TUTORIAL MICROCONTROLLER AVR Part I (2006)

Transkripsi

1 TUTORIAL MICROCONTROLLER AVR Part I (2006) Iwan Setiawan,ST., MT iwan@elektro.ft.undip.ac.id 1.1. MICROCONTROLLER VS MICROPROCESSOR Microcontroller sebagai sebuah one chip solution pada dasarnya adalah rangkaian terintregrasi (Integrated Circuit-IC) yang telah mengandung secara lengkap berbagai komponen pembentuk sebuah komputer. Berbeda dengan penggunaan microprocessor yang masih memerlukan komponen luar tambahan seperti RAM, ROM, Timer, dan sebagainya-- untuk sistem microcontroller, tambahan komponen diatas secara praktis hampir tidak dibutuhkan lagi. Hal ini disebabkan semua komponen penting tersebut telah ditanam bersama dengan sistem prosesor ke dalam IC tunggal microcontroller bersangkutan. Dengan alasan itu sistem microcontroller dikenal juga dengan istilah populer the real Computer On a Chipkomputer utuh dalam keping tunggal, sedangkan sistem microprocessor dikenal dengan istilah yang lebih terbatas yaitu Computer On a Chip-komputer dalam keping tunggal. Berdasarkan fungsinya, microcontroller secara umum digunakan untuk menjalankan program yang bersifat permanen pada sebuah aplikasi yang spesifik (misal aplikasi yang berkaitan dengan pengontrolan dan monitoring). Sedangkan program aplikasi yang dijalankan pada sistem microprosesor biasanya bersifat sementara dan berorientasi pada pengolahan data. Perbedaan fungsi kedua sistem diatas secara praktis mengakibatkan kebutuhan minimal yang harus dipenuhi juga akan berbeda (misal ditinjau dari kecepatan detak operasi, jumlah RAM, panjang register, dan lain sebagainya). Hampir tidak dapat disangkal, dewasa ini akan sukar dijumpai seseorang yang masih menggunakan komputer dengan microprocessor berbasis 8 atau 16 bit (misal microprocessor 8088 dan 8086 produk perusahaan Intel). Mengapa demikian?, salah satu alasannya Perangkat lunak komputer yang beredar saat ini umumnya mensyaratkan kecepatan CPU yang sangat tinggi (dalam orde Mega bahkan GigaHz) serta memori dengan kapasitas sangat besar (dalam orde MegaByte) yang mana hal tersebut tidak mungkin dapat dipenuhi oleh sistem microprocessor lama tersebut. Sedangkan untuk sistem microcontroller, program yang dijalankan biasanya tidak memerlukan sumber daya sebanyak dan sebesar itu. Untuk aplikasi kontrol sederhana dan tingkat menengah, microcontroller yang digunakan cukup berbasis 4 sampai 8 bit. Microcontroller dengan ukuran lebih besar (misal 16 dan 32 bit) umumnya hanya digunakan untuk aplikasi-aplikasi khusus pada bidang pengolahan citra atau bidang kontrol yang memerlukan kepresisian tinggi PERKEMBANGAN MICROCONTROLLER Pada awal perkembangannya (yaitu sekitar tahun 1970-an), sumber daya perangkat keras serta perangkat lunak microcontroller yang beredar masih sangat terbatas. Saat itu, sistem microcontroller hanya dapat diprogram secara khusus dengan perangkat yang dinamakan EPROM programmer. Sedangkan perangkat lunak yang digunakan umumnya berbasis bahasa assembler yang relatif sulit dipelajari. Seiring dengan perkembangan teknologi solid state dan perangkat lunak komputer secara umum, saat ini pemrograman sistem microcontroler dirasakan relatif mudah dilakukan, 1

