BAB 1.0 : PENGENALAN KEPADA MIKROPEMPROSES

1.1 Komponen-komponen asas sistem komputer

Rajah 1.1 : Gambarajah blok sistem komputer (digit)

Komputer digit ialah sejenis peralatan elektronik yang menggunakan isyarat berdigit untuk menerima dan memproses data mengikut set arahan dalam storan dan menghasilkan maklumat yang diperlukan pada peranti keluaran.

Storan ialah peranti elektronik yang digunakan untuk menyimpan data atau maklumat.(i) Storan primer / ingatan dalaman (RAM dan ROM)(ii) Storan sekunder / ingatan luaran (cakera liut, tumb drive, hard disk, cakera padat dsb)

1.1.1 Unit Pemprosesan Pusat (CPU)

otak komputer merupakan pusat kawalan bagi komputer untuk mengawal seluruh operasi di dalam komputer memproses data mengikut aturcara yang diperlukan oleh pengguna terdiri dari unit aritmetik logik (ALU), daftar dan unit kawalan

i. Unit Arithmetik & Logik- unit yang melaksanakan semua kiraan aritmetik dan logik- Data yang diproses di ALU diambil daripada daftar khas yang dinamai Penumpuk. Setelah data diproses dalam ALU, data ini disimpan untuk sementara waktu didalam penumpuk- Operasi arithmetik – penambahan, darab dsb- Operasi logik – DAN, ATAU, TAK

ii. Unit kawalan- mengawal operasi CPU berdasarkan isyarat kawalan

iii. Daftar- Ruang ingatan sementara untuk menyimpan keputusan pemprosesan dan maklumat kawalan- Terdapat sejumlah daftar untuk fungsi-fungsi tertentu- Antara daftar yang ada seperti :

daftar pembilang aturcara – memegang suruhan berikutnya daftar suruhan – memegang suruhan yang sedang dilaksanakan

1.1.2 Ingatan (Utama dan Sekunder)

i. Unit Ingatan Utama- berfungsi menyimpan kelompok digit perduaan (words). Digit – digit ini mewakili arahan yang akan dilaksanakan oleh komputer. Selain dari itu terdapat data yang akan diproses oleh aturcara- juga berfungsi sebagai simpanan perantaraan dan hasil akhir operasi aritmetik- operasi ingatan dikawal oleh unit kawalan- ingatan utama ini dibina dari bahan separuh pengalir- dikategorikan kepada RAM dan ROM

ii. Unit Ingatan Sekunder- storan diluar komputer seperti disket, pen drive, hard disk dsbnya- berfungsi seperti ingatan utama iaitu menyimpan data, program dan hasil operasi terhadap data- kebaikan ingatan sekunder berbanding ingatan utama :

storannya tidak meruap dalam jangka masa panjang kos murah kandungan mudah dikemaskini

1.1.3 Unit Masukan/Keluaran (I/O)

1

Ingatan

Unit Pemprosessan Pusat (CPU)

Masukan Keluaran

i. Unit Masukan- unit ini guna untuk mengambil maklumat dan data yang berada di luar komputer dan meletakkan ke dalam unit ingatan

atau unit aritmetik logic (ALU)- contoh sebahagian peranti masukan yang biasa ialah papan kunci, suis togol, unit pita magnetic, tetikus, penukar analog

ke digit (ADC)

ii. Unit Keluaran- mengandungi peranti keluaran yang diguna untuk memindahkan data dan maklumat dari komputer ke dunia luar- contoh peranti keluaran ialah bacaan LED, pencetak, monitor, penukar digit ke analog (DAC)

1.2 Evolusi mikropemproses (4 bit, 8 bit, 16 bit, 32 bit, 64 bit)

Jadual 1.1 : Evolusi MikropemprosesTahun Syarikat Inovasi1971 Intel 4004 - P 4 bit pertama : ingatan 1 K1972 Intel 8008 - P 8 bit pertama : ingatan 16 K1974 Intel 8080 - P 8 bit serbaguna pertama : ingatan 64 K

Motorola 6800 - P 8 bit pertama daripada Motorola1975 MOS 6502 - P 8 bit yang diguna dalam Apple //komputer pertama.

Zilog Z80 - P 8 bit serasi 80801976 Intel 8085 - 8080 yang dipekej semula1978 Intel 8086 - P 16 bit ; ingatan 1M1979 Motorola 68000 - P 16/32 bit ; diguna dalam Apple Macintosh1980 Intel 8088 - 8086 dengan bas data bit; diguna dalam IBM PC1982 Intel 80286 - 8086 dengan ingatan maya ;ingatan 16M

Motorola 68008 - 68000 dengan bas 8 bit ; ingatan 16M1983 Motorola 68010 - 68000 dengan ingatan maya 1984 Motorola 68020 - P 32 bit ; ingatan 4G 1985 Intel 80386 - P 32 bit1987 Motorola 68030 – 68020 dengan unit pengurusan ingatan (MMU)1989 Intel 80486 – 80386 yang lebih laju; unit titik-apung (FPU) bina dalam

