Mengenal Arsitektur Mikrokontroler

1. Komponen-Komponen Mikrokontroler

Mikrokontroler adalah unit sistem tertanam yang terdiri dari berbagai komponen yang bekerja bersama untuk mengontrol dan mengelola perangkat atau sistem. Komponen-komponen utama dalam arsitektur mikrokontroler adalah:

Central Processing Unit (CPU)
CPU adalah komponen yang menjalankan instruksi program dan mengelola operasi dasar mikrokontroler. CPU pada mikrokontroler bertanggung jawab untuk:

• Mengambil instruksi dari memori program.
• Mengeksekusi instruksi tersebut, termasuk perhitungan aritmatika dan logika, serta pengendalian data.
• Mengelola aliran data antara register, memori, dan port I/O.

Proses eksekusi instruksi dimulai dengan membaca instruksi dari memori, mendekode instruksi untuk menentukan tindakan yang harus dilakukan, kemudian menjalankan aksi tersebut (seperti perhitungan atau pengaturan I/O). CPU adalah “otak” yang memutuskan bagaimana perangkat harus beroperasi berdasarkan instruksi yang diberikan.

Contoh Nyata:

• Pengendali Sistem Kendaraan Otonom (Autonomous Vehicle): Pada sistem kendaraan otonom, CPU mikrokontroler bertanggung jawab untuk memproses data dari sensor (seperti LIDAR, kamera, dan GPS) dan menentukan arah pergerakan kendaraan secara real-time.
• Mesin CNC (Computer Numerical Control): Mikrokontroler yang memiliki CPU digunakan untuk mengendalikan pergerakan mesin CNC berdasarkan instruksi G-code, memproses perintah pemotongan dan penggilingan dengan presisi.

Register
Register adalah lokasi penyimpanan data yang sangat cepat dan terdapat di dalam CPU. Biasanya digunakan untuk menyimpan data sementara saat mikrokontroler mengeksekusi program. Beberapa jenis register yang penting adalah:

• Accumulator (ACC): Register yang digunakan untuk menyimpan hasil perhitungan sementara.
• Program Counter (PC): Register yang menyimpan alamat instruksi yang akan dieksekusi selanjutnya.
• Status Register: Register yang menyimpan informasi status operasi, seperti flag hasil perhitungan (misalnya Zero flag atau Carry flag).

Register memungkinkan CPU untuk beroperasi lebih efisien, karena mereka menyediakan ruang untuk menyimpan data yang sering digunakan dan memungkinkan eksekusi instruksi yang lebih cepat.

Contoh Nyata:

• Sistem Kontrol Proses Industri: Di pabrik kimia, register digunakan untuk menyimpan status proses dalam pengendalian suhu atau tekanan, yang akan digunakan untuk menghitung data kontrol dalam sistem.
• Robot Arm dalam Otomasi: Pada robot industri, register menyimpan posisi terkini dari robot lengan yang digunakan untuk pergerakan presisi dalam proses perakitan atau pemrograman.

1. I/O Ports (Input/Output Ports)
   Port I/O memungkinkan mikrokontroler untuk berkomunikasi dengan dunia luar. Port ini terbagi menjadi dua kategori:

• Input ports: Digunakan untuk menerima data dari perangkat eksternal (misalnya sensor suhu, tombol, atau sinyal lain).
• Output ports: Digunakan untuk mengirimkan data atau sinyal ke perangkat eksternal (misalnya menghidupkan lampu LED, mengendalikan motor).

I/O ports berfungsi sebagai antarmuka antara mikrokontroler dan dunia luar, memungkinkan mikrokontroler untuk menerima perintah atau data, serta memberikan respon berdasarkan logika pemrograman.

Contoh Nyata:

• Sistem Pengontrol Mesin Otomatis: Dalam aplikasi seperti pengendalian motor AC, mikrokontroler menerima data dari sensor suhu (input port) dan mengirimkan sinyal kontrol ke motor atau relay (output port) untuk menjaga suhu mesin tetap dalam batas aman.
• Sistem Monitoring Lingkungan: Mikrokontroler dapat menghubungkan sensor kelembapan dan suhu (input ports) dengan sistem kendali HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) untuk menyesuaikan suhu dan kelembapan di dalam ruang penyimpanan atau pabrik.