2 terutama dengan digunakannya metode pemrograman ISP (In system Programming). Dengan menggunakan metode ini kita dapat memprogram sistem microcontroller sekaligus mengujinya pada sistem minimum atau papan pengembang (development board) secara langsung tanpa perlu lagi perangkat pembakar program atau emulator secara terpisah. Selain itu, ditinjau dari aspek perangkat lunak pemrogramannya, dewasa ini banyak alternatif bahasa aras tinggi dari pihak ke-tiga, baik gratis maupun komersil yang dapat digunakan. Penggunaan bahasa aras tinggi ini (seperti Pascal, C, basic dan sebagainya) selain akan menghemat waktu pengembangan, kode program yang disusun juga akan bersifat lebih modular dan terstruktur. Bagi para pemula yang berminat memperdalam microcontroller baik sekedar untuk tujuan penyaluran hobi atau kelak untuk tujuan yang lebih profesional, dewasa ini banyak microcontroller dari berbagai vendor yang dapat dijadikan sarana untuk berlatih (misal microcontroller PIC produk Microchip, COP-8 produk National, AT89S51/52 dan AVR produk Atmel, HC11 produk Motorola dan lain sebagainya). Untuk memutuskan microcontroller mana yang akan dijadikan sarana berlatih dan akan diperdalam secara serius, ada baiknya hal-hal berikut ini dijadikan bahan pertimbangan : - Apakah microcontroller tersebut mudah dijumpai dipasaran - Apakah banyak dukungan pihak ketiga dalam penggunaan microcontroller tersebut, (misalnya perusahaan-perusahaan pembuat papan pengembang, pemasok compiler serta debbuger untuk pemrogramannya, dan sebagainya) - Apakah banyak referensi dan contoh-contoh program untuk panduan anda berlatih (misalnya dari sumber-sumber internet dan buku) - Apakah banyak forum-forum diskusi (terutama di Internet) tempat anda dan programer lain berbagi pengalaman. Dengan berbagai macam kelebihan yang dimiliki serta hal-hal yang menjadi bahan pertimbangan diatas, dewasa ini microcontroller AVR 8 bit produk perusahaan Atmel adalah salah satu microcontroller yang banyak merebut minat kalangan profesional dan juga cocok dijadikan sarana berlatih bagi para pemula. Hal ini selain karena ragam fitur yang ditawarkan, juga disebabkan kemudahan untuk memperoleh microcontroller tersebut (berikut papan pengembangnya) di pasaran dengan harga yang relatif murah. Selain itu berkaitan dengan rancangan arsitekturnya, microcontroller AVR ini juga cocok diprogram dengan menggunakan bahasa pemrograman aras tinggi (terutama bahasa C). 1.3 SEKILAS TENTANG MICROCONTROLLER KELUARGA AVR Secara histories microcontroller seri AVR pertama kali diperkenalkan ke pasaran sekitar tahun 1997 oleh perusahaan Atmel, yaitu sebuah perusahaan yang sangat terkenal dengan produk microcontroller seri AT89S51/52-nya yang sampai sekarang masih banyak digunakan di lapangan. Tidak seperti microcontroller seri AT89S51/52 yang masih mempertahankan arsitektur dan set instruksi dasar microcontroller 8031 dari perusahaan INTEL. Microcontroller AVR ini diklaim memiliki arsitektur dan set instruksi yang benar-benar baru dan berbeda dengan arsitektur microcontroller sebelumnya yang diproduksi oleh perusahaan tersebut. Tetapi walaupun demikian, bagi para programmer yang sebelumnya telah terbiasa dengan microcontroller seri AT89S51/52, dan berencana untuk beralih ke microcontroller AVR, maka secara teknis tidak akan banyak kesulitan yang berarti, hal ini dikarenakan selain 2