Motorola 68040 – 68030 yang lebih laju (FPU) bina dalam1993 Intel Pentium – 80486 yang lebih laju ; superskalar; FPU + 2 ALU

Motorola/ IBM/Apple

Power PC - P RISC paling popular pada hari ini

1994 Motorola 68060 – 68040 yang lebih laju; superskalar; FPU +2 ALU

1.3 Maksud istilah Nibble, Byte, Word, Long Word Data size is a mean of measure to determine how much data can be stored in a single cell of memory

Data Sizen

Data Type Data Capacity2n

Range

1 Bit 2 0 - 1

4 Nibble 16 0 -15

8 Byte 256 0 - 255

16 Word 65536 0 - 65535

32 Long Word 4,294,967,296 0 – 4,294,967,295

1.4 Binaan dalaman dan pengoperasian asas mikropemproses

2

Mikropemproses adalah satu serpih litar bersepadu (integrated circuit – IC) VLSI dan SLSI (very large dan super large) berupaya menerima, menyahkod suruhan dan melaksanakan suruhan yang diterimanya dalam bentuk kod binari merupakan jantung/otak kepada sistem komputer, ia berfungsi sebagai Unit Pemprosesan Pusat(CPU) 5 Fungsi utama mikropemproses :

i. Menyediakan isyarat pemasaan dan kawalanii. Mencapai arahan dan data dari ingataniii. Memindahkan data dan arahan dari unit masukan/keluaraniv. Melakukan operasi arithmetik dan logik mengikut arahanv. Tindakbalas terhadap sampukan dari luar

4 komponen utama mikropemproses : ALU, Unit Kawalan, Daftar-daftar dan penyahkod suruhan

1.4.1 Unit Arithmetik dan Logik (Arithmetic Logic Unit)

- Dianggap sebagai otak sesuatu sistem komputer kerana unit inilah yang menjalankan operasi pengolahan (manipulation) data.

- ALU terdiri daripada litar-litar logik yang menjalankan operasi campur, tolak, bahagi, darap dan operasi logic seperti AND, OR dan NOT

- Saiz ALU :o Menentukan keupayaan komputero Saiz lazim :

8 bit (mikroprngawal seperti Motorola 6805, Intel 8051) 16 bit (seperti Intel 8086) 32 bit (seperti Motorola 68000, intel 80486/Pentium, Motorola Power PC 601) 54 bit (seperti DEC Alpha, MIPS R4400, Motorola Power PC 620)

1.4.2 Unit Kawalan (Control Unit)

- Unit kawalan akan menghasilkan isyarat kawalan dalaman di mana ia akan menentukan arah, punca dan destinasi pemindahan data. Contohnya ia akan mengawal pergerakan data antara ALU dan daftar.

- Di dalamnya terdapat litar pemilih iaitu multiplexers dan demultipelxers.- Unit ini juga akan bertanggungjawab kepada isyarat luar yang diterima dari bas kawalan.

1.4.3 Daftar (Registers)

- Pemindahan maklumat perduaan dari satu daftar ke daftar yang lain merupakan yang terpenting dalam mikropemproses

- Fungsi daftar :i. menyimpan dataii. sebagai alamatiii. kod suruhaniv. maklumat mengenai pelbagai pengendalian mikropemprosesv. sebagai pembilang yang boleh dikawal oleh perisian (suruhan-suruhan aturcara)

3

- Daftar (daftar dalaman) berfungsi seperti ‘pigeon holes’ di mana data dan suruhan dalam bentuk binari akan disimpan secara sementara sebelum atau selepas operasi. Operasi ALU adalah lebih cepat jika data disimpan didalam daftar berbanding memori.

- Setiap data yang hendak diproses mesti dimasukkan ke dalam daftar sebelum diproses oleh ALU. Daftar juga akan menyimpan data baru dari ALU.

- Litar daftar dibina dari sekumpulan flip-flop (litar yang berupaya menyimpan data)- Empat daftar yang sering digunakan ialah :

i. Penumpuk (Accumulator)o Daftar yang paling aktif dan terlibat dalam kebanyakan pengendalian yang dilaksanakan oleh ALUo Data yang diambil dari memori akan disimpan secara sementara di ACC sebelum diproses oleh ALUo Di guna untuk meletakkan keputusan selepas pengendalian ALUo Diguna sebagai daftar simpanan untuk data yang dihantar ke peranti keluaran dan sebagai daftar penerima untuk

data yang dibaca/diambil dari peranti masukan.o 6800 – ada 2 accumulator; 8085 – ada 1 accumulator

ii. Daftar Arahan (Instruction Register)o digunakan bagi menyimpan arahan/suruhan yang diambil dari memori sebelum dinyahkod oleh penyahkod

suruhan ke bentuk operasi

iii. Pembilang Aturcara(Program Counter, PC)o Digunakan untuk memegang alamat bagi suruhan yang akan diambil atau dilaksanakan (next instruction)o Alamat yang dipegang oleh PC akan dinaikkan setiap kali suruhan diambil dari ingatan (memory) bagi memastikan

suruhan yang berikutnya diambil pada kitar ambil yang menyusul.o Jumlah kenaikkan PC adalah mengikut berapa byte Kod Mesin bagi suatu suruhan yang dilaksanakan, yaitu bagi

mikropemproses 6800 jumlah kenaikkan ialah 1 tetapi bagi mikropemproses 68000 jumlah kenaikkan ialah 2.o Contohnya :

