Mikrokontroler (Microcontroller) #2

 Mikrokontroler (Microcontroller) #2

1.1.2        Struktur Mikrokontroler

Struktur sistem mikrokontroler terdiri dari beberapa bagian yang dipaketkan kedalam satu chip, bagian–bagian tersebut antara lain (Afriansyah, 2012):

a.    CPU (Control Process Unit) merupakan bagian unit pengolah pusat keseluruhan sistem yaitu menjalankan perangkat lunak yang disimpan pada memori program, mengatur jalur pengiriman data dari atau ke piranti – piranti (memori, I/O, dan sebagainya), mengolah data-data yang ada pada perangkat lunak, dan sebagainya.

b.    ROM (Read Only Memory) berguna untuk menyimpan perangkat lunak yang akan dijalankan oleh mikroprosesor.

c.    RAM (Read Access Memory) berguna untuk menyimpan data sementara data yang mungkin diperlukan oleh mikroprosesor sewaktu menjalankan perangkat lunak, misalnya nilai-nilai pada variabel.

d.   Piranti I/O (Input/Output) berguna untuk menghubungkan sistem dengan piranti lainnya. Sehingga mempunyai peran penting untuk mengirimkan dan menerima data dari piranti yang terhubung dengan mikrokontroler. Contoh piranti I/O yaitu inputan push button yang berfungsi sebagai menginputkan data.

e.    Clock atau denyut  berguna untuk menyinkronkan kerja piranti – piranti dalam sistem elektronis. Pembangkitnya dapat berupa osilator Kristal, RC-network, resonator keramik, ic timer 555, atau juga VCO (osilator terkendali tegangan).

1.1.3        Karakteristik Mikrokontroler

Terdapat beberapa karakter mikrokontroler mengenai teknik pembuatannya, arsitektur, dan instruksinya. Dari segi pembuatannya yaitu dengan teknik fabrikasi. Teknik fabrikasi yaitu teknik yang biasa dilakukan untuk memproduksi hampir semua mikrokontroler terbaru dengan penyusun CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Sedangkan dari segi arsitektur dibedakan menjadi 2 macam yaitu:

a.    Von-Neuman : Mikrokontroler yang didesain berdasarkan arsitektur ini memiliki sebuah data bus yang dipergunakan untuk fetch instruksi dan data. Program (instruksi) dan data disimpan pada memori utama secara bersama – sama. Ketika kontroler mengalamati suatu alamat di memori utama, hal pertama yang dilakukan adalah mengambil instruksi untuk dilaksanakan kemudian mengambil data pendukung dari instruksi tersebut sehingga memperlambat operasi mikrokontroler.

b.    Harvard : Arsitektur ini memiliki data bus dan instruksi yang terpisah sehingga memungkinkan eksekusi dilakukan secara bersamaan. Secara teoritis, hal ini memungkinkan eksekusi lebih cepat, tetapi di lain pihak memerlukan desain perangkat keras yang lebih kompleks.

Untuk segi instruksi mikrokontroler terbagi menjadi 2 macam. Pembagian itu yaitu RISC dan CISC.

a.    CISC kependekan dari (Complex Instruction Set Computer). Biasanya memiliki lebih dari 100 instruksi, Keunggulan dari CISC adalah adanya instruksi yang bekerja seperti sebuah makro sehingga memungkinkan programmer untuk menggunakan sebuah instruksi menggantikan beberapa instruksi sederhana lainnya.

b.    RISC merupakan kependekan dari (Reduced Instruction Set Computer). Saat ini industri yang memproduksi mikrokontroler cenderung menggunakan desain RISC ini. Dengan menggunakan jumlah instruksi yang lebih sedikit, memungkinkan lahan pada chip digunakan untuk meningkatkan kemampuan chip. Keuntungan dari RISC adalah kesederhanaan sistem, chip yang lebih kecil, jumlah pin sedikit dan sangat sedikit mengonsumsi daya. Contoh beberapa tipe AVR hanya memiliki 130 instruksi dan PIC microchip hanyaa memiliki 32 instruksi.