3 konsep dan istilah-istilah dasarnya hampir sama, pemrograman level assembler-nya pun relative tidak jauh berbeda. Berdasarkan arsitekturnya, AVR merupakan microcontroller RISC (Reduce Instruction Set Computer) dengan lebar bus data 8 bit. Berbeda dengan sistem AT89S51/52 yang memiliki frekuensi kerja seperduabelas kali frekuensi oscilator, frekuensi kerja microcontroller AVR ini pada dasarnya sama dengan frekuensi oscilator, sehingga hal tersebut menyebabkan kecepatan kerja AVR untuk frekuensi oscilator yang sama, akan dua belas kali lebih cepat dibandingkan dengan microcontroller keluarga AT89S51/52. Dengan instruksi yang sangat variatif (mirip dengan sistem CISC-Complex Instruction Set Computer) serta jumlah register serbaguna (general Purpose Register) sebanyak 32 buah yang semuanya terhubung secara langsung ke ALU (Arithmetic Logic Unit), kecepatan operasi microcontroller AVR ini dapat mencapai 16 MIPS (enam belas juta instruksi per detik) sebuah kecepatan yang sangat tinggi untuk ukuran microcontroller 8 bit yang ada di pasaran sampai saat ini. Untuk memenuhi kebutuhan dan aplikasi industri yang sangat beragam, microcontroller keluarga AVR ini muncul di pasaran dengan tiga seri utama: tinyavr, ClasicAVR (AVR), megaavr. Berikut ini beberapa seri yang dapat anda jumpai di pasaran: -ATtiny13 AT90S2313 ATmega103 -ATtiny22 AT90S2323 ATmega128 -ATtiny22L AT90S2333 ATmega16 -ATtiny2313 AT90S4414 ATmega162 -ATtiny2313V AT90S4433 ATmega168 -ATtiny26 AT90S8515 ATmega8535 Keseluruhan seri AVR ini pada dasarnya memiliki organisasi memori dan set instruksi yang sama (sehingga dengan demikian jika kita telah mahir menggunakan salah satu seri AVR, untuk beralih ke seri yang lain akan relative mudah). Perbedaan antara tinyavr, AVR dan megaavr pada kenyataannya hanya merefleksikan tambahan-tambahan fitur yang ditawarkannya saja (misal adanya tambahan ADC internal pada seri AVR tertentu, jumlah Port I/O serta memori yang berbeda, dan sebagainya). Diantara ketiganya, megaavr umumnya memiliki fitur yang paling lengkap, disusul oleh AVR, dan terakhir tinyavr. Untuk memberi gambaran yang lebih jelas, tabel 1.1 berikut memperlihatkan perbedaan ketiga seri AVR ditinjau dari jumlah memori yang dimilikinya. Table 1.1. Perbedaan seri AVR berdasarkan jumlah memori Microcontroller AVR Memori (byte) Jenis Paket IC Flash EEPROM SRAM TinyAVR 8 32 pin 1 2K AVR (classic AVR) pin 1 8K K MegaAVR pin K K K Seperti terlihat pada tabel tersebut, Semua jenis AVR ini telah dilengkapi dengan memori flash sebagai memori program. Tergantung serinya, kapasitas memori flash yang dimiliki bervariasi dari 1K sampai 128 KB. Secara teknis, memori jenis ini dapat diprogram melalui saluran antarmuka yang dikenal dengan nama Serial Peripheral Interface (SPI) yang terdapat pada setiap seri AVR tersebut. Dengan menggunakan perangkat lunak programmer 3

4 (downloader) yang tepat, pengisian memori Flash dengan menggunakan saluran SPI ini dapat dilakukan bahkan ketika chip AVR telah terpasang pada sistem akhir (end system), sehingga dengan demikian pemrogramannya sangat fleksibel dan tidak merepotkan pengguna (Secara praktis metoda ini dikenal dengan istilah ISP-In System Programming sedangkan perangkat lunaknya dinamakan In System Programmer). Untuk penyimpanan data, microcontroller AVR menyediakan dua jenis memori yang berbeda: EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) dan SRAM (Static Random Access memory). EEPROM umumnya digunakan untuk menyimpan data-data program yang bersifat permanen, sedangkan SRAM digunakan untuk menyimpan data variabel yang dimungkinkan berubah setiap saatnya. Kapasitas simpan data kedua memori ini bervariasi tergantung pada jenis AVR-nya (lihat tabel 1). Untuk seri AVR yang