PERKENALAN MIKROKONTROLER

1.      Apakah Yang Disebut Dengan Mikrokontroler?

Suatu kontroler digunakan untuk mengontrol suatu proses atau aspek-aspek dari lingkungan. Satu contoh aplikasi dari mikrokontroler adalah untuk memonitor rumah kita. Ketika suhu naik kontroler membuka jendela dan sebaliknya.

Pada masanya, kontroler dibangun dari komponen-komponen logika secara keseluruhan, sehingga menjadikannya besar dan berat. Setelah itu barulah dipergunakan mikrokprosesor sehingga keseluruhan kontroler masuk kedalam PCB yang cukup kecil. Hingga saat ini masih sering kita lihat kontroler yang dikendalikan oleh mikroprosesor biasa (Zilog Z80, Intel 8088, Motorola 6809, dsb).

Proses pengecilan komponen terus berlangsung, semua komponen yang diperlukan guna membangun suatu kontroler dapat dikemas dalam satu keping. Maka lahirlah komputer keping tunggal (one chip microcomputer) atau disebut juga mikrokontroler. Mikrokontrolere adalah suatu IC dengan kepadatan yang sangat tinggi, dimana semua bagian yang diperlukan untuk suatu kontroler sudah dikemas dalam satu keping, biasanya terdiri dari:

1.      CPU (Central Processing Unit)

2.      RAM (Random Access Memory)

3.      EEPROM/EPROM/PROM/ROM

4.      I/O, Serial & Parallel

5.      Timer

6.      Interupt Controller

Rata-rata mikrokontroler memiliki instruksi manipulasi bit, akses ke I/O secara langsung dan mudah, dan proses interupt yang cepat dan efisien. Dengan kata lain mikrokontroler adalah " Solusi satu Chip" yang secara drastis mengurangi jumlah komponen dan biaya disain (harga relatif rendah).

2.      Aplikasi Yang Dapat Dilakukan

Selain sebagai sistem monitor rumah seperti diatas, mikrokontroler sering dijumpai pada peralatan rumah tangga (microwave oven, TV, stereo set dll), komputer dan perlengkapannya, mobil dan lain sebagainya. Pada beberapa penggunaan bisa ditemukan lebih dari satu prosesor didalamnya.

Mikrokontroler biasanya digunakan untuk peralatan yang tidak terlalu membutuhkan kecepatan pemrosesan yang tinggi. Walaupun mungkin ada diantara kita yang membayangkan untuk mengontrol oven microwave dengan menggunakan sistem berbasis Unix, mengendalikan oven microwave dapat dengan mudah menggunakan mikrokontroler yang paling kecil. Dilain pihak jika kita ingin mengendalikan rudal guna mengejar anjing tetangga yang selalu menyalak ditengah malam, kita akan memerlukan prosesor dengan kecepatan yang lebih tinggi.

Sifat spesial dari mikrokontroler adalah kecil dalam ukuran, hemat daya listrik serta flexibilitasnya menyebabkan mikrokontroler sangat cocok untuk dipakai sebagai pencatat/perekam data pada aplikasi yang tidak memerlukan kehadiran operator.

3.      Jenis Yang Dapat Dipilih

Mikrokontroler tersedia dalam beberapa pilihan, tergantung dari keperluan dan kemampuan yang diinginkan. Kita dapat memilih mikrokontroler 4, 8, 16 atau 32 bit. Disamping itu terdapat pula mikrokontroler dengan kemampuan komunikasi serial, penanganan keyboard, pemroses sinyal, pemroses video dll.

4.      Pasar Bagi Mikrokontroler

WorldWide Microcontroller Shipments (in millions of dollars)

	90	91	92	93	94	95	96	97	98	99	00
4 bit	1,393	1,597	1,596	1,698	1,761	1,826	1,849	1,881	1,856	1,816	1,757
8 bit	2,077	2,615	2,862	3,703	4,689	5,634	6,553	7,529	8,423	9,219	9,715
16 bit	192	303	340	484	810	1,170	1,628	2,191	2,969	3,678	4,405

WorldWide Microcontroller Shipments (in Millions)

	90	91	92	93	94	95	96	97	98	99	00
4 bit	778	906	979	1,036	1,063	1110	1110	1096	1,064	1,025	970
8 bit	588	753	843	1,073	1,449	1,803	2,123	2,374	2,556	2,681	2,700
16 bit	22	38	45	59	106	157	227	313	419	501	585

Source: WSTS & ICE - 1994

Jika kita bertanya apa perlunya kita mempelajari mikrokontroler, tabel diatas akan sedikit banyak memberikan gambaran tentang bisnis mikrokontroler yang akan menghasilkan banyak tumpukan rupiah dimeja kita.  Suatu survey di Amerika menyatakan bahwa rata-rata terdapat 35 buah mikrokontroler yang digunakan pada satu rumah di Amerika, dan diperkirakan akan menjadi 240 pada tahun 2000.