Timer/Counter
Timer dan counter digunakan untuk mengukur waktu atau menghitung kejadian dalam interval waktu tertentu. Fungsi timer sangat penting dalam aplikasi mikrokontroler, seperti dalam pembuatan delay, pengendalian frekuensi sinyal, atau pengaturan waktu dalam sistem kontrol otomatis.

• Timer: Menghasilkan sinyal dalam interval waktu tertentu (misalnya delay tertentu).
• Counter: Menghitung kejadian atau sinyal eksternal (misalnya menghitung jumlah pulsasi dari sensor).

Timer sering kali digunakan dalam sistem yang membutuhkan pengendalian waktu yang presisi, seperti aplikasi pemrosesan sinyal dan pengukuran.

Contoh Nyata:

• Sistem Penjadwalan Waktu dalam Peralatan Industri: Mikrokontroler yang menggunakan timer dapat mengatur siklus waktu untuk mesin otomatis, seperti mesin cetak atau mesin pengemasan, untuk mengatur interval waktu pergerakan atau proses tertentu.
• Penghitung Produksi pada Jalur Perakitan: Mikrokontroler menggunakan timer atau counter untuk menghitung jumlah unit yang telah diproduksi dalam waktu tertentu atau untuk menentukan interval waktu untuk pemeriksaan kualitas.

2. Struktur Memori Mikrokontroler

Mikrokontroler dilengkapi dengan beberapa jenis memori yang menyimpan data dan program. Jenis memori ini memiliki karakteristik yang berbeda sesuai dengan fungsinya.

RAM (Random Access Memory)
RAM adalah memori yang digunakan untuk menyimpan data yang berubah-ubah selama operasi program, seperti variabel, hasil perhitungan sementara, dan input/output yang sedang diproses.

• Volatil: Data yang disimpan dalam RAM akan hilang saat mikrokontroler dimatikan.
• Akses Cepat: RAM dapat diakses secara langsung oleh CPU untuk membaca atau menulis data.

Kecepatan akses RAM membuatnya menjadi tempat yang sangat penting untuk menyimpan data yang digunakan secara dinamis dalam aplikasi.

Contoh Nyata:

• Pengolahan Data Sensor pada Perangkat Medis: Mikrokontroler dalam perangkat medis seperti alat ukur glukosa darah menggunakan RAM untuk menyimpan hasil pengukuran sementara sebelum ditampilkan pada layar.
• Sistem Otomasi Gedung: Dalam sistem automasi gedung (building automation systems), RAM digunakan untuk menyimpan pengaturan suhu, kelembapan, dan status peralatan yang dapat berubah secara dinamis sesuai dengan waktu dan kondisi.

ROM (Read-Only Memory)
ROM digunakan untuk menyimpan program tetap atau kode yang tidak bisa diubah setelah diprogramkan (atau hanya bisa diubah dengan cara khusus). ROM menyimpan instruksi dasar yang dijalankan oleh mikrokontroler saat pertama kali dinyalakan.

• Non-volatil: Data yang disimpan dalam ROM tetap ada bahkan saat mikrokontroler dimatikan.
• Baca Saja: Data dalam ROM tidak dapat diubah selama operasi normal (kecuali dalam beberapa jenis ROM yang bisa diprogram ulang seperti EEPROM atau Flash ROM).

ROM sering digunakan untuk menyimpan kode firmware atau bootloader yang diperlukan untuk memulai sistem mikrokontroler.

Contoh Nyata:

• Firmware pada Mikrokontroler untuk Alat Pengukur Listrik: Pada alat pengukur energi (energy meter), ROM digunakan untuk menyimpan program penghitungan daya yang tidak berubah, sehingga dapat beroperasi dengan stabil dan akurat.
• Sistem Kendali Otomatis pada Alat Berat: Pada alat berat seperti eskavator atau loader, ROM menyimpan kode kontrol dan pengaturan pabrik yang menentukan cara peralatan beroperasi.

