | 10



Teknik Pemrograman Mikroprosesor dan Mikrokontroler



JOBSHEET 01 KD: Membuat Blok Diagram Arsitektur Mikroprosesor dan Mikrokontroler



Kelas : X TAV Semester : Genap Kode : TPMM.10



A. Tujuan Tujuan dari kegiatan pembelajaran ini adalah agar siswa dapat: 1. Menggambarkan blok diagram arsitektur mikroprosesor dan mikrokontroler 2. Menyajikan presentasi blok diagram arsitektur mikroprosesor dan mikrokontroler 3. Mendemonstarsikan pembacaan datasheet mikrokontroler B. Dasar Teori Mikroprosesor disebut juga sebagai CPU (Central Processing Unit) yang berfungsi sebagai unit pemrosesan pusat. Dalam mikroprosesor terdapat 3 bagian utama, yaitu ALU (Arithmatic Logic Unit), RU (Register Unit), dan CU (Control Unit). Agar dapat bekerja, mikroprosesor harus dihubungkan dengan unit I/O dan unit memory sehingga membentuk sistem mikroprosesor. Mikrokontroler disebut juga sebagai one chip micro computer atau computer mikro dalam satu chip tunggal. Dalam mikrokontroler sudah terdapat CPU, unit memory, unit I/O, Counter-timer, dan rangkaian Clock. Datasheet adalah dokumen singkat yang berisi ringkasan kerja dan karakteristik lain dari komponen-komponen elektronika dengan cukup terinci untuk dipakai dalam merancang komponen dalam suatu sistem agar sesuai dengan yang dibutuhkan. C. Bahan dan Sumber Belajar 1. Bahan  Mikrokontroler seri ATmega  Datasheet Mikrokontroler 2. Sumber Belajar  Modul Teknik Pemrograman Mikroprosesor dan Mikrokontroler  Internet D. Langkah Kerja 1. Gambarlah blok diagram internal mikroprosesor dan mikrokontroler, kemudian tulis perbandingannya 2. Ambillah salah satu jenis mikrokontroler yang disediakan 3. Cari dan unduh datasheet mikrokontroler di internet sesuai dengan jenis mikrokontroler yang diambil.



Teknik Audio Video



Febri Handoyo | 11



Teknik Pemrograman Mikroprosesor dan Mikrokontroler 4. Tulislah karakteristik dari mikrokontroler sesuai datasheet. Gunakan kamus Bahasa inggris-indonesia untuk menerjemahkan Bahasa. 5. Buatlah slide presentasi dari pengamatan dan pembelajaran yang telah dilakukan.



E. Hasil Pengamatan Tulislah hasil pembacaan datasheet pada table di bawah ini: No 1 2 3 4 5 6 7 8



F.



Spesifikasi Jumlah total pin Jumlah pin I/O Flash Memory (ROM) RAM Jumlah saluran PWM (Pin) Tegangan kerja Rentang suhu Konsumsi daya



Atmega . . . . .



Evaluasi 1. Apakah ada perbedaan antara datasheet mikrokontroler yang kelompok kalian teliti dengan datasheet mikrokontroler kelompok lain? Jika ada, jelaskan perbedaannya! 2. Jika tegangan yang dihubungkan ke mikrokontroler atmega kalian adalah 12 V, jelaskan kemungkinan yang akan terjadi! 3. Apakah datasheet selalu dibutuhkan sebelum menempatkan mikrokontroler dalam suatu rangkaian? Jelaskan!



G. Kesimpulan Tulislah kesimpulan berdasarkan kegiatan pembelajaran yang telah dilakukan!



Teknik Audio Video



Febri Handoyo | 12



Teknik Pemrograman Mikroprosesor dan Mikrokontroler



Teknik Audio Video



Febri Handoyo | 13