SISTEM KOMPUTER KELAS XI

BAB II

2.1. Kegiatan Belajar 2 : Mikrokontroler

2.1.1 Tujuan Pembelajaran

Setelah mengikuti kegiatan belajar satu ini siswa diharapkan dapat mengetahui macam dan
jenis mikrokontroler populer.

2.1.2 Uraian Materi

      A. Pengantar Mikrokontroler

               

Mikrokontroler adalah sebuah  komputer kecil di dalam satu IC yang berisi CPU, memori, timer, saluran komunikasi serial dan paralel, port input/output, ADC. Mikrokontroler digunakan untuk suatu tugas dan menjalankan suatu program. Mikrokontroler disebut juga MCU adalah salah satu komponen elektronik atau IC yang memiliki beberapa sifat seperti komputer, yaitu: CPU (Central Processing Unit) atau unit pemprosesan terpusat, kode memori, data memori, I/O (port untuk input dan output), bentuknya yang kecil dan harganya murah sehingga dapat dicangkokkan (embedded) di dalam berbagai peralatan. Pada saat ini penggunaan mikrokontroler dapat ditemui pada berbagai peralatan misalnya peralatan yang terdapat di rumah seperti telepon digital, microwave oven, televisi, mesin cuci, sistem keamanan rumah dan lainlain. Mikrokontroler dapat digunakan untuk berbagai aplikasi misalnya untuk pengendalian, otomasi industri, akuisisi data, telekomunikasi dan lain-lain. Keuntungan menggunakan mikrokontroler adalah harganya murah, dapat diprogram berulang kali, dan dapat diprogram sesuai dengan kebutuhan. Mikrokontroler dapat dikatakan termasuk dalam kategori special purpose computer.

Prosesor atau mikroprosesor adalah suatu perangkat digital berupa Chip atauIC (Integrated Circuit) yang digunakan untuk memproses data biner. Alat iniberisi ALU (Arithmetic and Logic Unit), register-register, Control Unit dan sistem interkoneksi atau BUS internal. Bila sebuah prosesor dilengkapi dengan memory (RAM & ROM) dan fasilitas Input/Output internal, biasanya disebut mikrokontroler. Mikrokontroler dapat diprogram melalui program software yang dapat menulis, membaca dan dihapus isi mikrokontroler tersebut. Mikrokontroler sering digunakan dalam beberapa peralatan otomatis seperti pengontrol mesin di mobil, pengontrol jarak jauh, mesin cuci otomatis, pengkondisian udara (AC) peralatan perkantoran dan lain-lain. Keuntungan dari penggunaan mikrokontroler yaitu ukuran peralatan yang lebih kecil, mengurangi biaya dan konsumsi listrik.

Sebuah sistem mikroprosesor yang terdiri dari prosesor, memory dan I/O dikemas dalam keping tunggal atau single chip IC. Dengan cara ini, maka pengguna atau user tidak perlu melengkapi keping tunggal ini dengan beragam IC lain seperti clock generator, addres latcher, chip selector, memory dan PPI (Programmable Peripheral Interface) atau lainnya. Variasi register di dalam sebuah mikroprosesor sangat beragam bergantung pada tipe, fungsi khusus yang diinginkan dan pabrik pembuatnya. Karena mikrokontroler telah dilengkapi dengan berbagai peripheral yang sudah terdapat pada satu chip IC maka mikrokontroler memiliki keunggulan berikut ini :

1)      Harga yang lebih ekonomis .

2)      Sistem yang jauh lebih kompak dan ringkas.

3)      Tingkat keamanan dan akurasi yang lebih baik.

4)      Kemudahan dalam penggunaannya untuk sistem yang berbasis mikrokontroler

Mikrokontroler yang beredar saat ini dapat dibedakan menjadi 2 macam berdasarkan arsitekturnya yaitu :

1)      CISC (Complex Instruction Set Computing)

CISC memiliki jumlah instruksi yang lebih banyak tetapi memiliki fasilitas internal yang minimal (seri AT89 memiliki 255 instruksi). Program assembly pada CISC menjadi lebih sederhana karena sudah ada instruksi yang kompleks. Untuk membuat instruksi yang kompleks seperti instruksi perkalian, pembagian dan instruksi lain yang rumit maka diperlukan hardware yang kompleks juga. Dibutuhkan ribuan gerbang logik transistor untuk membuat prosesor CISC. Instruksi yang kompleks juga membutuhkan jumlah siklus mesin yang lebih panjang untuk dapat menyelesaikan eksekusinya.

