Sistem Mikroprosesor

Posted by : Unknown Kamis, 24 April 2014

Sistem mikroprosesor merupakan rangkaian digital kompleks yang terintegrasi dalam suatu sistem. Perubahan fungsi sistem mikroprosesor tergantung dari program pada sistem perangkat lunak yang mendukung kerja sistem mikroprosesor.

Sistem Mikroprosesor

Sistem Mikroprosesor dapat dipahami dari dua kata pembangunnya yaitu :

* Sistem adalah gabungan dari beberapa elemen atau komponen yang membangun suatu fungsi tertentu.
Mikroprosesor adalah sebuah komponen rangkaian terintegrasi (IC) mikroelektronika dalam paduan s * kala yang sangat besar yang di disain bekerja sebagai pusat pengolah data digital yang lebih dikenal dengan sebutan Central Processing Unit (CPU).

Jadi Sistem Mikroprosesor adalah gabungan dari beberapa komponen dalam hal ini Memory Unit, Input, Output Unit, dan CPU yang bekerja sebagai pengolah data elektronik digital. Sebuah mikroprosesor agar dapat berfungsi memerlukan sebuah sistem yang disebut sistem mikroprosesor.

Komponen utama sebuah sistem mikroprosesor tersusun dari lima unit pokok : unit mikroprosesor atau Microprocessor Unit ( MPU) atau CPU, unit memori baca atau Read Only Memory (ROM), unit memori baca tulis atau Read Write Memory (RWM), unit masukan keluaran terprogram atau Programmable Input Output(PIO) dan unit detak/Clock.

MPU adalah sebuah CPU yang tersusun dari tiga bagian pokok yaitu :

* Control Unit (CU)
* Arithmetic Logic Unit (ALU)
* Register Unit (RU)

Sebagai CPU, MPU bekerja dan melakukan fungsi dasar yaitu fungsi logika dan aritmetika. Fungsi logika antara lain fungsi AND, OR, XOR, CPL, dan NEG. Sedangkan fungsi Aritmetika antara lain : ADD, SUB, ADC, SBC, INC, dan DEC.

Disamping fungsi pengolahan aritmetika dan logika MPU juga melakukan fungsi pengalihan data dengan menggunakan perintah MOV, atau LOAD, EXCHANGE, PUSH, dan POP. Untuk menyimpan program dan data yang digunakan pada sistem mikroprosesor harus dilengkapi dengan Memori. Jadi memori mutlak diperlukan dalam sistem mikroprosesor. Tanpa ada memori sistem mikroprosesor tidak dapat bekerja terutama memori program dalam ROM.

I/O unit dipersiapkan untuk menghubungkan MPU dengan alat-alat input-output luar seperti keyboard. Monitor, Printer, Mouse, dan sebagainya.

Sistem Bus

Mikroprosesor berkomunikasi dengan unit memori, unit I/O menggunakan saluran yang disebut dengan BUSS. Setiap mikroprosesor dilengkapi dengan tiga bus sebagai berikut:

Alih data diantara MPU dengan komponen luar berlangsung pada Bus Data. Mikroprosesor standar memiliki saluran bus data 8 bit dua arah artinya alih data atau informasi berlangsung pada 8 saluran paralel dari MPU ke unit lain diluar MPU atau dari unit lain di luar ke MPU.

Untuk menetapkan kemana data itu dikirim atau dari mana data itu diambil digunakan bus alamat. Bus alamat bertugas menetapkan dan memilih satu lokasi memori atau satu lokasi I/O yang he ndak diakses.
Bus Kendali adalah seperangkat bit pengendali yang berfungsi mengatur: (1) Penyerempakan memori, (2) Penyerempakan I/O, (3) Penjadualan MPU, Interupsi, DMA , (4) Pembentuk clock, dan reset.

