Mikroprosesor adalah suatu pemroses mikro yang dapat menjalankan suatu urutan instruksi (program) untuk mencapai suatu tujuan/fungsi tertentu.
Untuk menjalankan fungsinya, suatu mikroprosesor biasanya memerlukan dukungan
- ROM (Read Only Memory), untuk menyimpan program
- RAM (Random Access Memory), untuk menyimpan data
- I/O unit, sebagai interface untuk mengambil data dari luar dan mengeluarkan data hasil proses.
Saluran Standar Mikroprosesor
Bus adalah kumpulan saluran yang memiliki fungsi sejenis. Bus alamat menentukan kapasitas memori yang dapat diakses. Bus data menentukan lebar saluran untuk transfer data dari/ke mikroprosesor. Bus Kontrol terdiri dari saluran untuk mengatur komunikasi dengan device pendukung mikroprosesor.
Faktor Penentu Kinerja Mikroprosesor
- Clock Speed (mis : Pentium 100 MHz, Pentium 1.3 GHz)
- Lebar Bus Data
- Lebar Bus Alamat
- Bus Speed
- Arsitektur (cache memory, pipeline, dll).
Mikroprosesor juga mengalami evolusi seperti Intel: 4004, 8008, 8086, 80286, 80486, Pentium, Pentium Pro Motorola, Zilog: Z80, Z8000.
Saluran-Saluran Pada Bus Alamat
Bus alamat terdiri dari N buah saluran alamat. Bus alamat yang terdiri dari N buah saluran dapat mengakses (2 pangkat N) lokasi alamat yang berlainan. Bus alamat digunakan untuk menentukan alamat memori atau I/O yang ingin diakses.
Saluran-Saluran Pada Bus Data
Bus data biasanya terdiri dari 8 bit (1 byte) atau kelipatan dari 8 bit. Bus data digunakan untuk lalu lintas data dari/ke mikroprosesor.
Saluran-Saluran Pada Bus Data
Bus data biasanya terdiri dari 8 bit (1 byte) atau kelipatan dari 8 bit. Bus data digunakan untuk lalu lintas data dari/ke mikroprosesor.
Saluran-Saluran Penting Pada Bus Kontrol
Berikut ini adalah beberapa contoh saluran penting yang selalu ada dalam bus kontrol suatu mikroprosesor;
- MEMRQ = Memory Request, menyatakan adanya instruksi akses memory
- IORQ = IO Request, menyatakan adanya instruksi input atau output
- READ = operasi baca
- WRITE = operasi tulis
- INTR = Interupsi.
Baca Tulis Memori dan I/O
Pada saat membaca atau menulis, bus alamat akan memberikan informasi mengenai lokasi alamat yang ingin ditulis atau dibaca. Data akan ditransfer melalui bus data.
Random Access Memory (RAM)
RAM adalah memori yang biasanya bersifat volatile (hanya berfungsi sebagai memori pada saat ada tegangan kerja). RAM digunakan untuk menyimpan data selama sistem mikroprosesor dioperasikan. Kapasitas RAM ditentukan oleh jumlah saluran alamat RAM.
Saluran Penting RAM
Bus alamat menentukan lokasi memori yang akan diakses. Bus data digunakan untuk transfer data;
- Bus Kontrol ENABLE untuk menentukan terjadi tidaknya akses memori
- READ untuk operasi baca data
- WRITE untuk operasi penulisan data. Pada saat ENABLE tidak aktif, bus data akan Hi-Z, sehingga tidak mengganggu status bus.
Read Only Memory (ROM)
ROM adalah memori yang hanya dapat dibaca saja, tidak dapat ditulis atau diubah isinya. ROM bersifat non-volatile. ROM biasanya digunakan untuk menyimpan program. ROM diisi dengan cara tertentu sebelum dipasang pada sistem mikroprosesor, selanjutnya isinya tidak pernah berubah.
Saluran Penting Memori (ROM)
Bus alamat menentukan lokasi memori yang akan diakses. Bus data digunakan untuk transfer data. Bus Kontrol
- ENABLE untuk menentukan terjadi tidaknya akses memori
- READ untuk operasi baca data.
Jika lebih dari satu unit memori dihubungkan pada suatu mikroprosesor, hubungannya menjadi tidak sederhana. Untuk menghindari “tabrakan akses”, harus ada pemisahan lokasi alamat untuk setiap unit memori (peta memori). Misalkan ada ROM dengan kapasitas 4 byte dan RAM dengan kapasitas 4 byte.
Kapasitas RAM dan ROM
Pada kenyataannya, kapasitas RAM dan ROM tidak sekecil seperti contoh yang sudah kita bahas (4 byte). RAM dan ROM biasanya berkisar mulai ratusan byte sampai dengan ratusan kilobyte atau bahkan mega byte.
Hubungan dengan unit I/O
Hubungan mikroprosesor dengan unit I/O dilakukan dengan cara yang sama seperti penentuan hubungan memori. Kapasitas alamat I/O biasanya jauh lebih kecil daripada memori, berkisar antara beberapa lokasi (kurang dari 10) sampai dengan puluhan atau ratusan lokasi alamat.