tidak memiliki SRAM, penyimpanan data variabel dapat dilakukan pada register serbaguna yang terdapat pada CPU microcontroller tersebut. Selain seri-seri diatas yang sifatnya lebih umum, Perusahaan Atmel juga memproduksi beberapa jenis microcontroller AVR untuk tujuan yang lebih khusus dan terbatas, seperti seri AT86RF401 yang khusus digunakan untuk aplikasi wireless remote control dengan menggunakan gelombang radio (RF), seri AT90SC yang khusus digunakan untuk peralatan sistem-sistem keamanan kartu SIM GSM, pembayaran via internet, dan lain sebagainya. 1.4 MICROCONTROLLER AVR DAN BAHASA C Tak dapat disangkal, dewasa ini penggunaan bahasa pemrograman aras tinggi (seperti C, Basic, Pascal, Forth dan sebagainya) semakin populer dan banyak digunakan untuk memprogram sistem microcontroller. Berdasarkan sifatnya yang sangat fleksibel dalam hal keleluasaan pemrogram untuk mengakses perangkat keras, Bahasa C merupakan bahasa pemrograman yang paling cocok dibandingkan bahasa-bahasa pemrograman aras tinggi lainnya. Dikembangkan pertama kali oleh Dennis Ritchie dan Ken Thomson pada tahun 1972, Bahasa C merupakan salah satu bahasa pemrograman yang paling populer untuk pengembangan program-program aplikasi yang berjalan pada sistem microprocessor (komputer). Karena kepopulerannya, vendor-vendor perangkat lunak kemudian mengembangkan compiler C sehingga menjadi beberapa varian berikut: Turbo C, Borland C, Microsoft C, Power C, Zortech C dan lain sebagainya. Untuk menjaga portabilitas, compiler-compiler C tersebut menerapkan ANSI C (ANSI: American National Standards Institute) sebagai standar bakunya. Perbedaan antara compiler-compiler tersebut umumnya hanya terletak pada pengembangan fungsi-fungsi library serta fasilitas IDE (Integrated Development Environment) nya saja. Relatif dibandingkan dengan bahasa aras tinggi lain, bahasa C merupakan bahasa pemrograman yang sangat fleksibel dan tidak terlalu terikat dengan berbagai aturan yang sifatnya kaku. Satu-satunya hal yang membatasi penggunaan bahasa C dalam sebuah aplikasi adalah semata-mata kemampuan imaginasi programmer-nya saja. Sebagai ilustrasi, dalam program C kita dapat saja secara bebas menjumlahkan karakter huruf (misal A ) dengan sebuah bilangan bulat (misal 2 ), dimana hal yang sama tidak mungkin dapat dilakukan dengan menggunakan bahasa aras tinggi lainnya. Karena sifatnya ini, seringkali bahasa C dikatagorikan sebagai bahasa aras menengah (mid level language). 4

5 Dalam kaitannya dengan pemrograman microcontroller, Tak pelak lagi bahasa C saat ini mulai menggeser penggunaan bahasa aras rendah assembler. Penggunaan bahasa C akan sangat efisien terutama untuk program microcontroller yang berukuran relatif besar. Dibandingkan dengan bahasa assembler, penggunaan bahasa C dalam pemrograman memiliki beberapa kelebihan berikut: Mempercepat waktu pengembangan, bersifat modular dan terstruktur, sedangkan kelemahannya adalah kode program hasil kompilasi akan relative lebih besar (dan sebagai konsekuensinya hal ini terkadang akan mengurangi kecepatan eksekusi). Khusus pada microcontroller AVR, untuk mereduksi konsekuensi negative diatas, Perusahaan Atmel merancang sedemikian sehingga arsitektur AVR ini efisien dalam mendekode serta mengeksekusi instruksi-instruksi yang umum dibangkitkan oleh compiler C (Dalam kenyataannya, pengembangan arsitektur AVR ini tidak dilakukan sendiri oleh perusahaan Atmel tetapi ada kerja sama