Sistim Pengendalian

Bab II. Pengantar Kendali Berbasis Mikroprosesor

Tujuan

Setelah mempelajari Bab ini, mahasiswa diharapkan mampu untuk:

• Menjelaskan apa itu mikoprosesor, apa yang dilakukannya, dan bagaimana cara kerjanya.

• Menjelaskan konsep-konsep mengenai RAM dan ROM pada memori komputer dan bagaimana komputer diakses melalui address dan data bus.

• Menjelaskan bagaimana antar-muka serial dan paralel bekerja

• Melakukan perhitungan yang terkait dengan fungsi-fungsi konversi analog-ke-digital dan digital-ke-analog.

• Menjelaskan prinsip-prinsip kendali dengan perangkat lunak.

• Menjelaskan karakteristik dari berbagai jenis pengendali digital yang ada, dalam hal ini, mikrokontroler, komputer papan-tunggal, programmable logic controller, dan personal computer.

Pengantar

Rangkaian digital terintegrasi (IC) yang disebut mikroprosesor (Gambar 2.1(a), telah membawa perkembangan baru pada era sistim kendali elektronik. Revolusi besar terjadi disebabkan karena mikroprosesor menyediakan fleksibilitas program kendali dan kemampuan komputasi yang dimiliki oleh komputer untuk memecahkan berbagai masalah. Aplikasi kendali otomatis dapat dikatakan cocok untuk menggunakan keunggulan teknologi ini, sehingga pengendali berbasis mikrokontroler dengan cepat menggantikan sistim-sistim kendali lama yang menggunakan rangkaian-rangkaian elektronika analog atau yang menggunakan relay-relay elektromekanik. Salah satu pengendali berbasis mikrokontroler yang dibuat khusus untuk aplikasi-aplikasi kendali ialah programmable logic controller (PLC). Mikroprosesor sendiri bukanlah komputer; karena untuk menjadi satu unit komputer masih diperlukan peranti-peranti tambahan seperti memori dan rangkaian input/output agar sistim dapat beroperasi. Mikrokontroler (Gambar 2.1(b), memiliki seluruh fungsi-fungsi yang harus dimiliki oleh suatu komputer dalam suatu unit IC tunggal. Mikrokontroler tidak memiliki kemampuan dan kecepatan proses seperti yang dimiliki oleh mikroprosesor-mkroprosesor baru yang ada sekarang ini, namun keringkasannya merupakan hal yang ideal untuk kebanyakan aplikasi-aplikasi pengendalian; kebanyakan sistim-sistim ini disebut sebagai peranti yang dikendalikan dengan mikroprosesor (mesin penjual makanan-minuman otomatis), sebenarnya menggunakan mikrokontroler. Alasan khusus dibalik penggunaan suatu sistim digital, rancangan mikroprosesor dalam sistim control adalah hal-hal sebagai berikut:

• Tingkat kekuatan sinyal yang kecil dari sensor-sensor, setelah dikonversi ke bentuk digital, dapat dikirim ke lokasi-lokasi yang jauh tanpa kesalahan penerimaan.

• Mikroprosesor dapat dengan mudah dapat menlakukan perhitungan-perhitungan dan juga menjalankan strategi kendali yang rumit.

• Memori jangka panjang tersedia untuk mengamati parameter-parameter pada sistim-sistim yang berubah dengan lambat.

• Perubahan aturan atau strategi kendali dapat dilakukan dengan mudah melalui pemuatan program baru; tidak diperlukan perubahan pada perangkat keras.

• Pengendali-pengendali berbasis mikroprosesor dapat dihubungkan dengan mudah ke jaringan komputer suatu industri. Hal ini memberikan kesempatan kepada para perancang untuk melakukan perubahan-perubahan program dan memantau status terbaru dari sistim melalui terminal kendali pada meja kerja mereka.

Gambar 2.1. Mikroprosesor dan Mikrokontroler

2.1. PENGANTAR SISTIM PERANGKAT KERAS MIKROKONTROLER

Suatu unit computer dibangun dari 4 unit fungsional dasar yakni, central processing unit (CPU), memori, input dan ouput (I/O). CPU melakukan proses komputasi yang sebenarnya dan terdiri dari dua sub-bagian: unit logika arimtmetika (ALU) yang berfungsi untuk melakukan proses perhitungan angka dan logika seperti penjumlahan, pengurangan, logika AND, logika OR dan lain-lain. Bagian kendali pada CPU mengelola aliran data, seperti membaca dan melaksanakan instruksi-instruksi program. Jika data diterima memerlukan perhitungan, maka bagian kendali akan memberikannya ke unit ALU untuk diproses. Pada sistim computer berbasis mikroprosesor, mikroprosesornya merupakan CPU.