2)       RISC (Reduced Instruction Set Computing)

RISC memiliki fasilitas internal yang lebih banyak tetapi memiliki jumlah instruksi yang minimal (seri PIC16F hanya ada sekitar 30 lebih instruksi). Program asssembly dengan arsitektur RISC menjadi lebih kompleks bila dibandingkan dengan CISC karena hampir semua instruksi RISC adalah instruksi dasar yang umumnya hanya memerlukan 1 siklus mesin untuk menjalankannya. Misalnya pada RISC tidak mendukung instruksi untuk perkalian sehingga untuk membuat program perkalian harus menggunakan instruksi dasar seperti instruksi penjumlahan dan lain-lain. Pada arsitektur RISC tidak diperlukan hardware yang kompleks, prosesor yang tidak rumit akan semakin cepat dan handal. Untuk merealisasikan instruksi dasar yang jumlahnya tidak banyak maka RISC tidak memerlukan gerbang logik yang banyak membuat dimensi IC dan konsumsi dayanya umumnya lebih kecil dibandingkan arsitektur CISC.

Beberapa jenis mikro kontroler antaralain :

1.       AVR

Mikrokonktroler Alv and Vegards Risc processor atau sering disingkat AVR merupakan mikrokonktroler 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, peripheral dan fungsinya. Keempat kelas tersebut adalah keluarga ATTiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega dan AT86RFxx.

2.       MCS-51

Mikrokonktroler ini termasuk dalam keluarga mikrokonktroler CISC. Sebagian besarinstruksinya 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 mengijikan 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).

3.       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 PICnya yang keenam.

4.       ARM

ARM adalah prosesor dengan arsitektur set instruksi 32bit RISC (Reduced Instruction Set Computer) yang dikembangkan oleh ARM Holdings. ARM merupakan singkatan dari Advanced RISC Machine (sebelumnya lebih dikenal dengan kepanjangan Acorn RISC Machine). Pada awalnya ARM prosesor dikembangkan untuk PC (Personal Computer) oleh Acorn Computers, sebelum dominasi Intel x86 prosesor Microsoft diIBM PC kompatibel menyebabkan Acorn Computers bangkrut.

B.       Komputer vs Mikrokontroler

Terdapat beberapa persamaan antara sebuah komputer dan mikrokontroler antara lain sama-sama memiliki CPU (Central Processing Unit) atau unit pengolah pusat, sama-sama memiliki RAM (Random Access Memory) untuk menyimpan data-data sementara. CPU
yang dimilliki tersebut dapat menjalankan program yang tersimpan dalam ROM (Read Only Memory) atau RAM. Serta komputer dan mikrokontroler sama-sama memiliki beberapa unit input dan output (I/O) melalui sensor sebagai input dan actuator sebagai output untuk dapat menjalin komunikasi. Walaupun memiliki banyak persamaan tetapi komputer dan
mikrokontroler juga memiliki banyak perbedaan karena memang memiliki
fungsi dan tujuan yang berbeda, berikut beberapa perbedaan antara lain :

·         Kecepatan CPU

CPU pada komputer memiliki banyak variasi dan rata-rata kecepatan yang bisa dicapai lebih dari 3GHz dan memiliki jumlah core lebih dari satu untuk setiap unit CPU, sedangkan kecepatan CPU pada sebuah mikrokontroler biasanya jauh lebih rendah dan pada umumnya masih berada dalam kategori MHz dan memang dikhususkan untuk aplikasi-aplikasi berbasis mikrokontroler.

·         BIOS (Basic Input Output System)

Sebuah komputer saat pertama kali dijalankan akan menjalankan program BIOS yang tersimpan dalam ROM lalu kemudian menjalankan program yang tersimpan dalam media penyimpanan lainnya. Sementara untuk mikrokontroler saat pertama kali dijalankan akan menjalankan program yang tersimpan dalam. ROM internalnya dimana memori program dari mikrokontroler bersifat non-volatile yang akan tetap tersimpan walau tanpa pasokan listrik. BIOS (Basic Input Output System) Sebuah komputer saat pertama kali dijalankan akan menjalankan program BIOS yang tersimpan dalam ROM lalu kemudian menjalankan program yang tersimpan dalam media penyimpanan lainnya. Sementara untuk mikrokontroler saat pertama kali dijalankan akan menjalankan program yang tersimpan dalam ROM internalnya dimana memori program dari mikrokontroler bersifat non-volatile yang akan tetap tersimpan walau tanpa pasokan listrik.

