Arsitektur Prosesor Intel 8051
Prosesor atau mikroprosesor adalah suatu perangkat digital berupa Chip atau IC (Integrated Circuit) yang digunakan untuk memproses data biner. Alat ini berisi ALU (Arithmetic and Logic Unit), register-register, Control Unit dan sistem interkoneksi atau BUS internal. Bila sebuah prosesor dilengkapi dengan memory (RAM & ROM) dan fasilitas Input/Output internal, biasanya disebut
mikrokontroler. 8051 merupakan mikrokontroler buatan Intel corp yang merupakan bagian dari keluarga
MCS-51. Semua fasilitas sebuah sistem mikroprosesor yang terdiri dari prosesor, memory dan I/O dikemas dalam keping tunggal atau
single chip IC. Dengan cara ini, maka pengguna atau user tidak perlu melengkapi keping tunggal ini dengan beragam IC lain seperti
clock generator, addres latcher, chip selector, memory dan PPI (Programmable Peripheral Interface) atau lainnya.
Variasi register di dalam sebuah mikroprosesor sangat beragam bergantung pada tipe, fungsi khusus yang diinginkan dan pabrik pembuatnya. Karena mikrokontroler telah dilengkapi dengan berbagai peripheral yang sudah terdapat pada satu chip IC maka mikrokontroler memiliki keunggulan berikut ini :
a.Harga yang lebih ekonomis .
b.Sistem yang jauh lebih kompak dan ringkas.
c.Tingkat keamanan dan akurasi yang lebih baik.
d.Kemudahan dalam penggunaannya untuk sistem yang berbasis mikrokontroler.
Berdasarkan perbedaan dalam aplikasi dan fasilitas, mikrokontroler mempunyai set instruksi
(Instruction Set) yang berbeda dengan mikroprosesor lainnya. Set instruksi mikroprosesor tersebut bersifat processing intensive untuk operasi data volume besar, yang dapat beroperasi secara
bit, nibble, byte atau word. Beragam mode pengalamatan (addressing mode) memungkinkan akses ke lokasi dapat dilakukan secara fleksibel baik data array yang besar, memakai pointer alamat, offset dan lain-lain.
Di sisi lain mikrokontroler mempunyai instruksi yang bekaitan dengan kontrol dari Input dan Output. Antaramuka (interfacing) ke berbagai Input dan Output dapat dilakukan dengan operasi bit maupun byte.
2.1.Arsitektur Mikrokontroler AT89C51
AT89C51 merupakan prosesor 8-bit dengan low power supply dan performansi tinggi yang terdiri dari CMOS dengan Flash Programmable dan Erasable Read Only Memory (PEROM) sebesar 4 Kbyte didalamnya. Alat tersebut dibuat dengan menggunakan teknologi tinggi non-volatile berdensitas tinggi dari ATMEL yang kompatibel dengan keluarga MCS-51 buatan Intel yang merupakan standar industri. Dengan menggunakan flash memori, program dapat diisi dan dihapus secara elektrik, yaitu dengan memberikan kondisi-kondisi tertentu (high/low) pada pin-pinnya sesuai dengan konfigurasi untuk memprogram atau menghapus. Cara ini lebih praktis dibandingkan dengan menggunakan EPROM yang penghapusan program atau datanya menggunakan
sinar ultraviolet.
Fasilitas yang tersedia pada
AT89C51 antara lain :
a.4 Kbytes Flash EEROM dengan kemampuan sampai 1000 kali tulis-hapus
b.128 x 8-bit internal RAM.
c.32-bit atau jalur Input/Output.
d.2 (dua) buah 16-bit Timer / Counter.
e.6 (enam) buah sumber interupsi.
f.Serial Communication Interface.
g.Kompatibel dengan prosesor MCS-51 buatan Intel Corp.
h.Operasi Klok antara 1 sampai 24 MHz.
Gambar 2.1. Arsitektur Internal Mikrokontroler AT89C51
2.2. Fungsi - fungsi Pin Mikrokontroler AT89C51
Susunan pin atau kaki–kaki mikrokontroler AT89C51 dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 2.2. Konfigurasi Pin Mikrokontroler AT89C51
XTAL1, adalah kaki masukan ke rangkaian oscilator internal. Sebuah oscillator kristal atau sumber oscilator luar dapat digunakan.