Perkembangan Mikroprosesor

Mikroprosesor sebagai komponen utama dalam sistem mikroprosesor dapat dikelompokkan menurut : (a) Teknologi yang digunakan ; (b) Jumlah Bit Data ; (c) Kemampuan atau Karakteristik Mikroprosesor. Tabel berikut menunjukkan pengelompokan perkembangan mikroprosesor.

Disamping teknologi PMOS (Metal-Oxide Semiconductor kanal P) dan teknologi NMOS (Metal-Oxide Semiconductor kanal N) yang paling banyak digunakan sebagai teknologi pembuatan mikroprosesor masih ada teknologi lain yaitu :

* Teknologi CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor )
* Teknologi CMOS-SOS (teknologi CMOS menggunakan subtrat Sphir- Silicon – On – Sapphire)
* Teknologi bipolar jenis ECL (Emitter – Coupled – Logic)
* Teknologi Bipolar jenis Schottky
* Teknologi Bipolar jenis I2L (Integrated – Injection – Logic)

Mengingat makin banyaknya macam dan jenis mikroprosesor yang ada sampai saat ini, maka sebagai pemakai kita perlu menentukan macam komponen yang paling sesuai dengan keperluan kita. Dalam memilih komponen mikroprosesor beberapa hal pertimbangan perlu dikaji misalnya:

* Pertimbangan Sistem meliputi karakteristik sistem, jumlah supplier, harga, dan ketersediaan.
* Pertimbangan hardware meliputi jumlah bit data, macam, kemampuan dan waktu instruksi dan macam bahasa.

Clock

Merupakan bagian dari sistem mikroprosesor yang mengatur denyut kerja MPU. Sehingga frekuensi clock berkaitan dengan kecepatan kerja komputer. Beberapa jenis MPU ada yang menggunakan detak sistem tunggal dan ada juga sistem ganda (dua fase). Detak dapat dibangkitkan menggunakan sistem diskrit atau IC khusus. Intel memperkenalkan IC 8224 untuk penggerak detak..

Pengendalian Sistem Mikroprosesor

MPU dalam suatu sistem mikroprosesor dalam fungsinya sebagai pengendali sistem bekerja sebagai :

* Pengendali sistem
* Pengendali bus/saluran
* Dikendalikan oleh alat luar.
Pada Tabel berikut digambarkan ekivalensi sinyal-sinyal kendali beberapa jenis mikroprosesor :

Penyerempakan memori dan penyerempakan I/O pada pokoknya analogis. Digunakan prosedur jabat tangan. Dalam operasi “baca” suatu status sinyal “siap’ (ready) akan menunjukkan tersedianya data. Kemudian data dialihkan ke bus data. Pada beberapa alat I/O dibangkitkan suatu sinyal “pengakuan” (ackowledge) untuk memberitahukan penerimaan data. Pembangkitan sinyal pengakuan ini menggunakan sistem tak serempak (Asinkron). Pada sistem sinkron tidak diperlukan adanya pembangkitan sinyal pengakuan.

Ciri dari sistem sinkron adalah :

* Kecepatan yang lebih tinggi
* Jumlah saluran bus pengendali lebih sedikit
* Pembatasan kecepatan pada alat-alat I/O.

Pada sistem asinkron tercirikan adanya :

* Jumlah saluran bus pengendali lebih banyak
* Memungkinkan penggunaan piranti berkecepatan berbeda dalam satu sistem yang sama.