dengan salah satu vendor pemasok compiler C untuk microcontroller tersebut, yaitu IAR C) Table 1.2. Beberapa Compiler C untuk microcontroller AVR Compiler C Platform Keterangan IAR C -DOS -Windows Komersil CodeVisionAVR -Windows Komersil, ImageCraft s C -DOS -Windows Komersil -Linux AVR-GCC -DOS -Windows General Public Licence C-AVR -Windows Komersil Small C for AVR -DOS Komersil GNU C for AVR -Linux General Public Licence LCC-AVR -Linux, -Windows Free Dunfields AVR -Windows Komersil Seperti halnya compiler C untuk sistem microprocessor, di pasaran ada beberapa varian compiler C untuk memprogram sistem microcontroller AVR yang dapat dijumpai (lihat tabel 1.2). Dengan beberapa kelebihan yang dimilikinya, saat ini CodeVisionAVR produk Perusahaan Pavel Haiduc merupakan compiler C yang relative banyak digunakan dibandingkan compilercompiler C lainnya. 1.5 SEKILAS TENTANG PERANGKAT LUNAK CODEVISIONAVR CodeVisionAVR pada dasarnya merupakan perangkat lunak pemrograman microcontroller keluarga AVR berbasis bahasa C. Ada tiga komponen penting yang telah diintegrasikan dalam perangkat lunak ini: Compiler C, IDE dan Program generator. Berdasarkan spesifikasi yang dikeluarkan oleh perusahaan pengembangnya, Compiler C yang digunakan hampir mengimplementasikan semua komponen standar yang ada pada bahasa C standar ANSI (seperti struktur program, jenis tipe data, jenis operator, dan library fungsi standar-berikut penamaannya). Tetapi walaupun demikian, dibandingkan bahasa C untuk aplikasi komputer, compiler C untuk microcontroller ini memiliki sedikit perbedaan yang disesuaikan dengan arsitektur AVR tempat program C tersebut ditanamkan (embedded). 5

6 Khusus untuk library fungsi, disamping library standar (seperti fungsi-fungsi matematik, manipulasi String, pengaksesan memori dan sebagainya), CodeVisionAVR juga menyediakan fungsi-fungsi tambahan yang sangat bermanfaat dalam pemrograman antarmuka AVR dengan perangkat luar yang umum digunakan dalam aplikasi kontrol. Beberapa fungsi library yang penting diantaranya adalah fungsi-fungsi untuk pengaksesan LCD, komunikasi I 2 C, IC RTC (Real time Clock), sensor suhu LM75, SPI (Serial Peripheral Interface) dan lain sebagainya. Untuk memudahkan pengembangan program aplikasi, CodeVisionAVR juga dilengkapi IDE yang sangat user friendly (lihat gambar 1.1). Selain menu-menu pilihan yang umum dijumpai pada setiap perangkat lunak berbasis Windows, CodeVisionAVR ini telah mengintegrasikan perangkat lunak downloader (in system programmer) yang dapat digunakan untuk mentransfer kode mesin hasil kompilasi kedalam sistem memori microcontroller AVR yang sedang diprogram. Gambar 1.1. IDE perangkat lunak CodeVisionAVR Selain itu, CodeVisionAVR juga menyediakan sebuah tool yang dinamakan dengan Code Generator atau CodeWizardAVR (lihat gambar 1.2). Secara praktis, tool ini sangat bermanfaat membentuk sebuah kerangka program (template), dan juga memberi kemudahan bagi programmer dalam peng-inisialisasian register-register yang terdapat pada microcontroller AVR yang sedang diprogram. Dinamakan Code Generator, karena perangkat lunak CodeVision ini akan membangkitkan kode-kode program secara otomatis setelah fase inisialisasi pada jendela CodeWizardAVR selesai dilakukan. Gambar 1.3 berikut memperlihatkan beberapa penggal baris kode program yang dibangkitkan secara otomatis oleh CodeWizardAVR. Secara teknis, penggunaan tool ini pada dasarnya hampir sama dengan application wizard pada bahasa-bahasa pemrograman Visual untuk komputer (seperti Visual C, Borland Delphi, dan sebagainya) 6

