Sistem Mikroprosesor

SISTEM MIKROPROSESOR

Sebuah Sistem Mikroprosesor adalah sekumpulan perangkat yang terdiri dari sebuah Mikroprosesor dan beberapa perangkat pendukung lainnya sehingga mampu menjalankan fungsi sesuai dengan instruksi-instruksi yang tersusun didalam programnya. Banyaknya perangkat pendukung mikroprosesor sangat tergantung dari kerumitan fungsi yang diharapkan. Perangkat pendukung minimum yang diperlukan oleh sebuah mikroprosesor disebut sistem minimum mikroprosesor terdiri dari mikroprosesor, memori, dan beberapa Port input / output (I / O).  Mikroprosesor, sering disebut unit mikroprosesor (MPU) atau central processing unit (CPU), berisi logika untuk bekerja melalui sebuah algoritma, yang disebut program, yang telah disimpan dalam memori program komputer. Data yang digunakan dan dimanipulasi oleh program disimpan di memori data komputer. Memori adalah gudang data yang biasanya disimpan sebagai array linier dari lokasi dan dapat diakses secara individual. Mikroprosesor dapat mengakses lokasi tertentu di memori dengan mengeluarkan alamat memori (indeks lokasi yang diinginkan) ke elemen memori. elemen I / O memungkinkan mikroprosesor untuk berkomunikasi dengan dunia luar untuk memperoleh data baru dan menyajikan hasil perhitungan tersebut diprogram. Elemen tersebut dapat meliputi kontroler keyboard atau layar.

Gambar Diagram blok dasar sistem mikroprosesor

Program terdiri dari banyak operasi individu yang sangat sederhana, yang disebut isntruksi, yang menentukan secara rinci dan tepat bagaimana mikroprosesor harus melakukan algoritma. Sebuah program sederhana mungkin memiliki puluhan instruksi, sedangkan program yang kompleks dapat memiliki puluhan juta instruksi. Secara kolektif, program yang dijalankan pada mikroprosesor disebut perangkat lunak, berbeda dengan hardware yang menjalankan mereka. Setiap jenis mikroprosesor memiliki set instruksi sendiri yang mendefinisikan set lengkap yang unik, operasi diskrit yang mampu dilaksanakan. Instruksi ini melakukan tugas yang sangat kecil, mereka sendiri, mungkin tampak tidak signifikan. Namun, ketika ribuan atau jutaan instruksi kecil yang dirangkai, mereka dapat menciptakan video game atau word processor.

Sebuah mikroprosesor memiliki kecerdasan tidak melekat atau kemampuan untuk mulai melakukan pekerjaan yang bermanfaat secara spontan. Setiap mikroprosesor dibangun dengan set instruksi yang dapat dipanggil dalam urutan yang mengikat. Oleh karena itu, sebuah mikroprosesor memiliki potensi untuk melakukan pekerjaan yang berguna, tetapi tidak akan melakukan hal semacam itu sendiri. Untuk membuat mikroprosesor melakukan pekerjaan yang berguna, membutuhkan bimbingan eksplisit dalam bentuk pemrograman software. Bahkan sebuah tugas kompleksitas modern harus dipecah menjadi banyak langkah kecil untuk diterapkan pada mikroprosesor. Langkah-langkah ini meliputi aritmatika dasar, operasi Boolean, memuat data dari memori atau elemen input seperti keyboard, dan menyimpan data kembali ke memori atau elemen output seperti printer.