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)
EEPROM adalah jenis memori yang memungkinkan data untuk diprogram dan dihapus secara elektrik tanpa harus menghilangkan daya dari mikrokontroler.

• Non-volatil: Data tetap ada meskipun mikrokontroler dimatikan.
• Tulis-ulang: EEPROM dapat diprogram dan dihapus secara elektrik.

EEPROM digunakan untuk menyimpan data yang perlu dipertahankan meskipun daya dimatikan, seperti pengaturan konfigurasi, parameter kalibrasi, atau data yang dikumpulkan selama operasi.

Contoh Nyata:

• Penyimpanan Data Pengaturan Pengguna pada Sistem Kontrol: Mikrokontroler dengan EEPROM digunakan untuk menyimpan pengaturan konfigurasi pada sistem kontrol HVAC atau sistem kontrol suhu dalam freezer, yang tetap ada meskipun perangkat dimatikan.
• Sistem Monitoring Pembayaran pada Mesin Vending: EEPROM digunakan untuk menyimpan riwayat transaksi atau pengaturan harga pada mesin vending otomatis.

3. Interrupt dan Sistem Pengendalian Eksekusi Program

Apa itu Interrupt?
Interrupt adalah mekanisme yang memungkinkan mikrokontroler untuk merespons kejadian eksternal atau internal dengan segera tanpa harus menunggu eksekusi program utama selesai. Ketika interrupt terjadi, eksekusi program akan berhenti sementara dan mikrokontroler akan mengeksekusi sebuah program khusus yang disebut Interrupt Service Routine (ISR) untuk menangani kejadian tersebut.

Interrupt memberikan keuntungan besar dalam aplikasi yang membutuhkan respons cepat terhadap kondisi tertentu, misalnya deteksi tombol yang ditekan atau pembacaan sensor yang memerlukan penanganan segera.

Jenis-Jenis Interrupt

1. External Interrupt:
   • Terjadi karena perubahan status dari perangkat eksternal, seperti sinyal dari sensor atau tombol.
   • Misalnya, tombol yang ditekan atau pembacaan sinyal dari sensor alarm.
2. Timer Interrupt:
   • Terjadi setelah waktu tertentu yang dihitung oleh timer internal mikrokontroler.
   • Digunakan untuk menjalankan fungsi pada interval waktu tertentu, seperti mengukur waktu, menghasilkan sinyal PWM, atau mengatur periodik pengukuran data.
3. Internal Interrupt:
   • Terjadi akibat kondisi internal mikrokontroler seperti kesalahan perangkat atau kondisi status tertentu yang memerlukan perhatian khusus.

Mekanisme Interrupt

• Maskable Interrupt (IRQ): Interrupt yang dapat diabaikan atau ditunda tergantung pada status mask atau prioritas.
• Non-Maskable Interrupt (NMI): Interrupt yang tidak dapat diabaikan dan selalu diproses segera, biasanya digunakan untuk kondisi darurat (misalnya, kegagalan sistem).

Setelah ISR selesai, mikrokontroler akan kembali ke eksekusi program utama dari titik terakhir yang terhenti, proses ini disebut context switch.

Contoh Nyata:

• Sistem Keamanan Kendaraan: Mikrokontroler dalam sistem alarm kendaraan menggunakan interrupt untuk mendeteksi sinyal peringatan atau deteksi getaran (misalnya saat ada yang mencoba membuka pintu atau jendela). Begitu terjadi interrupt, sistem langsung memberi peringatan melalui suara alarm.
• Sistem Anti-lock Braking System (ABS): Pada sistem ABS mobil, mikrokontroler menggunakan interrupt untuk menangani sinyal sensor kecepatan roda, sehingga dapat segera menyesuaikan tekanan rem secara real-time agar roda tidak terkunci.