XTAL2, adalah kaki keluaran dari rangkaian oscilator internal. Pin ini dipakai bila menggunakan oscilator kristal.
Gambar 2.3. Contoh koneksi kristal untuk clock.
Gambar 2.3. memperlihatkan contoh koneksi pin XTAL2 dan XTAL1 untuk menghasilkan klok internal. Kristal yang digunakan berkisar antara 1 MHz sampai 24 MHz. Penggunaan klok pada sistem mikroprosesor mutlak diperlukan untuk sinkronisasi aktivitas seluruh komponen digital yang terlibat di dalamnya, makin cepat getaran klok, makin cepat pula proses yang dilakukan sistem tersebut. Karena sebuah siklus mesin (machine cycle) pada 8051 membutuhkan 12 klok, maka jika kita menggunakan kristal 12 MHz, 1 siklus mesin memakan waktu 1 s.
RST, Reset input.. Memberikan sinyal HIGH pada pin ini paling tidak selama 2 siklus mesin (sekitar 2 s untuk prosesor yang menggunakan kristal 12 MHz) akan me-reset mikrokontroler. Semua pin I/O akan high ketika reset diberi kondisi high
ALE / PROG,
Sinyal HIGH diberikan oleh pin ini atau ALE (Addres Latch Enable) ketika prosesor mengakses kode program (fetch cycle) dari memory eksternal. Pin ini disediakan karena 8 dari 16 pin Address dipakai bergantian dengan 8 pin Data. Pin ini disambungkan dengan sebuah Latch atau Buffer yang menahan sinyal address. Pada operasi normal ALE dikelurkan secara konstan pada 1/6 frekuensi oscillator dan dapat dipakai untuk timing atau clocking eksternal.
Sedangkan PROG atau kondisi LOW yang diberikan terhadap pin ini diterapkan pada saat pengisian kode program ke dalam ROM internal.
PSEN, Program Strobe Enable merupakan sinyal pengontrol yang membolehkan program memori eksternal masuk ke dalam bus selama proses pemberian / pengambilan instruksi (fetching). Pin ini biasanya dihubungkan dengan OE (output enable) pada Chip ROM eksternal.
EA / VPP,
Pin EA ini harus dihubungkan ke ground jika kode program diletakkan pada memory eksternal. Sebaliknya harus disambunkan ke Vcc jika kode program diletakkan pada ROM internal.
AT89C51 memiliki memory internal, yaitu 128 byte RAM dan 4kbytes ROM, sehingga untuk menyimpan program yang ukurannya tidak melebihi 4kbyte tidak diperlukan lagi ROM eksternal. Dari 32-pin saluran I/O yang tersedia, 24 di antaranya digunakan untuk I/O paralel dan 8-bit sisanya berfungsi ganda, yaitu sebagai I/O paralel sekaligus untuk sinyal kontrol yaitu pin P3.0 sampai P3.7. Sinyal control tersebut adalah WR, RD, T0, T1, INT0, INT1 dan 2-bit saluran Input/Output serial yaitu RXD dan TXD.
2.3. Organisasi Memori
Mikrokontroler AT89C51 memiliki memory internal program yang terpisah dari memory internal data, ruang memory internal program memiliki kapasitas 4 kbyte flash EEROM, yaitu alamat 0000H sampai 0FFFH dalam bilangan heksadesimal atau alamat 0 sampai 4095 dalam bilangan desimal. Karena alamat terkait dengan jumlah pin address yang menggunakan sistem biner, maka biasanya angka alamat memory menggunakan bilangan biner atau heksadesimal, di mana setiap angka heksadesimal mewakili 4-bit angka biner.
(a). Memory Program.
Gambar 2.4. Peta Memory internal pada intel 8051.
Gambar 2.4.a. memperlihatkan lokasi ROM internal. Lokasi ini dapat diakses jika pin = 1 atau diberi tegangan Vcc. Jika ukuran program melampaui 4kbyte, maka harus digunakan ROM eksternal yang alamatnya antara 0000h sampai FFFFh atau 64kbyte dan pin = 0 atau dihubungkan dengan ground. Jika digunakan EPROM eksternal, maka alamat memory program sama dengan alamat memory data, dengan kata lain alamat 64 kbyte dipakai bersama oleh program dan data.