Struktur memori adalah salah satu karakteristik kunci komputer, karena mikroprosesor yang hampir terus-menerus mengakses itu untuk mengambil instruksi baru, memuat data baru untuk beroperasi padanya, atau menyimpan hasil yang dihitung. Sementara memori program dan data secara logis diklasifikasikan berbeda, mereka dapat berbagi sumber fisik memori yang sama. Random access memory (RAM) adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan sumber memori generik yang lokasinya dapat diakses, atau ditangani, dalam urutan perintah membaca atau menulis. Read adalah proses mengambil data dari alamat memori dan mengisikan ke dalam mikroprosesor. Write adalah proses menyimpan data ke alamat memori dari mikroprosesor. Program dan data, keduanya dapat menempati RAM. Perhatikan komputer desktop Anda. Ketika Anda menjalankan program yang terletak pada disk drive, program yang pertama kali dimuat ke RAM komputer dan kemudian dieksekusi adalah dari daerah yang disiapkan untuk memori program. Seperti pada komputer desktop, RAM yang paling sering adalah volatile-artinya kehilangan isinya ketika power dimatikan.

a)      Central Proccesing Unit

Central Proccesing Unit (CPU) Komputer Modern dikemas dalam bentuk rangkaian terintegrasi (IC) dengan ukuran yang relatif kecil dan disebut mikroprosesor. Sebuah mikroprosesor adalah perangkat yang dapat diprogram dan dapat menerima data biner dari perangkat masukan, mengolah data terkait dengan instruksi yang tersimpan di memori dan memberikan hasilnya sebagai keluaran. Dengan kata lain, mikroprosesor menjalankan program yang tersimpan didalam memori dan memindah data ke dan dari dunia kuar melalui terminal I/O.

b)      Data Bus

Sebuah mikroprosesor menghubungkan ke perangkat seperti memori dan I / O melalui bus data dan alamat. Secara kolektif, kedua bus dapat disebut sebagai bus mikroprosesor. Sebuah bus adalah kumpulan kabel yang melayani fungsi yang sama. Bus data adalah larik bit dengan ukuran yang cukup untuk berkomunikasi satu unit data yang lengkap pada suatu waktu. Paling sering, bus data adalah satu atau lebih lebar byte. Delapan bit mikroprosesor, yang beroperasi pada satu byte pada suatu waktu, hampir selalu memiliki data bus delapan-bit. Sebuah mikroprosesor 32-bit, mampu beroperasi pada hingga 4 byte pada suatu waktu, dapat memiliki bus data yang lebarnya 32, 16, atau 8 bit. Lebar bus data yang tepat adalah implementasi spesifik dan bervariasi sesuai dengan aplikasi yang dimaksud mikroprosesor. Sebuah lebar bus sempit berarti bahwa itu akan mengambil lebih banyak waktu untuk berkomunikasi sejumlah data dibandingkan dengan bus yang lebih lebar. Notasi umum untuk bus data D [07:00] untuk bus 8-bit dan D [31:0] untuk bus 32-bit, di mana 0 adalah bit paling kecil (LSB).

data bus

c)      Address Bus

Bus alamat adalah larik bit dengan ukuran yang cukup untuk sepenuhnya mengekspresikan ruang alamat mikroprosesor. Alamat ruang mengacu pada jumlah maksimum memori dan I / O yang mana mikroprosesor secara langsung dapat mengakses. Jika mikroprosesor memiliki bus alamat 16-bit, dapat menangani alamat hingga 16² = 65.536 bytes. Oleh karena itu, ia memiliki ruang alamat 64 kB. Seluruh address space tidak harus digunakan; itu hanya menetapkan batas maksimum pada ukuran memori. Notasi umum untuk 16-bit address bus adalah A [15:0], di mana 0 adalah bit paling kecil. Gambar 1.10. menunjukkan konfigurasi bus mikroprosesor khas dalam komputer. Perhatikan bahwa bus alamat adalah searah (mikroprosesor mengirimkan permintaan alamat untuk berbagai perangkat), dan bus data dua arah (mikroprosesor mengirmkan data ketika menulis dan perangkat mengirimkan data ketika dibaca).