• Sistem Peringatan Kebakaran: Pada sistem deteksi kebakaran, sensor suhu atau asap memicu interrupt. ISR akan menanggapi kejadian ini dengan segera mengaktifkan alarm dan mengirimkan sinyal ke sistem pemadam kebakaran otomatis.
• Sistem Kontrol Motor pada Robot Otomatis: Dalam robot otomatis, ISR menangani interrupt yang datang dari sensor pergerakan untuk memutuskan jalur pergerakan atau menghentikan motor jika ada hambatan atau kesalahan posisi.

4. Contoh Mikrokontroler

Berikut adalah contoh mikrokontroler yang umum digunakan dalam aplikasi industri dan teknologi embedded:

PIC (Peripheral Interface Controller)
Mikrokontroler PIC, yang diproduksi oleh Microchip, memiliki berbagai varian dengan fitur berbeda. Beberapa karakteristik PIC adalah:

• Arsitektur CISC (Complex Instruction Set Computing): Memiliki set instruksi yang lebih kompleks untuk menjalankan operasi yang lebih bervariasi.
• Kemampuan Analog: PIC sering dilengkapi dengan ADC (Analog to Digital Converter) dan DAC (Digital to Analog Converter) yang sangat berguna untuk aplikasi sensor.
• Pemrograman Mudah: Banyak digunakan dalam aplikasi industri dan pengembangan hobi (seperti di aplikasi kontrol motor dan sensor).

Contoh Mikrokontroler PIC:

• PIC16F877A: Mikrokontroler PIC yang sangat populer dengan 40 pin dan berbagai fitur I/O, timer, dan kemampuan komunikasi serial seperti SPI dan UART. Biasanya digunakan dalam aplikasi otomasi industri, pengendalian motor, serta pengukuran dan pemrosesan sensor.
  • Aplikasi Nyata: Sistem pengontrol suhu dan kelembapan di rumah kaca, pengendalian robot sederhana, pengatur aliran cairan otomatis.
• PIC18F45K50: Mikrokontroler dengan fitur USB yang memungkinkan komunikasi perangkat USB. Dikenal karena kemampuannya dalam aplikasi embedded yang memerlukan komunikasi data.
  • Aplikasi Nyata: Pengontrol perangkat USB pada mesin percetakan atau pemindai barcode.

AVR (Advanced Virtual RISC)
Mikrokontroler AVR, dikembangkan oleh Atmel (sekarang bagian dari Microchip), memiliki arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computing) yang sederhana dan efisien. Beberapa fitur utama AVR adalah:

• Arsitektur RISC: Set instruksi sederhana yang memungkinkan eksekusi cepat.
• Ketersediaan Platform Pengembangan: AVR banyak digunakan di platform Arduino yang memungkinkan pengguna untuk dengan mudah mengembangkan aplikasi menggunakan berbagai sensor dan aktuator.
• Fitur Lengkap: AVR dilengkapi dengan kemampuan untuk ADC, PWM, I2C, SPI, dan banyak fitur lainnya.

Contoh Mikrokontroler AVR:

• ATmega328P: Mikrokontroler AVR yang sangat populer di platform Arduino, memiliki 32 KB flash memory, 1 KB SRAM, dan 23 I/O pins. Sangat cocok untuk proyek hobi dan pendidikan serta aplikasi otomasi kecil.
  • Aplikasi Nyata: Sistem pencahayaan otomatis, pengontrol robot, sistem monitoring suhu.
• ATtiny85: Mikrokontroler AVR kecil dengan ukuran dan daya rendah, cocok untuk aplikasi berbasis baterai dan ukuran terbatas.
  • Aplikasi Nyata: Sistem kendali perangkat portabel, sensor gerak, pengukur konsumsi daya.