KOMPONEN MIKROPROSESOR

Mikroprosesor terdiri dari beberapa bagian :

Register, berfungsi untuk sebagai tempat penyimpanan sementara data, alamat, kode instruksi dan bit status berbagai operasi mikroprosesor.
ALU (Algorithm and Logic Unit), berfungsi untuk mengerjakan perintah – perintah logika dan operasi aritmetika.
Timing and Control Unit, berfungsi untuk mengambil dan mendekodekan instruksi dari memori program dan membangkitkan sinyal kendali yang diperlukan oleh bagian lain dari mikroprosesor untuk melaksanakan instruksi tersebut

FUNGSI MIKROPROSESOR

Fungsi utama Mikroprosesor adalah sebagai unit yang mengendalikan seluruh kerja sistem mikroprosesor. Beberapa fungsi lain dari mikroprosesor, antara lain :

Mengambil instruksi dan data dari memori.
Memindah data dari dan ke memori.
Mengirim sinyal kendali dan melayani sinyal interupsi.
Menyediakan pewaktuan untuk siklus kerja sistem mikroprosesor.
Mengerjakan fungsi – fungsi operasi logika dan aritmetika.

Konfigurasi Dasar Sistem Mikroprosesor

Pada sistem mikroprosesor prinsip kerjanya adalah mengolah suatu data masukan, yang kemudian hasil olahan tersebut akan menghasilkan keluaran yang dikehendaki. Proses pengolahan datanya dapat difungsikan sesuai dengan instruksi yang diprogramkan . Masing – masing mikroprosesor memiliki bahasa pemrograman yang berbeda-beda. Namun secara prinsip, dasar dari tiap mikroprosesor adalah sama. Tiap Mikroprosesor memiliki satu bus data, satu bus alamat dan satu bus kendali. Dalam mikroprosesor terdapat suatu unit untuk mengerjakan fungsi – fungsi logika dan aritmetika, register – register untuk menyimpan data sementara dan unit pengendalian .

Bus data terdiri biasanya 4, 8, 16 atau 32 jalur (bit), 64 bit, tergantung dari jenis mikroprosesornya. Bus data berfungsi memuat data dari dan ke mikroprosesor. Arah panah menunjukkan arah data dikirim/diterima.

Bus alamat merupakan bus yang berisi alamat – alamat yang datanya akan dikirim / diterima oleh mikroprosesor.

Bus kendali digunakan untuk mensinkronkan kerja antara mikroprosesor dengan dunia luar sistem. Pada beberapa aplikasi ada yang disebut dengan istilah jabat tangan, seperti misalnya pada penerapan hubungan dengan pencetak (printer).

Dalam sistem kerjanya mikroprosesor didukung oleh unit memori (untuk menyimpan program tetap/sementara dan menyimpan data), unit masukan dan keluaran yang berfungsi sebagai antar muka dengan dunia luar. Catu daya, rangkaian pembangkit detak (clock), rangkaian pengawasandi (address decoder), penyangga (buffer) dan penahan (latch) juga diperlukan mikroprosesor untuk mendukung operasi kerja sebagai satu rangkaian yang solid.

3. Unit Pemroses Pusat (CPU : Central Processing Unit)

Mikroprosesor berfungsi sebagai unit yang mengendalikan seluruh kerja system mikroprosesor. Fungsi – fungsi mikroprosesor adalah sebagai berikut :

1. Mengambil instruksi dan data dari memori.

2. Memindah data dari dan ke memori.

3. Mengirim sinyal kendali dan melayani sinyal interupsi.

4. menyediakan pewaktuan untuk siklus kerja sistem mikroprosesor.

5. Mengerjakan fungsi – fungsi operasi logika dan aritmetika.

Dalam pelaksanaan fungsi – fungsi tersebut, bagian – bagian mikroprosesor yang mengerjakan adalah : Pengendalian dan Pewaktuan (control and Timing), ALU (Arithmetic and Logical Unit) dan Register.

3.1. Pewaktuan dan Pengendalian

Bagian pewaktuan dan pengendalian memiliki fungsi utama untuk mengambil dan mendekodekan instruksi dari memori program dan membangkitkan sinyal kendali yang diperlukan oleh bagian lain dari mikroprosesor untuk melaksanakan instruksi tersebut. Pada bagian pengendalian mengirimkan sinyal kendali eksternal untuk dikirim ke elemen system mikroprosesor yang lain. Bagian pengendalian juga berfungsi untuk menerima sinyal kendali dari elemen lain dalam sistem mikroprosesor.

