Mikroprosesor adalah suatu rangkaian digital yang terpadu yang memiliki dimensi ukuran sangat kecil. Mikroprosesor merupakan komponen sentral pada system mikrokomputer. Sistem mikroprosesor terbagi menjadi dua bagian perangkat, perangkat keras dan perangkat lunak. Secara mudahnya dapat dikatakan bahwa 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.
Gambar 1. Sistem mikroprosesor secara umum
Gambar 1. memperlihatkan blok diagram hubungan antara sistem mikroprosesor dengan lingkungan luar. Dalam sistem mikroprosesor terdiri atas unit pengolah pusat (CPU), unit media penyimpan (memori) dan unit masukan dan keluaran. Unit masukan dan keluaran sebagai perantara antara sistem mikroprosesor dengan lingkungan luar sistemnya. Apabila sistem mikroprosesor tanpa unit masukan dan keluaran maka tidak ada masukan ataupun keluaran dari dan ke sistem, maka sistem hanya bekerja tanpa ada keluaran yang dapat diperoleh oleh lingkungan luarnya.
Perkembangan kemajuan teknik pembuatan IC mendukung perkembangan mikroprosesor. Kemajuan teknik pembuatan IC tersebut membuat kemasan IC menjadi lebih kecil dengan kemampuan yang lebih besar serta pemakaian daya yang relatif lebih kecil dibandingkan IC sebelumnya. Untuk aplikasi pengontrolan yang sederhana system mikroprosesor dikemas dalam satu keping tunggal yang lazim disebut mikrokontroler.
Sistem minimum adalah penerapan mikroprosesor pada suatu rangkaian digital, dengan komponen minimal sehingga sistem mikroprosesor dapat bekerja. Sistem minimum Intel 8031 merupakan rangkaian digital dengan konfigurasi minimal (menggunakan komponen paling sedikit), yang dapat membuat IC mikrokontroler Intel 8031 dapat digunakan sebagai sistem mikroprosesor.
Dalam sistem minimum diperlukan perangkat-perangkat seperti : mikroprosesor, unit memori, unit masukan dan keluaran, dan rangkaian pendukung lain. Diagram blok rangkaian sistem minimum mikroprosesor diperlihatkan pada gambar berikut.
Gambar 2. Konfigurasi sistem mikroprosesor
2. 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.