ARM (Advanced RISC Machines)
Mikrokontroler berbasis ARM, seperti STM32 atau LPC series, merupakan mikrokontroler yang sangat populer karena memiliki performa tinggi dan kemampuan yang sangat fleksibel. Beberapa fitur ARM adalah:

• Arsitektur 32-bit atau 64-bit: ARM memiliki CPU dengan kemampuan lebih tinggi dan dapat menjalankan aplikasi yang lebih kompleks dibandingkan dengan mikrokontroler berbasis PIC atau AVR.
• Performa dan Kecepatan: Mikrokontroler ARM dapat menjalankan aplikasi yang membutuhkan komputasi lebih berat, seperti pengolahan data sensor yang lebih kompleks atau pengendalian perangkat dengan komunikasi cepat.
• Kemampuan Antarmuka Eksternal: Banyak mikrokontroler ARM dilengkapi dengan berbagai protokol komunikasi yang lebih canggih seperti Ethernet, USB, dan CAN Bus.

Contoh Mikrokontroler ARM:

• STM32F103: Mikrokontroler 32-bit berbasis ARM Cortex-M3 yang memiliki kemampuan pemrosesan tinggi dan banyak digunakan dalam aplikasi industri dan otomasi. Dikenal karena fleksibilitas dan skalabilitas dalam berbagai aplikasi.
  • Aplikasi Nyata: Sistem pengendalian robotik industri, sistem kendali kendaraan otonom, aplikasi IoT yang memerlukan komunikasi nirkabel (Wi-Fi, Bluetooth).
• NXP LPC1768: Mikrokontroler berbasis ARM Cortex-M3, sangat cocok untuk aplikasi pengendalian motor, sensor, dan protokol komunikasi seperti Ethernet, USB, dan I2C.
  • Aplikasi Nyata: Sistem kontrol pemantauan industri, aplikasi otomasi rumah, dan sistem navigasi pada drone.

• Perbandingan antara PIC, AVR, dan ARM:

Kesimpulan

Arsitektur mikrokontroler sangat kompleks dengan komponen yang saling berinteraksi untuk mendukung berbagai aplikasi. CPU, register, I/O port, dan timer bekerja bersama untuk menjalankan instruksi program, sementara struktur memori seperti RAM, ROM, dan EEPROM memiliki peran masing-masing dalam menyimpan data dan program. Sistem interrupt memungkinkan respons cepat terhadap kejadian-kejadian penting. Selain itu, contoh mikrokontroler seperti PIC, AVR, dan ARM menawarkan berbagai fitur yang dapat disesuaikan dengan aplikasi yang berbeda, termasuk dalam industri seperti kilang migas.

Modul ini memberikan pemahaman yang lebih mendalam tentang bagaimana mikrokontroler bekerja dan bagaimana arsitektur internalnya dapat diterapkan dalam sistem instrumentasi dan otomasi di berbagai industri.

Soal Esai

1. Jelaskan peran masing-masing jenis memori (RAM, ROM, dan EEPROM) dalam mikrokontroler. Sertakan contoh aplikasinya!
2. Mengapa interrupt sangat penting dalam aplikasi berbasis mikrokontroler? Berikan dua contoh aplikasi nyata yang memanfaatkan interrupt!
3. Bandingkan fitur utama dari mikrokontroler PIC, AVR, dan ARM. Jelaskan situasi di mana masing-masing lebih cocok digunakan.

Studi Kasus

Studi Kasus 1: Sistem Alarm Rumah

Seorang teknisi ingin membuat sistem alarm rumah berbasis mikrokontroler. Sistem ini memiliki:

• Sensor pintu dan jendela (input).
• Alarm suara (output).
• Layar LCD untuk menampilkan status.
• EEPROM untuk menyimpan pengaturan pengguna seperti PIN keamanan.
• Interrupt yang memicu alarm jika sensor mendeteksi pembukaan tanpa izin.

Pertanyaan:

1. Komponen mikrokontroler apa saja yang akan digunakan untuk sistem ini? Jelaskan fungsinya masing-masing dalam konteks studi kasus.
2. Bagaimana mikrokontroler menangani situasi darurat seperti deteksi pembukaan pintu tanpa izin? Jelaskan mekanisme interrupt yang digunakan.
3. Jika pengguna ingin menyimpan dan mengubah PIN keamanan, jenis memori apa yang cocok digunakan? Mengapa?