3.2. ALU (Arithmetic Logical Unit)

Bagian mikroprosesor yang berfungsi mengerjakan perintah – perintah logika dan operasi aritmetika adalah ALU. Instruksi dalam operasi ini melibatkan satu atau dua operand. Operasi ALU menghasilkan juga sinyal status yang dikirim ke register, yaitu sinyal untuk mengubah status bit – bit flag sesuai hasil operasi suatu instruksi.

3.3. Register

Fungsi register digunakan untuk menyimpan data, alamat, kode instruksi dan bit status berbagai operasi mikroprosesor. Prinsip dari register – register pada berbagai mikroprosesor adalah sama, namun memiliki perbedaan dalam struktur registernya.

4 Memori

Setiap sistem mikroprosesor memiliki memori, guna menyimpan program dan datanya. Mikrokontroler memiliki memori internal baik dari jenis memori ROM maupun RAM. Namun beberapa jenis mikrokontroler tidak memiliki internal ROM, seperti mikrokontroler yang dipakai pada perancangan alat ini.

4.1. Jenis – Jenis Memori

Memori dalam sistem mikroprosesor digunakan dua jenis memori :

- Memori Tak Mudah Terhapus (non volatile)

- Memori Mudah Terhapus (volatile)

Memori tidak mudah terhapus memiliki karakteristik menyimpan informasi / data dan selamanya informasi tersebut tidak akan hilang walaupun catu daya sistem mikroprosesor dimatikan contoh memori tak mudah terhapus adalah ROM dengan jenis 27256. ROM hanya dapat dibaca. Pengisian informasi dalam ROM dilakukan sekali untuk selamanya. Namun ada jenis ROM yang dapat dihapus dengan menggunakan sinar ultra violet, dan dapat diisi kembali. Jenis ROM itu seperti yang dipakai pada perancangan alat ini. Dua jenis memori ROM yang dapat dihapus dan diprogram kembali oleh pemakai yaitu UV EPROM dan EEPROM. UV PROM dihapus dengan ultra violet dan EEPROM dengan memberikan level tegangan tertentu. Memori mudah terhapus memiliki karakteristik yang terbalik dengan memori tak mudah terhapus.

Memori mudah terhapus dapat menyimpan informasi selama catu daya sistem mikroprosesor belum dimatikan. Informasi akan hilang apabila catu daya memori dimatikan. Memori jenis ini contohnya adalah RAM, yang dapat ditulisi dan dibaca berulang – ulang. Memori RAM digolongkan menjadi dua yaitu : memori statik dan memori dinamik. Pada memori dinamik, informasi disimpan dalam muatan dan muatan akan hilang bila tidak disegarkan, untuk itu diperlukan suatu rangkaian penyegar di luar memori. Memori static tidak memerlukan rangkaian penyegar, sebab informasi pada memori statik disimpan dalam penahan flip-flop.

4.2. Sistem Kerja Memori

Sistem operasi kerja memori, prinsipnya terdiri dari dua yaitu operasi baca dan operasi tulis. Bila prosesor melakukan perintah baca ke memori maka prosesor mengirimkan alamat data yang akan diakses, kemudian mengirimkan sinyal kendali read (baca) yang memerintahkan pada memori untuk mengeluarkan data pada alamat yang ditunjukkan pada bus data. Operasi tulis yaitu bila prosesor akan menyimpan data, informasi, instruksi atau kode operasi ke memori.

Dalam operasi tulis data, mikroprosesor terlebih dahulu mengirimkan alamat melalui bus alamat ke memori, yang menunjukkan lokasi alamat data pada memori yang akan ditulis. Selanjutnya sinyal write (tulis) dikirimkan yang memberikan perintah kepada memori untuk menyediakan tempat pada memori untuk data yang ada pada bus data dengan alamat sesuai yang ditunjukkan pada bus alamat. Siklus kerja memori diperlihatkan pada gambar berikut,

Gambar 3. Diagram siklus waktu operasi baca dari memori

Penjelasan gambar 3 adalah sebagai berikut :

· Mikroprosesor menempatkan alamat data yang akan dibaca pada bus alamat.