1.1.4        Memori

Memori yang tersedia pada mikrokontroler biasanya beberapa macam dan mempunyai kegunaan yang khusus, antara lain:

a.    EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory). Beberapa mikrokontroler memiliki EEPROM yang terintegrasi pada chipnya. Fungsi dari EEPROM yaitu digunakan untuk menyimpan sejumlah kecil parameter yang dapat berubah dari waktu ke waktu. Jenis memori ini bekerja relative pelan dan kemampuan untuk dihapus / tulisnya juga terbatas.

b.    FLASH (EPROM). FLASH memberikan pemecahan yang lebih baik dari EEPROM ketika dibutuhkan sejumlah besar memori non-volatile untuk program. FLASH ini bekerja lebih cepat dan dapat dihapus/tulis lebih sering disbanding EEPROM.

c.    Battery backed-up static RAM. Memori ini sangat berguna ketika dibutuhkan memori yang besar untuk menyimpan data dan program. Keunggulan utama dari RAM statis adalah sangat cepat disbanding memori non-volatile, dan juga tidak terdapat keterbatasan kemampuan hapus/tulis sehingga sangat cocok untuk aplikasi dalam penyimpanan dan manipulasi data secara lokal.

d.   OTP (One Time Programmable), mikrokontroler OTP adalah mikrokontroler yang hanya dapat deprogram satu kali dan tidak dapat dihapus atau dimodifikasi. Proteksi perangkat lunak yaitu dengan “encryption” atau proteksi fuse sehingga perangkat lunak yang telah diprogamkan akan terlindungi dari pembajakan, modifikasi atau rekayasa ulang.

1.1.5        Perangkat I/O

Perangkat masukan dan keluaran mikrokontroler adalah suatu perangkat yang menghubungkan proses di dalam mikrokontroler dengan piranti lainnya. Perangkat ini bervariasi dan kemungkinan ada mikrokontroler yang cukup lengkap. Ada fitur perangkat I/O yang sangat lengkap, antara lain:

a.    USART (Universal Synchrounous / Asynchronous Receiver Transmitter) merupakan adapter serial port untuk komunikasi serial sinkron dan asinkron. Komunikasi serial sinkron tidak memerlukan start/stop bit dan dapat beroperasi pada clock yang lebih tinggi dibanding asinkron.

b.    SPI (Serial Peripheral Interface) merupakan port komunikasi serial sinkron.

c.    I2C bus (Inter-Intergrated Circuit Bus) merupakan antarmuka serial 2 kawat yang dikembangkan oleh Philips. Selain itu, perangkat ini dikembangkan untuk aplikasi 8 bit dan banyak digunakan pada consumer electronics, otomotif, dan industri. I2C bus ini berfungsi sebagai antar muka jaringan multi-master, multi-slave dengan deteksi tabrakan data. Jaringan dapat dipasangkan dapat mengirim dan menerima data serta harus memiliki alamat tertentu.

d.   ADC (Analog to Digital Converter) fungsi ADC adalah mengubah besaran analog (biasanya tegangan) ke bentuk digital atau bilangan bit. Mikrokontroler dengan fasilitas ini dapat digunakan untuk aplikasi – aplikasi yang memerlukan informasi analog (misalnya voltmeter, pengukur suhu, merekam perubahan elektrik untuk sistem pengendalian close loop, dan lain-lain.

e.    DAC (Digital to Analog Converter) merupakan kebalikan dari ADC mengubah bilangan bit ke bentuk informasi analog.

f.     Analog Comparator. Mikrokontroler tertentu memiliki sebuah atau lebih komparator. Komparator ini bekerja seperti IC komparator biasa yang umumnya dapat kita bangun dengan penguat operasional, tetapi sinyal input/outputnya terpasang pada bus mikrokontroler.

g.    USB Converter. Mikrokontroler tertentu memiliki fitur ini sehingga memungkinkan komunikasi serial dengan karakteristik USB.