Beberapa informasi penting:
- Untuk besaran digital, pada prinsipnya dapat dihubungkan langsung dengan unit I/O
- Untuk besaran analog, harus ditambahkan unit A/D atau D/A converter
- Untuk tegangan/arus tinggi biasanya dilakukan isolasi supaya tidak merusak mikroprosesor.
Pemrograman
Dalam sistem mikroprosesor, semua bagian sistem dikendalikan oleh mikroprosesor. Mikroprosesor harus dilengkapi dengan program untuk menentukan “bagaimana sistem harus bekerja”. Program biasanya dibuat dalam bahasa mesin atau asembler, disimpan dalam ROM.
Mikrokontroler
Untuk bekerja, mikroprosesor perlu dukungan RAM, ROM dan unit I/O, sehingga jumlah chip yang dibutuhkan tidak “satu” dan perlu interkoneksi eksternal yang tidak sederhana. Mikrokontroler adalah mikroprosesor yang sudah dilengkapi dengan RAM, ROM dan I/O yang dikemas dalam kemasan “single chip”. Mikrokontroler digunakan secara luas pada berbagai aplikasi.
Aplikasi Sistem Mikroprosesor
Pendidikan, kesehatan, kependudukan, politik, perang dan lain-lain. Terdapat beberapa sistem elektronika yang biasa dipakai dalam peralatan elektronik. Sistem-sistem tersebut antara lain: sistem analog hardware¸ sistem digital hardware dan sistem digital berbasis mikroprosesor. Sistem analog hardware adalah sistem yang menggunakan komponen-komponen analog serta pengkawatan yang rumit antar komponen dasar tersebut. Sementara itu, sistem digital hardware adalah sistem kombinasional atau sekuensial tanpa pemrograman, setelah selesai dirancang dan dirakit, fungsi kerja alat tersebut tidak bisa diubah. Kedua sistem tersebut memiliki beberapa kekurangan yang signifikan, yaitu tidak bisa diprogram ulang, satu alat hanya untuk satu fungsi.
Berbeda dengan sistem analog maupun sistem digital hardwire, sistem programmable digital atau sistem berbasis mikroprosesor memiliki beberapa keunggulan berikut:
- Bentuknya kecil dan ringkas; karena dengan sistem ini, banyak komponen yang direduksi keberadaannya dan digantikan dengan sebuah mikroprosesor saja.
- Portable; karena bentuknya yang kecil, sehingga secara keseluruhan alat tersebut juga mempunyai ukuran yang kecil serta mudah dibawa ke mana-mana
- Konsumsi daya rendah; sejak digunakannya bahan semikonduktor, komponen IC tidak lagi memerlukan daya yang yang tinggi untuk aktifasi dan tidak lagi membuang panas yang besar.
- Biaya rendah; selain karena banyak komponen yang dikurangi, biaya produksi IC (integrated circuit) terus menurun, sehingga secara keseluruhan harga peralatan yang berbasis mikroprosesor terus menurun.
- Programmable; keuntungan utama sistem mikroprosesor adalah kemampuannya yang dapat diprogram ulang jika diperlukan perubahan tertentu, sehingga tidak banyak yang harus dilakukan kecuali perubahan isi memory saja.
Secara umum, penggunaan sistem mikroprosesor dapat dibagi menjadi 3 katagori, yaitu;
- Sistem Komputer.
- Sistem Komunikasi.
- Sistem Kendali dan Instrumentasi.
Hampir seluruh komputer yang ada pada hari ini, merupakan komputer digital yang tentu saja merupakan sistem mikroprosesor. Mulai dari komputer ukuran kecil yaitu PDA, komputer mikro atau Personal Computer, mini komputer, mainframe, sampai super komputer. Sebelum tahun 1970an, komputer hanya mampu dibeli oleh perusahaan besar, tetapi hari ini, hampir setiap rumah mampu membeli komputer PC. Meskipun unjuk kerja dan kapasitasnya meningkat, harga komputer cenderung turun karena kemajuan teknologi berefek pada penghematan ongkos produksi.
Dengan hardware yang sama, sebuah komputer PC dapat dipakai untuk berbagai aplikasi, bahkan berbagai sistem operasi. Ada ribuan program aplikasi untuk beragam keperluan dapat running pada hardware PC dan Sistem Operasi yang sama. Berikut ini adalah contoh aplikasi komputer yang dapat bekerja pada komputer PC dengan Sistem Operasi Windows;
- MS OFFICE, untuk perkerjaan perkantoran seperti mengetik, spreadsheet, presentasi, database, penjadwalan,
- MATLAB, untuk berbagai kalkulasi teknik, ekonomi,
- AUTOCAD, untuk berbagai operasi gambar, 2 atau 3 dimensi,
- PROTEL, EWB, MULTISIM dll untuk keperluan elektronika.