5.      Pertimbangan Pemilihan Mikrokontroler

Terdapat beberapa hal yang perlu dipertimbangkan dalam menentukan jenis mana yang akan dipergunakan dalam disain kita yaitu seperti berikut: v Ketersediaan dan harga dari suatu development tools (Programmer, Emulator dan Simulator)

v  Ketersediaan dokumentasi (Ref. Manual, Application notes, dan buku lainnya).

v  Ketersediaan tempat bertanya. v Ketersediaan komponen OTP, Mask, dan Programmable.

6.      Produsen Mikrokontroler

Dibawah ini adalah daftar produsen besar dari mikrokontroler dan unit yang terjual (dalam ribuan).

Company (Units x 1000) Motorola (358,894)

Mitsubishi(71,674)

NEC (70,180)

Hitachi (67,873)

Philips (56,680)

Intel (46,876)

SGS-Thomson (37,350)

Microchip (35,477)

Matsushitta (34,200)

Toshiba (32,205)

National Semiconductor (31,634)

Zilog (31,000)

Texas Instruments (29,725)

Siemens (20,874) Sharp(17,505)

SOURCE: DataQuest June 1994.

7. Hal-Hal Mengenai Mikrokontroler v Tehnik fabrikasi

CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor

Ini adalah tehnik yang biasa dilakukan untuk memproduksi hampir semua mikrokontroler terbaru. Mikrokontroler CMOS memerlukan daya yang lebih rendah dibanding mikrokontroler yang dibuat dengan             tehnik sebelumnya,    sehingga          memungkinkan            untuk dioperasikan menggunakan batere. Chip CMOS juga memungkinkan dioperasikan pada fully atau mendekati fully static, yang berarti bahwa clock dapat diperlambat bahkan diberhentikan sehingga chip berada dalam kondisi (mode) sleep. CMOS juga lebih tahan terhadap noise dibandingkan cara fabrikasi sebelumnya.

v  Arsitektur Von-Neuman Architecure

Mikrokontroler yang di disain berdasarkan arsitektur ini memilik 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 dalah mengambil instruksi untuk dilaksanakan dan kemudian mengambil data pendukung dari instruksi tsb. Cara ini memperlambat operasi mikrokontroler.

Harvard Architecture

Arsitektur ini memilik bus data dan instruksi yang terpisah, sehingga memungkinkan eksekusi dilakukan secara bersamaan. Secara teoritis hal ini memungkinak eksekusi yang lebih cepat tetapi dilain fihak memerlukan disain yang lebih kompleks.

v  Instruksi

CISC

Saat ini hampir semua mikrokontroler adalah mikrokontroler CISC (Complete Instruction Set Computer). Biasanya memiliki lebih dari 80 instruksi. Keunggulan dari CISC ini adalah adanya instruksi yang bekerja seperti sebua makro, sehingga memungkinkan programmer untuk menggunakan sebuah instruksi menggantikan beberapa instruksi sedarhana lainnya.

RISC

Saat ini kecenderungan industri untuk menggunakan disain mikroprosesor RISC ( Reduced Instruction Set Computer). Dengan menggunakan jumlah instruksi yang lebih sedikit, memungkinkan lahan pada chip (silicon realestate) digunakan untuk meningkatkan kemampuan chip. Keuntungan dari RIS adalah kesederhanaan disain, chip yang lebih kecil, jumlah pin sedikit dan sangat sedikit mengkonsumsi daya.

Dibawah ini adalah fature yang biasa dimiliki oleh RISC Processor:

Harvard Architecture, memungkinkan akses yang program dan data yang bersamaan . Instruction Pipelining meningkatkan kecepatan eksekusi.

Orthogonal instruktion set untuk kemudahan dalam programming, memungkinkan tiap instruksi untuk dioperasikan pada register atau digunakan pada beberapa mode pengalamatan, instruksi-instruksi tidak mempunyai kombinasi tertentu dan juga tanpa perkecualian.

8.         Pilihan Memori

EEPROM - Electrically Erasable Programmable Read Only Memory

Beberapa mikrokontroler memiliki EEPROM yang terintegrasi pada chipnya. EEPROM ini dugunakan untuk menyimpan sejumlah kecil parameter yang dapat berubah dari waktu ke waktu. Jenis memori ini bekerja relatif pelan, dan kemampuan untuk dihapus/tulis nya juga terbatas.