1.1.6        Jenis Mikrokontroler

Masing-masing mikrokontroler mempunyai turunan atau seri sendiri-sendiri. Contoh jenis-jenis mikrokontroler yang telah umum digunakan  antara lain:

a.    Keluarga MCS51

Mikrokontroler ini termasuk dalam keluarga mikrokontroler CISC. Sebagian besar instruksinya dieksekusi dalam 12 siklus clock. Mikrokontroler ini berdasarkan arsitektur Harvard dan meskipun awalnya dirancang untuk aplikasi mikrokontroler chip tunggal, sebuah mode perluasan telah mengizinkan sebuah ROM luar 64KB dan RAM luar 64KB diberikan alamat dengan cara jalur pemilihan chip yang terpisah untuk akses program dan memori data. Salah satu kemampuan dari mikrokontroler 8051 adalah pemasukan sebuah mesin pemroses boolean yang mengijinkan operasi logika boolean tingkatan-bit dapat dilakukan secara langsung dan secara efisien dalam register internal dan RAM. Karena itulah MCS51 digunakan dalam rancangan awal PLC (Programmable Logic Control).

b.    AVR

Mikrokontroler AVR and Vegard’s Risc processor atau sering disingkat AVR merupakan mikrokontroler RISC 8 bit. Karena RISC inilah sebagian besar kode instruksinya dikemas dalam satu siklus clock. AVR adalah jenis mikrokontroler yang paling sering dipakai dalam bidang elektronika dan instrumentasi. Secara umum, AVR dapat dikelompokkan dalam 4 kelas. Pada dasarnya yang membedakan masing-masing kelas adalah memori, periperal dan fungsinya. Keempat kelas tersebut adalah keluarga ATTiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega dan AT86RFxx.

Gambar 1. 2 ATmega8 Keluarga AVR (Afriansyah, 2012)

c.    PIC

Pada awalnya, PIC merupakan kependekan dari Programmable Interface Controller. Tetapi pada perkembangannya berubah menjadi Programmable Intelligent Computer. PIC termasuk keluarga mikrokonktroler berarsitektur Harvard yang dibuat oleh Microchip Technology. Awalnya dikembangkan oleh Divisi Mikroelektronik General Instruments dengan nama PIC1640. Sekarang Microhip telah mengumumkan pembuatan PIC-nya yang keenam. PIC cukup popular digunakan oleh para developer dan para penghobi ngoprek karena biayanya yang rendah, ketersediaan dan penggunaan yang luas, database aplikasi yang besar, serta pemrograman (dan pemrograman ulang) melalui hubungan serial pada komputer.

d.   Z8 (Zilog)

Merupakan turunan dari Zilog Z80, Z8 memiliki arsitektur unik, arsitektur gabungan dengan tiga daerah 3 memori yaitu program memori, data memori, dan CPU register file. Mikrokontroler ini memiliki UART, timer, DMA, I/O hingga 40 buah pada chipnya.

Terima Kasih,
Salam Otomatisasi

Fungky King

Mikrokontroler (Microcontroller)

Mikrokontroler (Microcontroller)

1.1              Mikrokontroler

Mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus, cara kerja mikrokontroler sebenarnya membaca dan menulis data. Mikrokontroler merupakan komputer di dalam chip yang digunakan untuk mengontrol peralatan elektronik, yang menekankan efisiensi dan efektifitas biaya. Secara harfiahnya bisa disebut "pengendali kecil" dimana sebuah sistem elektronik yang sebelumnya banyak memerlukan komponen-komponen pendukung seperti IC TTL dan CMOS dapat direduksi/diperkecil dan akhirnya terpusat serta dikendalikan oleh mikrokontroler ini (Afriansyah, 2012). Dengan penggunaan mikrokontroler ini maka:

a.    Sistem elektronik akan menjadi lebih ringkas.

b.    Rancang bangun sistem elektronik akan lebih cepat karena sebagian besar dari sistem adalah perangkat lunak yang mudah dimodifikasi.

c.    Pencarian gangguan lebih mudah ditelusuri karena sistemnya kompatibel.

Agar mikrokontroler dapat berfungsi, maka memerlukan komponen eksternal yang disebut dengan sistem minimum. Untuk membuat sistem minimum dibutuhkan sistem clock dan reset, walaupun pada beberapa mikrokontroler sudah menyediakan sistem clock internal, sehingga tanpa rangkaian eksternal pun mikrokontroler sudah beroperasi.

Untuk merancang sebuah sistem berbasis mikrokontroler, memerlukan perangkat keras dan perangkat lunak, yaitu:

a.    Sistem minimum mikrokontroler / Board mikrokontroler.

b.    Software pemrograman dan compiler, serta downloader.