Seluruh ruang alamat Sebuah mikroprosesor tidak pernah ditempati oleh fungsi tunggal; melainkan dibagi oleh ROM, RAM, dan berbagai I / O. Setiap perangkat dipetakan ke wilayah sendiri-sendiri dari ruang alamat dan diaktifkan hanya ketika mikroprosesor mengirimkan alamat dalam wilayah yang dipetakan untuk perangkat tersebut. Proses menyatakan bahwa alamat dalam suatu wilayah yang diinginkan disebut decoding. Logika alamat digunakan untuk membagi ruang alamat keseluruhan menjadi bagian-bagian yang lebih kecil di mana memori dan perangkat I / O berada. Logika ini menghasilkan sinyal individu yang mengaktifkan perangkat yang sesuai berdasarkan keadaan bus alamat sehingga perangkatnya tidak memerlukan pengetahuan tentang decoding unik alamat komputer tertentu.

Address bus

d)      Control Bus

Bus kendali (control bus) terdiri sejumlah jalur individu yang membawa sinyal penyerempak. Istilah bus normalnya berarti sekelompok jalur yang bekerja serempak. Bus kendali mengirim keluar sinyal kendali ke memori, terminal I/O dan perangkat peripheral lain untuk memastikan bekerja tepat. Ini membawa sinyal kendali seperti membaca memori, menulis memori, membaca terminal masukan, menulis terminal keluaran, menggenggam, interupsi, dan lainnya. Sebagai contoh, jika diinginkan untuk membaca isi dari lokasi memori tertentu, CPU pertama mengirimkan keluar alamat dari lokasi pada bus address dan sinyal kendali “baca memori” pada bus kendali. Memori menanggapi dengan mengeluarkan data yang tersimpan di lokasi memori yang dialamatikepada bus data.

control bus 

e)      Read Only Memory

Read Only Memory atau ROM digunakan untuk menyimpan data yang bersifat tetap diantaranya data instruksi atau program yang harus dijalankan oleh mikroprosesor. Selain itu juga data operasi yang tidak boleh hilang ketika catudaya dimatikan. Perangkat yang dapat menyimpan informasi atau pengaturan, baik secara permanen (nonvolatile memori) atau sementara yang membutuhkan pasokan tenaga listrik tetap ada (memori volatile), merupakan bagian penting dari hampir setiap sistem elektronik modern. Bahkan peralatan yang tidak memiliki kemampuan diprogram ulang mungkin berisi perangkat yang dikonfigurasi pada saat atau setelah perakitan, untuk  mengurangi persediaan bahan, sehingga produsen memiliki kemampuan untuk menjaga dan membuat desain yang lebih fleksibel dengan memungkinkan modifikasi selama produksi.

f)       Random Access Memory

Random Access Memory (RAM) merupakan penyimpan data yang dapat ditulis, dibaca ataupun dihapus dan kemampuan penyimpanannya bergantung dari ketersediaan sumber daya. Memori ini akan hilang jika sumber daya dimatikan, oleh karenanya disebut memori volatile. Memori Volatile dapat menggunakan flip-flop sebagai elemen penyimpanan, yang disebut memori statis, atau didasarkan pada pengisian kapasitor, yang disebut memori dinamis. Istilah statis dan dinamis berasal dari kenyataan bahwa sementara flip-flop selalu berada pada status terakhir kecuali power supply dihapus, kapasitor akan discharge perlahan-lahan dari waktu ke waktu sehingga perlu refresh secara teratur agar memori tidak akan hilang.

Memori dinamis dapat dibuat dengan kerapatan yang jauh lebih tinggi daripada memori statis karena setiap bit dalam memori membutuhkan transistor lebih sedikit. Chip memori dinamis telah dapat dibangun di sirkuit penyegaran yang membutuhkan perawatan dari pengisian yang diperlukan untuk menjaga data yang tersimpan pada kapasitor, ini kadang-kadang dikenal sebagai memori pseudo-statis karena desainer sirkuit tidak perlu memberikan penyegaran dengan sirkuit eksternal.