Selain PC, mini komputer, mainframe dan super komputer telah digunakan untuk urusan-urusan publik atau skala besar seperti database kependudukan, rumah sakit, perbankan, pernerbangan komersial, operasi militer dll.
Bayangkan, jika sistem pembayaran rekening listrik atau telepon tidak dilakukan dengan bantuan komputer, mungkin tagihan listrik kita hari ini adalah untuk membayar pemakaian 6 bulan yang lalu, apalagi kalau sistem administrasinya buruk sekali. Dengan teknologi database, kita dapat melakukan pembayaran telepon melalui ATM.
Komputer kapasitas besar juga digunakan untuk mengolah gambar seperti komputer untuk MRI (Magnetic Resonance Imagine), komputer untuk ramalan cuaca, komputer unuk pemetaan, pertambangan dll. Seluruh komputer yang disebutkan tadi menggunakan prosesor sebagai pengendali utamanya, baik prosesor tunggal maupun multi prosesor.
Pada sistem komunikasi, hampir semua alat penting menggunakan sistem mikroprosesor. Pada hari ini, sistem komunikasi hampir selalu terkait dengan komputer atau mikroprosesor. Berikut ini adalah beberapa contohnya.
- Sentral Telepon PSTN atau saluran analog dengan bandwidth 4 kHz. Saat ini, hampir semua sistem switching atau penyambungan telepon dilakukan secara digital, random input sequential ouput atau sebaliknya. Tentu saja semua ini diwujudkan dengan menyertakan sistem mikroprosesor.
- Provider Telepon Digital seperti ISDN, DSL dll. Selain untuk switching atau penyambungan dan queuing atau antrian, sistem mikroprosesor pada provider telepon digital juga dimanfaatkan untuk banyak hal lain termasuk network management dan optimasi Quality of Service.
- Provider Telepon Seluler. Meskipun menggunakan saluran radio frekuensi, hampir semua telepon seluler menerapkan komunikasi digital.
- Handphone. Handphone yang kecil dan murah sekalipun, harus dilengkapi dengan mikroprosesor, karena untuk membaca keypad, menyimpan phonebook, kalkulator, mengirim SMS dll memerlukan sistem instrumentasi digital.
- Komunikasi Satelit. Selain untuk sistem kendali dan instrumentasi satelit, mikroprosesor juga digunakan untuk switching, muliplexing, queuing, error correction dll.
Penggunaan mikroprosesor pada sistem kendali dan instrumentasi diterapkan di hampir semua instrumen dan alat kendali, mulai dari instrumen kecil seperti barcode reader, sampai instrumen besar seperti panel pesawat terbang. Mulai dari alat kedokteran seperti MRI (Magnetic Resonance Imaging) sampai alat perang seperti stinger missile untuk serangan darat ke udara. Berikut ini adalah bebrapa contoh penerapan sistem mikroprosesor untuk alat kendali dan instrumentasi.
- Electronic Fuel Injection (EFI) yang diterapkan pada mesin-mesin bakar modern. Alat ini dipakai untuk mengoptimalkan pemakaian bahan bakar untuk torsi dan kecepatan maksimum.
- Instrumen Lift. Prosesor digunakan untuk membaca tekanan tombol dan mengendalikan gerakan motor listrik, sehingga lift dapat begerak sesuai dengan tekanan tombol dan cukup nyaman bagi pemakai, tidak berhenti atau bergerak mendadak.
- Sistem pengatur ketepatan cetak dan potong pada mesin pengganda media kertas seperti koran dan majalah. Tanpa koreksi dari sistem mikroprosesor, selain hasil yang kurang rapi, alat pemotong atau pencetak harus sering disetting ulang dan ini sangat tidak realistis. Kita dapat lihat, pada setiap halaman koran atau majalah ada terdapat mark atau tanda, baik tanda untuk warna maupun tanda untuk alat potong.
- Alat pengolah data pada VCD atau DVD player. Karena data disimpan dalam CD dalam keadaan dikompres, maka untuk mengubahnya menjadi gambar atau suara perlu dilakukan dekompresi data yang jelas memerlukan algoritma tertentu yang diwujudkan dengan program. Tentu saja ini memerlukan sistem mikroprosesor.
Kuliah ini diarahkan untuk memberikan bekal kemampuan teoritis kepada mahasiswa dalam memanfaatkan mikroprosesor untuk kendali dan instrumentasi. Berikut ini adalah contoh penggunaan prosesor MSP430F413 buatan Texas Instrumen untuk mengendalikan alat ukur jarak jauh yang menggunakan gelombang ultrasonik 40 kHz.
Mikroprosesor pada alat ini berperan sebagai pengendali yang mengaktifkan pengirim sinyal, mengukur waktu propagasi sinyal dengan menunggu aktifnya penerima sinyal atau menunggu kedatangan sinyal pantulan, kemudian menghitung jarak antara alat ini dengan benda yang memantulkan sinyal ultrasonik serta menampilkan hasil perhitungannya dalam bilangan desimal pada display 7-segment.