7 Gambar 1.2. Code Generator yang dapat digunakan untuk menginisialisasi register-register pada microcontroller AVR. Disamping versi yang komersil, Perusahaan Pavel Haiduc juga mengeluarkan CodeVisionAVR versi Demo yang dapat didownload dari internet secara gratis (lihat alamat URL: Dalam versi ini, memori flash yang dapat diprogram dibatasi maksimal 2K, selain itu tidak semua fungsi library yang tersedia dapat dipanggil secara bebas. Gambar 1.3. Kode-kode program yang dibangkitkan otomatis oleh code generator 7

8 1.6 PAKET PEMROGRAMAN MICROCONTROLLER AVR LENGKAP Seperti halnya belajar pemrograman komputer, agar mendapatkan pemahaman yang kuat dalam pemrograman microcontroller AVR, anda sebaiknya mencoba langsung membuat aplikasi program pada microcontroller tersebut. Untuk tujuan latihan, perangkat lunak CodevisionAVR versi demo pada dasarnya adalah sarana yang cocok dan telah cukup memenuhi kebutuhan minimal anda. Gambar 1.4. berikut memperlihatkan diagram blok yang mengilustrasikan alur pemrograman microcontroller AVR dengan CodevisionAVR yang dapat anda lakukan : Komputer Perangkat lunak CodevisionAVR Papan Pengembang (Starter KIT) Editor.c Compiler C.asm Assembler (avrasm32.exe).hex ISP Port LPT Donggle (kompatible kanda) Saluran SPI Target akhir (chip AVR) Gambar 1.4. Alur pemrograman microcontroller AVR dengan menggunakan CodevisionAVR Seperti terlihat pada gambar 1.4, CodevisionAVR produk Pavel Haiduc pada dasarnya telah mengintegrasikan komponen-komponen penting dalam pemrograman microcontroller AVR: Editor,Compiler C, assembler dan ISP (In System Programmer). Khusus dengan ISP, ada beberapa jenis perangkat keras programmer dongle (berikut papan pengembangnya) yang telah didukung oleh perangkat lunak CodevisionAVR ini, salah satu diantaranya adalah Kanda System STK 200/300 produk Perusahaan Kanda yang terhubung pada saluran antarmuka port Paralel Komputer (gambar 1.5). Jika anda berencana membuat dongle yang kompatible dengan produk Kanda, rangkaiannya dapat dilihat pada Lampiran A (lihat situs: Atau jika mau membeli sistem yang siap pakai (berupa dongle beserta papan pengembangnya), salah satu produk dalam negeri dengan harga yang relative murah adalah DT AVR nano/micro System (gambar 1.6) produk Innovative Electronics, Surabaya. Alamat URL:http// Sistem ini kompatibel dengan kanda System STK 200/300. Untuk tujuan-tujuan percobaan, produk innovative_electronic ini sudah sangat memadai, selain mudah dihubungkan dengan modul-modul perangkat input/output, seperti modul LCD, keypad, array LED, penggerak motor stepper, dan sebagainya, sistem ini juga telah dilengkapi konverter TTL ke RS232 yang bermanfaat untuk komunikasi microcontroller AVR dengan komputer. Berkaitan dengan perangkat lunak downloader, pada dasarnya anda dapat menggunakan perangkat lunak lain (di luar CodeVisionAVR) untuk keperluan transfer kode mesin kedalam sistem memori microcontroller AVR. Salah satunya adalah ISP_AVR yang dibuat oleh Holger Buss dan Ingo Busker dari Jerman. Perangkat lunak beserta rangkaian antarmukanya dapat di-download secara gratis pada alamat URL: 8

9 Gambar 1.5. Papan pengembang Kanda System STK 200/300 produk Perusahaan Kanda Gambar 1.5. Papan pengembang DT AVR micro System compatible dengan STK 200/300 Referensi Dari Berbagai sumber 9