RAM sangat diperlukan untuk penyimpanan data dalam jumlah besar dengan kecepatan baca dan tulis yang cepat. 

g)      Paralel Port  Input Output

Port I/O menyediakan sebuah antarmuka antara mikrokontroler dan perangkat I/O seperti printer, pengendali motor, penggerak penampil, dll. Pengiriman dan penerimaan data melalui Port I/O paralel terjadi secara serentak untuk sejumlah bit sesuai lebar data port. Arah data pada Port I/O adalah dwi arah (Bidirectional), yang dapat mengirimkan data dari CPU ke perangkat luar dan dapat menerima data dari perangkat luar ke CPU.

h)      Serial Port Input Output

Serial Port Input Output merupakan antarmuka antar mikroprosesor dengan perangkat luar seperti keyboard, layar monitor dan lain-lain. Pengiriman atau penerimaan data dilakukan setiap bit secara berurutan untuk sejumlah lebar data.

Ada dua jenis antarmuka komunikasi serial, yaitu antarmuka komunikasi asinkron dan antarmuka komunikasi sinkron. Antarmuka komunikasi asinkron menggunakan start dan stop bit protokol untuk sinkronisasi pemancar dan penerima. Bitsare mulai dan berhenti tertanam dalam setiap byte data. Dibandingkan dengan antarmuka komunikasi sinkron, ia menawarkan kecepatan transmisi data yang lebih rendah. Hal ini juga disebut sebagai universal asynchronous receiver/transmitter (UART) atau antarmuka komunikasi serial (SCI). Antarmuka komunikasi sinkron menggunakan clock disinkronisasi untuk mengirim dan menerima setiap bit. Sinkronisasi clock transmitter dan receiver biasanya dilakukan dengan menggunakan jalur clock tambahan menghubungkan pemancar dan penerima. Hal ini tidak dianjurkan untuk komunikasi jarak jauh. Hal ini juga disebut sebagai antarmuka perangkat serial (SPI).

i)        Timer / Counter

Counter merupakan rangkaian pencacah atau penghitung pulsa clock yang masuk padanya yang dibangun dari sejumlah flip-flop. Banyaknya flip-flop yang digunakan akan menentukan jumlah angka biner yang dapat dihitungnya. Ketika pulsa clock dengan periode tetap diberikan pada masukkannya dan counter harus menghitung sejumlah clock yang ditentukan maka akan diperoleh interval waktu yang tertentu untuk menyelesaikan hitungan tersebut, fungsi ini disebut sebagai timer. Counter/timer biasanya melakukan tiga fungsi berikut. Mereka digunakan untuk menjaga waktu dan/atau mengukur interval waktu antara peristiwa, menghitung jumlah kejadian dan menghasilkan tingkat baud untuk port serial. Timer/counter mampu diprogram (programmable timer/counter) digunakan untuk pembangkit penundaan yang akurat untuk menghitung waktu kejadian, pembangkit tingkat, aplikasi pembangkit gelombang kompleks dan sebagainya. 

j)        Interrupt Control

Interupsi merupakan sinyal permintaan untuk menyela program yang sedang berjalan dan menanggapi rutin interupsi yang dibuat. Pengendali interupsi adalah perangkat penangkap interupsi dari perangkat luar atau periperal. Sebuah interupsi merupakan sinyal permintaan kepada CPU untuk segera dilayani karena keadaan tertentu yang telah direncanakan. Sebuah Pengendali Interupsi Mampu Diprogram (Programmable Interrupt controller, PIC) adalah perangkat yang memungkinkan pemberian tingkat prioritas yang akan ditugaskan untuk output interupsinya. Ini berfungsi sebagai manajer secara keseluruhan dalam lingkungan sistem pengemudi interupsi. Bila perangkat memiliki beberapa output interupsi, maka akan menegaskan mereka dalam urutan prioritas relatif mereka.