· Mikroprosesor memberikan pulsa sinyal kendali baca (aktif rendah).

· Saat sinyal kendali aktif rendah, data pada bus data siap diambil / dibaca.

· Data sahih siap dibaca oleh mikroprosesor

· Prosesor mengambil data dari bus data

· Sinyal kendali kembali pada level tinggi.

Gambar 4. Diagram siklus waktu operasi tulis pada memori

Penjelasan dari gambar 4 adalah sebagai berikut :

· Mikroprosesor memberikan data yang akan ditulis pada memori pada bus data.

· Mikroprosesor selanjutnya memberikan alamat lokasi data pada memori untuk data yang akan ditulis pada memori ke bus alamat.

· Prosesor kemudian memberikan sinyal kendali tulis (aktif rendah) .

· Saat sinyal kendali pada posisi rendah, data otomatis ditulis pada memori dengan alamat lokasi pada alamat yang ditunjukkan bus alamat.

· Sinyal kendali kembali ke posisi level tinggi.

· Memori siap menerima instruksi selanjutnya.

5. Unit Masukan dan Keluaran

Perantara antara mikroprosesor dengan dunia luar merupakan tugas dari unit masukan dan keluaran pada suatu sistem mikroprosesor. Tanpa unit masukan dan keluaran maka data yang diolah hanya berputar – putar dalam sistem mikroprosesor, tanpa ada keluaran yang dapat diterima lingkungan luar sistem mikroprosesor.

Teknik masukan dan keluaran pada sistem mikroprosesor dapat dibedakan menjadi dua sistem yaitu :

1). Sistem Paralel

Data masukan / keluaran dikirimkan dalam bentuk delapan bit paralel.

2). Sistem Serial

Data masukan/keluaran dikirim secara bit per bit berurutan melalui satu jalur.

BUS

INTERKONEKSI BUS-STRUKTUR BUS

Sebuah bus biasanya terdiri atas beberapa saluran. Sebagai contoh bus data terdiri atas 8 saluran sehingga dalam satu waktu dapat mentransfer data 8 bit. Secara umum fungsi saluran bus dikatagorikan dalam tiga bagian, yaitu :

Saluran data (Data Bus)
Saluran alamat (Address Bus)
Saluran kontrol (Control Bus)

Gambar 2. Pola Interkoneksi

Bus Data (Bus-D)

Lintasan bagi perpindahan data antar modul. Secara kolektif lintasan ini disebut bus data. Umumnya jumlah saluran terkait dengan panjang word, misalnya 8, 16, 32 saluran.

Tujuan : agar mentransfer word dalam sekali waktu.

Jumlah saluran dalam bus data dikatakan lebar bus, dengan satuan bit, misal lebar bus 16 bit.

Bus Alamat (Bus-A)

Digunakan untuk menspesifikasi sumber dan tujuan data pada bus data.
Digunakan untuk mengirim alamat word pada memori yang akan diakses CPU.
Digunakan untuk saluran alamat perangkat modul komputer saat CPU mengakses suatu modul.
Semua peralatan yang terhubung dengan sistem komputer, agar dapat diakses harus memiliki alamat.

Contoh : mengakses port I/O, maka port I/O harus memiliki alamat hardware-nya

Bus Kontrol (Bus-C)

Digunakan untuk mengontrol bus data, bus alamat dan seluruh modul yang ada.

Karena bus data dan bus alamat digunakan oleh semua komponen maka diperlukan suatu mekanisme kerja yang dikontrol melalui bus kontrol ini.

Sinyal – sinyal kontrol terdiri atas