·         Ukuran RAM

                        RAM pada komputer tersedia dalam berbagai ukuran dan berada dalam kategori ukuran gigabyte serta dapat diupgrade sesuai dengan kebutuhan karena lokasinya yang terpisah dari CPU sehingga mudah untuk ditambahkan, sementara lokasi RAM pada mikrokontroler terintegrasi di dalam chip dan memiliki kapasitas yang jauh lebih rendah.

·         Dukungan Input dan Output

                Berbagai alat input dan output dapat disambungkan ke sebuah komputer dan memiliki dukungan yang sangat luas untuk pengoperasiannya, sementara untuk mikrokontroler dukungan input dan outputnya jauh lebih
sederhana.
· Tujuan

Sebuah komputer dapat digunakan untuk berbagai tujuan sesuai dengan kebutuhan karena bisa memanfaatkan berbagai aplikasi perangkat lunak yang tersedia baik untuk kebutuhan perkantoran, hiburan, ataupun multimedia. Sementara untuk mikrokontroler digunakan untuk mencapai sebuah tujuan dan biasanya telah diprogram secara khusus untuk mencapai tujuan tersebut.Dukungan Input dan Output Berbagai alat input dan output dapat disambungkan ke sebuah komputer dan memiliki dukungan yang sangat luas untuk pengoperasiannya, sementara untuk mikrokontroler dukungan input dan outputnya jauh lebih sederhana.

Berdasarkan perbedaan dalam aplikasi dan fasilitas, mikrokontroler mempunyai set instruksi (Instruction Set) yang berbeda dengan mikroprosesor lainnya. Set instruksi mikroprosesor tersebut bersifat processing intensive untuk operasi data volume besar, yang
dapat beroperasi secara bit, nibble, byte atau word. Beragam mode pengalamatan (addressing mode) memungkinkan akses ke lokasi dapat dilakukan secara fleksibel baik data array yang besar, memakai pointer alamat, offset dan lain-lain. Di sisi lain mikrokontroler mempunyai instruksi yang bekaitan dengan kontrol dari Input dan Output. Antaramuka (interfacing) ke berbagai Input dan Output dapat dilakukan dengan operasi bit maupun byte. Jika dibandingkan antara mikroprosesor, mikro-komputer, dan mikrokontroler maka mikroprosesor adalah Central Processing Unit (CPU) di dalam single chip dimana komponen CPU terdiri dari Arithmatic and Logic Unit  (ALU), instruction decoder, register dan lain-lain. Lalu mikro-komputer merupakan mikroprosesor yang telah dihubungkan dengan rangkaian pendukung, komponen input/output dan memori (program dan data) ditempatkan bersama untuk membentuk komputer kecil khususnya untuk akuisisi data dan aplikasi kontrol. Jika komponen yang menyusun sebuah mikro-komputer diletakkan bersama di dalam single chip silicon maka disebut mikrokontroler dimana di dalam mikrokontroler tersebut berisi CPU, memori, timer, port serial dan paralel, port input/output, ADC.

C.     Komponen Mikrokontroler

Chip mikrokontroler terdiri atas berbagai komponen yang terintegrasi antara lain sebagai berikut :

ü  Otak mikrokontroler yang terdiri atas ALU, Instruction Decoder, Accumulator dan Control Logic.

ü   Jantung mikrokontroler berasal dari detak OSC.

ü  SFR (Special Function Register) yang bertugas menyimpan datadata sementara selama proses berlangsung). Sebagian ada yang langsung berhubungan dengan
I/O dari mikrokontroler yang bersangkutan dan sebagian lain berhubungan dengan berbagai macam operasional mikrokontroler.

ü  Instruction Decoder bertugas menerjemahkan setiap instruksi yang ada di dalam Program Memory (hasil dari pemrograman yang kita buat sebelumnya).

ü  Memori RAM atau RAM Memory bisa digunakan sebagai tempat penyimpan sementara

ü  ADC atau Analog to Digital Converter (tidak setiap mikrokontroler memiliki ADCinternal), digunakan untuk mengubah data-data analog menjadi digital untuk diolah ataudiproses lebih lanjut.