FLASH (EPROM)

FLASH meberikan 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 dibanding EEPROM.

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 dibanding memori non-volatile, dan juga tidak terdapat keterbatasan kemampuan hapus/tulis sehingga sangat cocok untuk aplikasi untuk menyimpan dan manipulasi data secara lokal.

Field programming/reprogramming

Dengan menggunakan memori non-volatile untuk menyimpan program akan memungkinkan mikrokontroler tersebut untuk diprogram ditempat, tanpa melepaskan dari sistem yang dikontrolnya. Dengan kata lain mikrokontroler tersebut dapat diprogram setelah dirakit diPCBnya.

OTP - One Time Programmable

Mikrokontroler OTP adalah mikrokontroler yang hanya dapat diprogram satu kali saja dan tidak dapat dihapus atau dimodifikasi. Biasanya digunakan untuk produksi dengan jumlah terbatas. OTP menggunakan EPROM standard tetapi tidak memiliki jendela untuk menghapus programnya.

Software protection

Dengan "encryption" atau proteksi fuse, software yang telah diprogramkan akan terlindungi dari pembajakan, modifikasi atau rekayasa ulang. Kemampuan ini hanya dipunyai oleh komponen OTP atau komponen yang dapat diprogram ulang. Pada komponen jenis Mask ROM tidak diperlukan proteksi, hal ini dikarenakan untuk membajak isi programnya seseorang harus membacanya (visual) dari chip nya dengan menggunakan mikroskop elektron.

Walaupun demikian pabrik mikrokontroler masih dapat membaca isi program guna memastikan bahwa mikrokontroler diprogram dengan tepat, atau biasa disebut

"test mode". TEST MODE MEMUNGKINKAN KITA MEMBACA

KESELURUHAN ISI ROM , tetapi hal ini tidak perlu dibesar-besarkan karena test mode ini bersifat SANGAT-SANGAT- SANGAT DIRAHASIAKAN dan hanya diketahui oleh pabrikan yang memproduksi mikrokontroler tersebut. Test mode hanya dapat dilakukan pada komponen Mask ROM.

9.         Input/Output

UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) adalah adapter serial port adapter untuk komunikasi serial asinkron.

USART (Universal Synchronous/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 click yang lebih tinggi dibanding asinkron.

SPI (serial peripheral interface) merupakan port komunikasi serial sinkron.

SCI (serial communications interface) merupakan enhanced UART (asynchronous

serial port)

 I2C bus (Inter-Integrated Circuit bus) merupakan antarmuka serial 2 kawat yang dikembangkan oleh Philips. Dikembangkan untuk aplikasi 8 bit dan banyak digunakan pada consumer electronics, automotive dan indistri. I2C bus ini berfungsi sebagai antarmuka jaringan multi-master, multi-slave dengan deteksi tabrakan data. Jaringan dapat dipasangkan hingga 128 titik dalam jarak 10 meter. Setiap titik dalam jaringan dapat mengirim dan menerima data. Setiap titik dalam jaringan harus memiliki alamat yang unik.

Analog to Digital Conversion (A/D). Fungsi ADC adalah merubah besaran analog (biasanya tegangan) ke bilangan digital. Mikrokontroler dengan fasilitas ini dapat digunakan untuk aplikasi-aplikasi yang memerlukan informasi analog ( misalnya voltmeter, pengukur suhu dll).

Terdapat beberapa tipe dari ADC sbb:

-   Succesive Approximation A/D converters.

-   Single Slope A/D converters.

-   Delta-Sigma A/Ds converters. -  Flash A/D.

D/A (Digital to Analog) Converters. Kebalikan dar ADC seperti diatas.

Comparator. Mikrokontroler tertentu memiliki ssebuah atau lebih komparator. Komparator ini bekerja seperti IC komparator biasa tetapi sinyal input/outputnya terpasang pada bus mikrokontroler.

10. Interupsi

Interupt merupakan metode yang efisien bagi mikrokontroler untuk memproses periperalnya, mikrokontroler hanya bekerja memproses periperal tsb hanya pada saat terdapat data diperiperal tsb. Pada saat terjadi interupt, mikrokontroler menunda operasi yang sedang dilakukan kemudian mengidentifikasi interupsi yang datang dan menjalankan rutin pelayanan interupsi.