Seperti telah disebutkan di atas, AT89C51 dapat membedakan alamat memory hingga 64 kbyte, pengaksesan data ke memori data eksternal dilakukan dengan menggunakan data pointer melalui instruksi “MOVX”.
Di samping dapat mengakses RAM eksternal, mikrokontroler AT89C51 memiliki RAM internal yang pengaksesannya terpisah dengan RAM eksternal. RAM internal berkapasitas 128 byte ditambah sejumlah SFR (Special Function Register). Gambar 2.4.b. kiri memperlihatkan RAM internal dan SFR. Kelompok RAM internal memiliki alamat antara 00 – 7FH sedangkan kelompok SFR (Special Function Register) memiliki alamat antara 80H – FFH. RAM internal dapat diakses secara langsung (direct addressing) maupun tak langsung (indirect addressing) melalui RO dan R1. Sedangkan SFR hanya dapat diakses secara langsung dengan menyebutkan nama lokasinya, bukan nomor lokasinya, misalnya ACC, B, P0, P1 dst.
128 byte RAM internal yang terletak antara 00 – 7FH terbagi atas 3 (tiga) bagian yaitu :
Gambar 2.5. Peta RAM internal 8051.
a. Kelompok Register Bank. Berupa 32 byte atau 32 register yang terletak antara 00h sampai 1Fh. Bagian ini dipecah menjadi 4 register bank yang masing-masing terdiri dari 8 register yang diberi nama R0 sampai R7. Masing-masing register dapat dialamatkan dengan nama ataupun dengan alamat RAM-nya. Bit RS0 dan RS1 pada register PSW di SFR menentukan bank mana yang sedang digunakan. Misalnya jika RS0 dan RS1 bernilai 00, maka R2 menempati lokasi 02H pada register bank pertama, tetapi jika RS0 dan RS1 bernilai 10, maka R2 menempati lokasi 12H pada register bank ketiga.
b. Daerah pengalamatan bit (bit addressable) yang terdiri dari 16 byte atau 16 register dengan alamat antara 20h sampai 2Fh. Setiap bit pada areal ini dapat diakses secara terpisah tanpa mengganggu bit lainnya. Pengalamatan byte dapat mengunakan alamat register antara 20h sampai 2Fh, sedangkan pengalamatan bit dapat dilakukan dengan menuliskan titik setelah alamat registernya, misal 20H.7 untuk bit MSB pada register 20H.
c. Daerah register penggunaan umum (Scratch Pad Area) yang terletak di bagian atas RAM internal, yaitu alamat 30h sampai 7FH. Biasanya Stack diletakkan di area ini.
2.4. SFR (Special Function Register).
Di dalam setiap operasinya mikrokontroler harus selalu menyertakan register sebagai salah satu operand atau tempat data yang akan dilibatkan dalam operasi tsb. Register adalah memori kecil berukuran 1 atau 2 byte, 8-bit atau 16-bit.
Register akan menampung data sebelum diolah, register juga akan menampung data hasil olahan sementara sebelum dikembalikan atau dikirim ke BUS internal atau eksternal. Selain itu, register juga digunakan untuk mengendalikan operasi I/O device, seperti paralel I/O, serial communication, Timer dan Interrupt. Gambar 2.6. memperlihatkan peta SFR.
Register-register yang ada di mikrokontroler adalah sebagai berikut:
a. Register A, disebut juga sebagai akumulator (SFR alamat E0h) yaitu tempat akumulasi proses olah data.
b. Register B, disebut juga Base Register (SFR alamat F0h). Register ini jarang dipakai karena hanya dipakai untuk operasi perkalian dan pembagian saja.