ü  Timer atau Counter digunakan sebagai pewaktu atau pencacah, sebagai pewaktu fungsinya seperti sebuah jam digital dan bisa diatur cara kerjanya. Sedangkan pencacah lebih digunakan sebagai penghitung atau pencacah event atau bisa juga digunakan untuk menghitung berapa jumlah pulsa dalam satu detik dan lain sebagainya. Biasanya sebuah mikrokontroler bisa memiliki lebihd dari 1 timer.

ü  EEPROM (sama seperti RAM hanya saja tetap akan menyimpandata walaupun tidak mendapatkan sumber listrik/daya) dan port-port I/O untuk masukan/luaran, untuk melakukan komunikasi dengan periferal eksternal mikrokontroler seperti sensor dan aktuator.

ü  RISC (Reduced Instruction Set Computing), memiliki fasilitas internal yang lebih banyak tetapi memiliki jumlah instruksi yang minimal (seri PIC16F hanya ada sekitar 30 lebih instruksi).

D.    Pemrograman Mikrokontroler

                Bahasa C telah digunakan untuk mengembangkan berbagai jenis permasalahan pemrograman, dari level operating system (unix, linux, ms dos, dsb), aplikasi perkantoran (text editor, word processor, spreadsheet, dsb), bahkan sampai pengembangan sistem pakar (expert system). Kompiler C juga telah tersedia di semua jenis platform komputer, mulai dari Macintosh, UNIX, PC, Micro PC, sampai super komputer. C adalah bahasa pemrograman universal dan paling dasar. Bisa juga disebut bahasa pemrograman tingkat menengah (middle level programming language), karena memiliki kemampuan mengakses fungsi-fungsi dan perintahperintah dasar bahasa mesin/hardware (machine basic instruction set).
Semakin tinggi tingkat bahasa pemrograman (misalnya: java), semakin mudahlah bahasa pemrograman dipahami manusia, namun membawa pengaruh semakin berkurang kemampuan untuk mengakses langsung instruksi dasar bahasa mesin. Bahasa pemrograman C adalah bahasa yang terdiri dari satu atau lebih fungsi-fungsi. Fungsi main() adalah fungsi utama dan harus ada pada program C karena fungsi main() ini adalah fungsi pertama yang
akan diproses pada saat program di kompile dan dijalankan. Jadi bisa dikatakan bahwa fungsi main() adalah fungsi yang mengontrol fungsi-fungsi lain.

Beberapa alasan mengapa bahasa pemrograman C dipakai secara universal antara lain :

a)      C sangat populer, maka dengan banyaknya programmer bahasa C, akan memudahkan seorang programmer untuk berdiskusi dan menemukan pemecahan masalah yang dihadapi ketika menulis program dalam bahasa C

b)      C memiliki portabilitas tinggi, Dengan adanya standarisasi ANSI untuk bahasa C, maka program C yang ditulis untuk satu jenis platform, bisa dikompile dan jalankan di platform lain dengan tanpa atau hanya sedikit perubahan.

c)      C adalah bahasa pemrograman dengan kata kunci (keyword) sedikit, Kata kunci disini adalah merupakan fungsi ataupun kata dasar yang disediakan oleh kompiler suatu bahasa pemrograman. Dengan keyword yang sedikit maka menulis program dengan C bisa menjadi lebih mudah.

d)     Proses eksekusi program C yang sangat cepat.

e)      Bahasa C sangat fleksibel, artinya dengan menguasai bahasa C, seorang programmer bisa menulis dan mengembangkan berbagai jenis program lainnya mulai dari operating system, word
processor, graphic processor, spreadsheets, ataupun kompiler untuk suatu bahasa pemrograman.

f)       C adalah bahasa pemrograman yang bersifat moduler, artinya program C ditulis dalam routine yang dipanggil dengan fungsi, dan fungsi-fungsi yang telah dibuat bisa digunakan kembali (reuse)
dalam program ataupun aplikasi lain.