Rata-rata mikrokontroler memiliki setidak-tidaknya sebuah interupsi eksternal, interupsi yang dimiliki bisa dipicu oleh "edge" atau "level". Edge triggered interupt bekerja tidak tergantung pada pada waktu terjadinya interupsi, tetapi interupsi bisa terjadi karena glitch. Sedangkan Level triggered interupt harus tetap pada logika high atau low sepanjang waktu tertentu agar dapat terjadi interupsi, interupsi ini tahan terhadap glitch.

Maskable Interrupts

Dengan maskable interupt kita dapat bebas memilih untuk menggunakan satu atau lebih interupsi. Keuntungan maskable interupt inin adalah kita dapat mematikan interupsi pada saat mikrokontroler sedang melakukan proses yang kritis sehingga interupsi yang datang akan diabaikan.

Vectored Interrupts

Pada saat terjadi interupsi, interupt handler secara otomatis akan memindahkan program pada alamat tertentu yang telah ditentukan sesuai dengan jenis interupsi yang terjadi.

11. Mikrokontroler Populer

Dibawah ini dijelaskan beberapa mikrokontroler yang cukup populer. Untuk menggunakan salah satu mikrokontroler ini pilihan yang paling tepat adalah mikrokontroler yang memiliki dokumentasi yang baik serta development tools dengan harga yang terjangkau. Untuk pemula atau hobyst, Intel 8051, Motorola 68hc11 atau Microchip PIC adalah pilihan yang cukup baik.

v  8051 ( Intel dan lainnya )

Arsitektur Harvard modified dengan alamat terpisah untuk memori program dan data. Memori untuk program bisa dialamati hingga 64 K. Memori bawah (4 K, 8K atau 16K tergantung tipe) bisa terletak di chipnya. Mikrokontroler ini memiliki 128 byte memori internal ditambah beberapa register (SFR), juga bisa mengalamati hingga 64K memori eksternal untuk data.

Cukup banyak software baik software komersil maupin gratis untuk mikrokontroler 8051 ini. Mikrokontroler ini memiliki banyak varian sehingga mampu memenuhi keperluan yang bebeda. Diproduksi tidak hanya oleh Intel tetapi beberapa pabrikan lainnya juga ikut memproduksi jenis mikrokontroler ini.

v  6805 ( Motorola )

Memiliki arsitektur Von Neuman dimana instruksi, data, I/O, dan timer terdapat pada satu daerah memori. Stack pointer yang dimiliki adalah 5 bit sehingga kedalaman stack terbatas hingga 32 byte. Beberapa mikrokontroler dari keluarga ini memiliki ADC, PLL, Frq. Synthesizer, serial I/O dan software security. v PIC (MicroChip)

Mikrokontroler PIC merupakan mikrokontroler RISC yang pertama. Pada umumnya RISC mengakibatkan kesederhanaan rancangan dan memungkinkan untuk menambah kemampuanya dengan biaya yang rendah. Walaupun hanya memiliki sedikit instruksi (33 instruksi untuk 16C5x), keluarga PIC memiliki banyak keunggulan yang sudah merupakan bagian dari chip. Dengan bus instruksi dan bus data yang terpisah (arsitektur Harvard), PIC memungkinkan akses data dan program secara bersamaan sehingga menaikan kinerja pemrosesannya. Keuntungan dari kesederhanaan rancangan ini adalah chip yang sangat kecil, sedikit pin dan pemakaian daya yang sangat kecil. Popularitas mikrokontroler PIC ini meningkat sangat cepat. Dengan harga yang murah, ukuran kecil dan hemat pemakaian daya, pada saat ini mikrokontroler ini digunakan juga pada pemakaian lain seperti sebagai rangkaian logika. Terdapat tiga keluarga PIC pada saat ini yaitu PIC16C5x, PIC16Cxx dan PIC17Cxx.

v  Z8 (Zilog)

Z8 merupakan turunan dari Zilog Z80. Memiliki arsitektur unik merupakan arsitektur gabungan dengan tiga daerah memori yaitu: program memori, data memori dan CPU register file. Mikrokontroler ini memiliki UART, timer, DMA, I/O hingga 40 buah pada chipnya. Versi lainnya memiliki sync/async serial channel.

Keseluruhan mikrokontroler ini memiliki Stack RAM yang dapat dikonfigurasikan dan sistem interupsi, dua timer programmable dengan interupt, proteksi ROM, dua analog komparator

12.  Software

Software untuk menggunakan mikrokontroler dapat didapatkan secara gratis dengan mencari di WWW, tetapi software gratis biasanya tidak dilengkapi dengan dokumentasinya. Software ini diantaranya adalah software untuk simulasi dan software untuk pemrograman. Jika ingin lebih serius mendalami mikrokontroler mungkin lebih baik untuk membeli software lengkap dengan dokumentasinya. Jika PIC merupakan mikrokontroler yang dipilih, kita dapat mendownload software yang diperlukan secara gratis di web microchip yaitu MPSIM (simulator), MPASM ( assembler ).