Gambar 2.6. Peta SFR (Special Function Register).
c. Register R0 s/d R7 (tidak terletak dalam SFR). Merupakan Register serbaguna yang boleh dipakai untuk apa saja. Khusus untuk register R0 dan R1 dapat digunakan juga untuk operasi pengalamatan tak langsung (indirect addressing).
d. Register DPTR, merupakan satu-satunya register 16-bit yang ada pada mikrokontroler keluarga MCS51. Register ini mempunyai fungsi serbaguna seperti halnya register R0 s/d R7, dan dapat juga untuk menyimpan alamat memory eksternal bagi mode pengalamatan tak langsung. Register ini dapat dibagi menjadi dua bagian yaitu register DPL dan register DPH. Register DPL adalah byte bawah dari DPTR yaitu bit ke-0 s/d bit ke-7, sedangkan register DPH adaalh byte atas dari DPTR yaitu bit ke-8 s/d bit ke-15.
e. PSW (Program Status Word) atau flag register, SFR alamat D0H, merupakan register yang berisi data-data kondisi mikrokontroler setelah suatu operasi selesai dijalankan. Register ini memiliki bit ke-3 dan bit ke-4 digunakan untuk pemilihan register bank.
f. Register Port, terdiri dari 4 (empat) yaitu P0, P1, P2, dan P3. Register port berisi data-data yang akan dikirim keluar dan data-data yang telah dibaca dari luar. Setiap bit pada register port terkait langsung dengan kondisi pin tertentu, misalnya jika bit pada P1.5 diberi nilai biner “1”, maka pin yang terkait dengannya, yaitu pin nomor 6 (lihat gambar 2.2.) akan berkondisi HIGH atau tegangan 5 volt. Jika pin 6 ini disambungkan ke sebuah LED, maka LED akan menyala. Sebaliknya, jika pin 6 tsb disambungkan ke sebuah sensor dan sensor tsb dalam kondisi HIGH, maka P1.5 akan bernilai “1”. Pada kasus LED, pin P1.5. berfungsi sebagai pin output, sedangkan pada kasus sensor, pin tsb berfungsi sebagai input bagi prosesor.
g. SP (Stack Pointer), SFR alamat 81h, berisi alamat stack atau tumpukan tertinggi dalam RAM internal. Register ini berguna untuk menyimpan data yang terkait dengan instruksi PUSH (memasukkan data ke stack) dan POP (mengeluarkan data dari stack) atau alamat-alamat kode program yang diselamatkan pada saat terjadi pemanggilan subprogram atau rutin interupsi.
h. Pasangan Register Timer. Register yang terkait dengan penggunaan timer adalah register TH0, TL0, TH1, TL1, TMOD dan TCON. Pasangan register TH dan TL digunakan sebagai container atau jam pasir yang menampung pulsa dengan kapasitas maksimum 65535 pulsa. Pulsa yang masuk ke dalam kontainer ini bergantung pada mode penggunaan Timer. Jika I/O device ini digunakan sebagai Timer, maka pulsa yang masuk berasal dari rangkaian klok internal dengan perioda 12 kali perioda kristal yang digunakan. Jika prosesor menggunakan kristal 12 MHz, maka perioda pulsa untuk timer 1 s. Sedangkan jika I/O device ini digunakan sebagai Counter, maka pulsa yang masuk berasal dari pin T1 atau T0 para Port 3 (lihat gambar 2.2.). Frekuensi pulsa yang masuk melalui T1 maupun T0 tidak boleh melampaui 1/24 frekuensi kristal.
i. Register-register kontrol. Yaitu register-register yang digunakan untuk mengendalikan kerja I/O device internal. Reegister tersebut antara lain register IP (Interrupt Priority) dan IE (Interupt Enable) untuk operasi interupsi, register TMOD (Timer Mode) danTCON (Timer Control) untuk operasi Timer atau Counter, register SCON untuk operasi komunikasi serial dan register PCON (Power Control) untuk pengendalian penggunaan daya listrik prosesor.
2.5. Struktur Port.
Prosesor AT89C51 menyediakan 32-pin I/O yang dikelompokkan menjadi 4 buah Port. Setiap pin terkait langsung dengan bit tertentu yang ada pada register P0, P1, P2 atau P3 yang terletak dalam SFR. Seperti tampak pada gambar 2.6. register P0, P1, P2 dan P3 merupakan register bit addressable, setiap bit dapat diakses 2 arah (input atau output) secara terpisah tanpa mempengaruhi bit lainnya. Sebagai contoh saat P1.5 digunakan sebagai pin input, P1.4 dapat digunakan sebagai output atau sebaliknya.