E.     PIC (Programmable Interface Controller)

PIC merupakan mikrokontroler yang diproduksi oleh Microchip dan dapat menggantikan fungsi dari ratusan IC atau transistor. PIC sangat popular karena harganya yang murah, kemampuannya untuk dapat bekerja dengan berbagai jenis aplikasi serta banyaknya sumber informasi yang tersedia untuk mikrokontroler ini. PIC dapat diprogram melalui serial port dan USB serta dapat diprogram berkali-kali karena menggunakan flash memori. Perangkat lunak penunjang PIC merupakan perangkat lunak open source membuatnya mudah  digunakan oleh siapa saja.

Untuk dapat menggunakan PIC, berikut beberapa hal yang diperlukan, antara lain :

a)      PIC Compiler, merupakan perangkat lunak yang digunakan untuk menulis program lalu mengkompilasi program tersebut menjadi bahasa assembler dan bahasa mesin (hex file).

b)      Winpic800, merupakan perangkat lunak yang digunakan untuk mengirim hex file ke PIC.

c)      PIC Programmer, merupakan alat atau perangkat keras yang digunakan untuk menuliskan program dari computer ke PIC. Yang umum digunakan saat ini adalah ICSP (In Circuit Serial Programming) yaitu antar muka serial yang digunakan PC untuk mendownload suatu program kedalam program memori di PIC.
d) Rangkaian Dasar, adalah rangkaian minimal yang diperlukan agar PIC dapat bekerja. Rangkaian ini memerlukan PIC, Tombol Reset, Catu Daya 5 V dan Oscillator. Dengan adanya rangkaian dasar ini maka PIC siap dioperasikan.

F.      AVR ATMega 16

                Keluarga Mikrokontroler AVR merupakan mikrokontroler dengan arsitektur modern, terdapat 5 jenis mikrokontroler AVR yaitu:

a)      TinyAVR, mikrokontroler (mungil, hanya 8 sampai 32 pin) serbaguna dengan Memori Flash untuk menyimpan program hingga 16K Bytes, dilengkapi SRAM dan
EEPROM 512 Bytes.

b)      MegaAVR, mikrokontroler dengan unjuk-kerja tinggi, dilengkapi Pengali Perangkat keras (Hardware Multiplier), mampu menyimpan program hingga 256 KBytes, dilengkapi EEPROM 4K Bytes dan SRAM 8K Bytes.

c)       AVR XMEGA, mikrokontroler AVR 8/16-bit XMEGA memiliki periferal
baru dan canggih dengan unjukkerja, sistem Event dan DMA yang ditingkatkan, serta merupakan pengembangan keluarga AVR untuk pasar low power dan high performance (daya rendah dan unjuk-kerja tinggi).

d)      AVR32 UC3, unjuk-kerja tinggi, mikrokontroler flash AVR32 32-bit daya rendah. Memiliki flash hingga 512 KByte dan SRAM 128 KByte.

e)      AVR32 AP7, unjuk-kerja tinggi, prosesor aplikasi AVR32 32-bit daya rendah, memiliki SRAM hingga 32 KByte.

G.    MCS-51 (8051)

8051 merupakan mikrokontroler buatan Intel corp yang merupakan bagian dari keluarga MCS-51. AT89C51 merupakan prosesor 8-bit dengan low power supply dan performansi tinggi yang terdiri dari CMOS dengan Flash Programmable dan Erasable Read Only Memory (PEROM) sebesar 4 Kbyte didalamnya. Alat tersebut dibuat dengan menggunakan teknologi tinggi nonvolatile berdensitas tinggi dari ATMEL yang kompatibel dengan keluarga MCS- 51 buatan Intel yang merupakan standar industri. Dengan menggunakan flash memori, program dapat diisi dan dihapus secara elektrik, yaitu dengan memberikan kondisi-kondisi tertentu (high / low) pada pin-pinnya sesuai dengan konfigurasi untuk memprogram atau menghapus. Cara ini lebih praktis dibandingkan dengan menggunakan EPROM yang penghapusan program atau datanya menggunakan sinar ultraviolet. Fasilitas yang tersedia pada AT89C51
antara lain :

a)      4 Kbytes Flash EEROM dengan kemampuan sampai 1000 kali tulishapus

b)      128 x 8-bit internal RAM.

c)      32-bit atau jalur Input/Output.

d)     2 (dua) buah 16-bit Timer /Counter.

e)       6 (enam) buah sumber interupsi.

f)       Serial Communication Interface.

g)      Kompatibel dengan prosesor MCS-51 buatan Intel Corp.

h)      Operasi clock antara 1 sampai 24 MHz.