13.  Bahasa Pemrograman Bagi Mikrokontroler

BAHASA MESIN DAN ASSEMBLER

Bahasa mesin adalah satu-satunya bahasa yang dimengerti oleh mikrokontroler. Bahasa ini tidak mudah untuk dimengerti oleh manusia. Sedangkan bahasa assembly adalah suatu bentuk bahasa mesin yang bisa dimengerti oleh manusia. Setiap pernyataan dari bahasa assembly menggambarkan satu pernyataan bahasa mesin. Sebagai contoh instruksi JMP (asal kata JUMP) akan lebih mudah dimengerti dibandingkan instruksi B3H.

Pemrograman dengan menggunakan bahasa assembly/mesin menghasilkan program yang kecil dan cepat. Hal ini dikarenakan kita sepenuhnya mengontrol kerja dari program, tetapi tentu saja jika kita membuat program yang bertele-tele dan berbelit akan menyebabkan program berjalan lambat.

Untuk orang yang pertama kali mempelajari mikrokontroler, akan lebih baik jika mempelajari assembler terlebih dahulu sebelum mempelajari bahasa pemrograman lainnya (mis: C). Dengan membuat program dengan assembler akan membimbing kita memahami arsitektur dari mikrokontroler tsb.

KOMPILER

Compiler adalah penerjemah untuk bahasa pemrograman tingkat tinggi. Bekerja dengan cara menterjemahkan (mis pada PC) langsung ke bahasa mesin yang dimengerti oleh mikrokontroler.

Salah satu compiler yang banyak dipergunakan saat ini adalah "C". "C" digunakan pada mikrokontroler kecil hingga supercomputer. Walaupun program dengan C sedikit sulit untuk dipahami (diakibatkan oleh gaya penulisan program yang berbeda untuk tiap programer), C merupakan alat yang sangat flexible dan sangat membantu pengembangan program. Bahasa ini adalah bahasa tingkat tinggi tetapi masih memungkinkan kita akses langsung ke mesin. Saat ini terdapat beberapa compiler C yang cukup murah dan bagus untuk pemrograman mikrokntroler terkenal. Kode ( bahasa mesin) yang dihasilkan oleh compiler ini cukup efisien (cepat dan kompak ).

14. Alat Bantu Pengembangan

Memiliki software pemrograman belum mencukupi untuk mengembangkan program bagi suatu mikrokontroler. Diperlukan pula software untuk mencari kesalahan dalam pemrograman sbb:

SIMULATOR

Fungsi simulator adalah mensimulasikan atau menirukan kerja mikrokontroler pada PC. Langkah-langkah yang dikerjakan serta apa yang terjadi ketika program dijalankan dapat diamati dilayar PC. Disamping itu juga isi dari register atau variabel dapat diisi atau diubah ketika program djalankan. Simulator tidak dapat mensimulasi kehadiran interupsi secara baik, dan biasanya program yang dijalankan jauh lebih lambat dibandingkan pada keadaan sebenarnya.

DEBUGER RESIDEN

Debuger residen menjalankan program di mikrokontroler itu sendiri, dan pada saat bersamaan menampilkan hasilnya pada komputer induknya (PC). Alat bantu ini memiliki beberapa keunggulan seperti pada simulator dengan kelebihan lain yaitu kita dapat melihat bagaimana program tersebut bekerja pada target yang sebenarnya. Namun disisi lain, alat bantu ini memakai sebagian sumber daya yang dimiliki oleh mikrokontroler seperti port komunikasi (untuk komunikasi dgn PC), interupsi untuk untuk menjalankan program perlangkah (single step) dan sejumlah memori untuk menyimpan program dari debugger (bagian residen yang ditempatkan di target).

EMULATOR

Emulator adalah peralatan yang bekerja dengan berpura-pura sebagai mikrokontroler dan pada saat bersamaan dia mengambil informasi untuk ditampilkan. Emulator memberikan kontrol penuh pada target. Emulator ini bisa berupa perangkat dengan display tersendiri atau merupakan pengantar muka PC.

Jika cukup banyak dana yang dimiliki, emulator ini adalah alat yang benar-benar diperlukan dalam mengembangkan suatu sistem.