Gambar 2.2. Blok Diagram Sistim Komputer Berbasis Mikroprosesor

Data digital berbentuk bit, dimana tiap bit memiliki satu nilai 1 atau 0. Rangkaian digital biasanya menggunakan tegangan 5 V DC untuk menyatakan logika 1 dan 0 V DC untuk menyatakan logika 0. Gabungan 8 bit data sama dengan 1 byte. Suatu mikroprosesor menangani data-data digital dalam satuan word, dimana lebar word dalam satuan 8, 16 atau 32 bit. Sebagai contoh, suatu mikroprosesor 8-bit memiliki word dalam ukuran byte dengan nilai maksimum desimal sebesar 255. (computer manyatakan bilangan dalam bentuk digital; sebagai contoh, 11111111 binary = 255 decimal). Bit paling kanan dalam bilangan binary memiliki nilai dengan bobot terendah (biasanya 1) dan disebut bit kurang berarti (least significant bit = LSB). Bit paling kiri mewakili nilai dengan bobot tertinggi dan disebut bit paling berarti (most significant bit = MSB). Konversi antara bilangan binary dan decimal dapat dilakukan secara langsung dengan menggunakan calculator sains atau secara manual seperti yang ditunjukkan dalam Contoh 2.1.

CONTOH 2.1

Carilah nilai decimal dari bilangan binary 8 bit 10110011

PENYELESAIAN

Tiap bit pada bilangan binary memiliki nilai yang berbeda atau bobot yang berbeda. LSB memiliki bobot 1. Bit ke arah kiri dari LS memiliki bobot 2, bit ketiga memiliki bobot 4, dan seterusnya, dengan penggandaan bobot dari tiap-tiap bit hingga 128 untuk MSB. Untuk mencari nilai decimal dari suatu bilangan 8-bit, harus digunakan perhitungan seperti yang ditunjukkan dibawah ini dan selanjutnya menjumlahkan nilai-nilai yang berhubungan dengan angka-angka 1 dalam bilangan binary.

Bagian memori pada computer merupakan suatu tempat dimana data digital dalam bentuk binary ( 1 dan 0) disimpan. Memori terdiri dari sel-sel yang diatur dalam kelompok-kelompok 8-bit. Masing-masing byte diberikan suatu alamat (address) numeric (angka) yang khusus, untuk penentuan lokasinya. Hal ini mirip dengan alamat jalan yang menentukan lokasi rumah. Data ditulis ke dalam memori dan dibaca (diambil) kembali, berdasarkan petunjuk alamatnya. Pada rangkaian memori yang biasanya digunakan, alamat dapat dimulai dari 1000 dan beranjak membesar hingga 2000. Gambar 2.3. menunjukkan pembagian segemen memori. Perhatikan bahwa byte pertama dari data memiliki nilai decimal 2 (00000010 = 2 decimal) dan memiliki alamat sebesar 1000.

Komputer biasanya memiliki dua jenis memori yang dapat diakses. Yang pertama adalah random access memory (RAM), yang membolehkan computer untuk membaca dan menulis data kepada sembarang alamat (juga disebut memori baca/tulis atau RWM). Data-data pada memori jenis ini akan terhapus apabila computer dimatikan, sehingga memori jenis ini disebut memori volatile (pengecualiannya adalah rancangan untuk mempertahankan RAM agar tetap ‘hidup’ dengan menggunakan baterai kecil). Memori jenis kedua adalah read-only memory (ROM), yang mirip dengan RAM kecuali bahwa data tidak dapat ditulis ke dalam memori. Seluruh data pada ROM diisi di tempat pembuatan dan tidak dapat diubah oleh computer. Memori jenis ini tidak akan mengalami kehilangan data yang disimpannya walaupun computer dimatikan, memori jenis ini disebut memori non-volatile. Kebanyakan sistim-sistim mikroprosesor memiliki kedua jenis memori yang dijelaskan diatas (RAM dan ROM). RAM digunakan sebagai menyimpan program dan sebagai tempat menulis temporer bagi CPU. ROM digunakan untuk menyimpan program-program dan data yang harus selalu tersedia. Dalam kenyataannya, kebanyakan computer menggunakan EEPROM (erasable programmable read-only memory) atau EEPROM (electrically erasable programmable ROM) daripada ROM untuk tempat penyimpanan memori jangka panjang. EPROM dapat dihapus isinya dengan menggunakan sinar UV yang kuat dan deprogram ulang, EEPROM dapat dihapus secara listrik. Disk drive juga menyimpan data digital tetapi dalam bentuk yang harus diproses sebelum dapat diakses oleh mikroprosesor.