Port 0
Port 0 (nol) terdapat pada pin 32 s/d pin 39. Port 0 adalah port paralel 8-bit dua arah yang belum dilengkapi dengan rangkaian pull-up internal, yaitu rangkaian untuk mempertahankan harga tegangan pada saat kondisi HIGH maupun LOW. Output dari port 0 dapat mensuplai arus ke 8 buah pin TTL. Meskipun demikian, karena pin pada port 0 tidak dilengkapi dengan internal pull-up, biasanya pin-pin pada port ini digunakan sebagai pin input.
Selain untuk paralel port, pin-pin pada port 0 juga dapat digunakan untuk pin address maupun pin data ketika prosesor menggunakan memory atau I/O eksternal.
Port 1
Port 1 terdapat pada pin 1 s/d pin 8. Port 1 adalah port paralel 8-bit dua arah yang telah dilengkapi dengan internal pull-up. Setiap pin pada port 1 dapat mensuplai arus ke 4 buah pin TTL. Seluruh pin dapat digunakan sebagai input maupun output.
Port 2
Port 2 terdapat pada pin 21 s/d pin 28. Port 2 adalah paralel port dua arah yang dilengkapi dengan rangkaian pull-up. Output dari port 2 dapat mensuplai arus ke 4 buah pin TTL. Selain sebagai paralel port. Port 2 juga dapat digunakan sebagai pin address (lihat gambar 2.2.). Untuk fungsi ini port 2 mengunakan internal pull-up yang kuat.
Port 3
Port 3 terletak pada pin 10 s/d 17. Port 3 adalah port paralel dua arah yang dilengkapi dengan rangkaian pull-up. Output dari port 3 dapat mensuplai arus ke 4 pin TTL. Selain itu port 3 juga memiliki fungsi lain yang dapat dilihat pada tabel di bawah ini :
Tabel 2.1. Fungsi lain Port 3.
2.6. Metode Pengalamatan (addressing mode)
Untuk mengakses memory atau register, prosesor 8051 memiliki beberapa cara pengalamatan, yaitu :
a. Pengalamatan Register (register addressing)
Cara ini hanya berlaku untuk register R0 sampai R7. Misalnya instruksi :
MOV R7,22H menyebabkan isi RAM internal alamat 22H disalin ke Register R7.
b. Pengalamatan Langsung (direct addressing)
Cara pengalamatan seperti ini hanya berlaku untuk RAM internal dan SFR. Pada cara ini, dalam instruksinya operand ditunjukkan oleh suatu alamat yang lebarnya 8-bit. Misalnya instruksi
MOV 24H,22H menyebabkan isi RAM internal alamat 22H disalin ke RAM internal alamat 24H.
MOV TMOD,#00010001B menyebabkan angka biner 00010001 dimasukkan ke register TMOD.
MOV 24H,P1 menyebabkan kondisi pin pada Port 1 direkam ke dalam RAM internal alamat 24H.
c. Pengalamatan tidak langsung (indirect addressing)
Cara pengalamatan ini hanya berlaku untuk RAM internal. Pada cara ini, instruksi menunjukkan suatu register yang isinya adalah alamat dari suatu operand . Misalnya,
MOV @R0,22H menyebabkan isi RAM internal alamat 22H disalin ke RAM internal yang alamatnya tersimpan pada registe R0.
d. Pengalamatan segera (immediate addressing)
Cara ini berlaku untuk RAM internal dan SFR, di mana data yang akan dilibatkan tertulis langsung pada instruksinya, misalnya :
MOV TMOD,#00010001B menyebabkan angka biner 00010001 dimasukkan ke register TMOD.
MOV 24H,#22H menyebabkan angka 22H dimasukkan ke RAM internal alamat 24H.
e. Pengalamatan berindeks (indexed addressing)
Biasanya cara ini digunakan untuk mengambil data yang ditulis pada memory program. Cara ini ditujukan untuk menbaca look-up table yang ada di memori program. Misalnya :
MOVC A,@A+DPTR menyebabkan data yang terletak pada memory yang alamatnya merupakan hasil penjumlahan isi register A dengan isi register DPTR disalin ke register A.