Sistem minimum adalah sebuah rangkaian mikrokontroler yang sudah dapat digunakan untuk menjalankan sebuah aplikasi. Sebuah IC mikrokontroler tidak akan berarti bila hanya berdiri sendiri. Pada dasarnya sebuah sistem minimum mikrokontroler AVR memiliki prinsip yang sama, yang terdiri dari 4 bagian, yaitu:

a.    Prosesor, yaitu mikrokontroler itu sendiri.

b.    Rangkaian reset untukmenjalankan program mulai dari awal.

c.    Rangkaian clock, yang digunakan untuk memberi detak pada CPU. 

d.    Rangkaian catu daya, yang digunakan untuk memberi sumber daya. 

Tabel 1. 1 Seri Mikrokontroler AVR dari ATMEL (Afriansyah, 2012)

Device	Flash (Kbytes)	EEPROM (Kbytes)	SRAM (Bytes)	Max I/O Pins	Kemasan	Keterangan
AT90PWM2	8	0.5	512	19		UART, ADC,Comp
AT90PWM3	8	0.5	512	19	SOIC 32 MLF 32	UART, ADC,Comp
ATmega128	128	4	4096	53	TQFP 64 MLF 64	UART, ADC,Comp
ATmega168	16	0.5	1024	23	TQFP 32 PDIP 28	UART, ADC,Comp
ATmega2560	256	4	8192	86	TQFP 100	UART, ADC,Comp
ATmega325	32	1	2048	54	TQFP 64 MLF 64	UART, ADC,Comp
ATmega640	64	4	8192	86		UART, ADC,Comp
ATmega8	8	0.5	1024	23	TQFP 32 PDIP 28	UART, ADC,Comp
ATmega8515	8	0.5	512	35	TQFP 44 PDIP 40	UART
ATmega8535	8	0.5	512	32	TQFP 44 PDIP 40	UART, ADC,Comp
ATmega88	8	0.5	1024	23	TQFP 32 PDIP 28	UART, ADC,Comp
ATtiny11	1	--	--	6	SOIC  8	Comp
ATtiny12	1	0.064	--	6	SOIC  8	Comp
ATtiny13	1	0.064	64B + 32 reg	6	SOIC 8 PDIP 8	ADC,Comp
ATtiny15L	1	0.0625	--	6		ADC,Comp
ATtiny2313	2	0.128	128	18	PDIP 20 SOIC 20	UART, Comp
ATtiny25	2	0.128	128	6	PDIP 8 SOIC 8	ADC,Comp

1.1.1        Sejarah Mikrokontroler

Mikrokontroler pertama kali dikenalkan oleh Texas Instrument dengan seri TMS 1000 pada tahun 1974 yang merupakan mikrokontroler 4 bit pertama. Mikrokontroler ini mulai dibuat sejak 1971. Merupakan mikrokomputer dalam sebuah chip, lengkap dengan RAM dan ROM. Kemudian, pada tahun 1976 Intel mengeluarkan mikrokontroler yang kelak menjadi populer dengan nama 8748 yang merupakan mikrokontroler 8 bit, yang merupakan mikrokontroler dari keluarga MCS 48. Sekarang di pasaran banyak sekali ditemui mikrokontroler mulai dari 8 bit sampai dengan 64 bit, sehingga perbedaan antara mikrokontroler dan mikroprosesor sangat tipis. Masing2 vendor mengeluarkan mikrokontroler dengan dilengkapi fasilitas yang cenderung memudahkan user untuk merancang sebuah sistem dengan komponen luar yang relatif lebih sedikit. 

Saat ini mikrokontroler yang banyak beredar dipasaran adalah mikrokontroler 8 bit varian keluarga MCS51 (CISC) yang dikeluarkan oleh Atmel dengan seri AT89Sxx, dan mikrokontroler AVR yang merupakan mikrokontroler RISC dengan seri ATMEGA8535 (walaupun varian dari mikrokontroler AVR sangatlah banyak, dengan memiliki fitur yang berbeda). Dengan mikrokontroler tersebut pengguna (pemula) sudah bisa membuat sebuah sistem untuk keperluan sehari-hari, seperti pengendali peralatan rumah tangga jarak jauh yang menggunakan remote control televisi, radio frekuensi, maupun menggunakan ponsel, membuat jam digital, termometer digital dan sebagainya (Afriansyah, 2012).