Bagian input/output (I/O) pada komputer membolehkannya untuk melaksanakan antar-muka dengan dunia luar. Bagian input merupakan sarana masukan bagi program-program baru dan data-data masuk ke komputer. Bagian output membolehkan komputer menyampaikan hasil kerjanya. Antar-muka I/O disebut port. Suatu port input adalah suatu rangkaian yang mnghubungkan peralatan input ke computer; contoh peralatan input misalnya keyboard, sensor dan kontak listrik. Suatu port keluaran adalah suatu rangkaian yang menghubungkan komputer ke peralatan-peralatan luar, contohnya lampu-lampu indikator, aktuator, dan monitor.

Mengacu ke Gambar 2.2, diperlihatkan bahwa blok-blok dihubungkan oleh tiga garis yang diberi nama address bus, data bus, dan control bus. Address bus merupakan sekumpulan kabel-kabel yang membawa suatu alamat (address) dalam bentuk binary dari CPU ke memori dan rangkaian-rangkaian I/O.

Gambar 2.3. Suatu Bagian Alamat Memori

Keseluruhan port I/O diberikan suatu alamat (address) dan diperlakukan seperti halnya sebagai lokasi-lokasi memori oleh CPU. CPU menghasilkan data ke luar CPU dengan mengirimkannya ke suatu alamat (address) port. Port yang alamatnya dikirimi data akan membuka dan membolehkan data untuk melewati data bus dan menuju kepada peralatan yang terhubung ke port yang dikirimi data tersebut. Terdapat dua metode pemberian alamat I/O. Beberapa jenis mikroprosesor menggunakan cara yang disebut memory-mapped input/output, dimana suatu alamat I/O yang dianggap sebagai suatu alamat memori. Sedangkan mikroprosesor jenis lain menggunakan cara dimana alamat-alamat I/O dianggap terpisah dari alamat-alamat memori.

Data bus(bus data) merupakan suatu saluran kumpulan 8 kabel yang membawa nilai numerik aktual dari suatu tempat ke tempat lain dalam suatu sistim komputer. Gambar 2.2 menunjukkan bagaimana data bus menghubungkan seluruh blok-blok yang ada. Sebagai contoh, data input dimasukan melalui port input dan mengalir melalui data bus ke CPU. Jika CPU perlu untuk menyimpan data ini, maka CPU akan mengirimkannya kembali melalui data bus untuk disimpan di memori. Data yang akan dikirim keluar (oleh CPU) dikirim melalui data bus ke port output. Jika data bus terhubung ke seluruh blok, bagaimana dapat diketahui blok mana yang harus dituju? Jawabanya adalah dengan menggunakan sistim alamat (address). Sebagai contoh, jika CPU mengirim data ke memori, maka hal ini dilakukan dengan dua cara. Pertama, CPU menentukan alamat memori yang dituju pada address bus, kedua, data diletakkan pada data bus. Jika bagian memori yang akan dituju mendeteksi addressnya, maka memori mengambil data yang dikirim tersebut dari data bus. Blok-blok memori lain yang juga terhubung ke data bus tidak melakukan apa-apa karena alamat mereka tidak merupakan tempat tujuan pengiriman data. Analogi sistim ini dapat dilihat pada sistim telepon, dimana suatu nomor telepon sama

dengan suatu alamat memori (memory address). Walaupun ada ribuan telepon yang terhubung ke jaringan telepon namun bila dilakukan pemanggilan suatu nomor telepon tertentu, maka hanya telepon dengan nomor tersebut yang akan berbunyi. Keunggulan sistim ini adalah bahwa sistim dapat diperluas, dalam hal ini, memori atau unit-unit I/O yang dapat dialamati dapat ditambahkan ke sistim dengan cara menghubungkannya ke sistim bus (data dan memori).