Alamat 6800 Alamat 68000PC = 6000 Suruhan # 1 PC = 6000 Suruhan # 1PC = 6001 Suruhan # 2 PC = 6002 Suruhan # 2

iv. Daftar Status (Status Register, SR)o Dikenali daftar bendera atau conditon code register (CCR)o mengandungi maklumat mengenai hasil operasi ALU yang terakhir berdasarkan bit-bit yang terletak

dalamnyao bit-bit (flag) tersebut : Zero (Z), Carry (C), Negatif (N), Extend(X) dan Overflow(V)o daripada keputusan ini mikropemproses dapat membuat keputusan untuk mengubah arahalir program yang

dilaksanakano 6 ‘Flag’ digunakan oleh CPU Motorola 6800.o 5 ‘Flag’ digunakan oleh CPU Intel 8085

1.4.4 Penyahkod Suruhan (Instruction Decoder)

- Penyahkod suruhan biasanya adalah Ingatan Baca Sahaja (ROM) dimana ia berfungsi bagi menterjemahkan kod binari ke bentuk operasi atau turutan operasi. Sebagai contoh kod 10111001 bermakna add

- fungsi : menterjemah suruhan dan dihantar ke unit kawalan bagi menjalankan proses seterusnya

1.5 Binaan Dalaman Mikropemproses 6800 dan 68000 (Motorola)

1.5.1 Mikropemproses Motorola 6800 (MC6800)

Ciri-ciri :- bas alamat : 16 bit- bas data : 8 bit- saiz ingatan 216 = 65536 alamat

7 0AccA Accumulator A

4

AccB Accumulator B15 0

IX Index Register

PC Program Counter

SP Stack Pointer

7 0H I N Z V C Condition Codes Register

C – Carry, V – Overflow, Z – Zero, N – Negative, I – Interrupt, H – Half Carry

Fungsi –fungsi daftar

(i) Accumulator - memegang data sementara / simpan hasil operasi ALU

(ii) Program Counter - pegang alamat bagi arahan yang akan dilaksanakan

(iii) Index Register - digunakan dalam pengalamatan berindeks

(iv) Stack Pointer(Penunjuk tindanan) - diguna bagi menunjukkan kawasan ingatan yang khas dipanggil tindan / stack - tindanan adalah kawasan ingatan (RAM) yang disimpan bagi tujuan menyimpan kandungan daftar di dalam CPU apabila sampukan (interrupt) berlaku atau apabila arahan yang melibatkan subrutin dilaksanakan.

(v) Condition Codes Register- Carry Flag : disetkan (C=1) jika carry dihasilkan, bit yang dihasilkan keluar dari 7 bit (contoh : percampuran dua nombor

yang menghasilkan jawapan lebih daripada 255) atau bila berlaku borrow iaitu keluar dari 7 bit (contoh : operasi penolakan)- Overflow Flag : disetkan(V=1) apabila berlaku limpahan hasil operasi arithmetik. Bagi nombor binari 8 bit, nombor yang

dapat diwakili adalah (-128) hingga (+ 127). Sekiranya pencampuran dua nombor positif menghasilkan jawapan lebih 127, maka bendera overflow akan disetkan

- Interrupt : bendera ini digunakan bagi melayan sampukan jenis IRQ. Jika I=1, sampukan IRQ tidak dilayan, jika I=0 sampukan jenis IRQ akan dilayan. Kesimpulan : Dengan menguji flag (bendera), CPU akan mengetahui samada arahan bercabang bersyarat perlu dilaksanakan atau tidak.

1.5.2 Mikropemproses Motorola 68000 (MC68000)

Ciri-ciri- Bas alamat : 24 bit (A0 - A23)- Bas data : 16 bit (D0 – D15) - saiz ingatan 224 = 1677216 alamat

Bit 31 16 15 8 7 0D0D1

5

DaftarData

D2D3D4D5D6D7

A0

DaftarAlamat

A1A2A3A4A5A6

A7 Stack Pointer

PC Program Counter15 0

CCR Condition Codes

Fungsi –fungsi daftar

(i) Daftar Data (D0 – D7)- boleh digunakan bagi operasi data samada 8 bit (byte), 16 bit (word) atau 32 bit (longword)- digunakan bagi memegang data sementara sebelum atau selepas operasi ALU- operasi ALU yang menggunakan data yang disimpan di dalam daftar adalah lebih cepat dilaksanakan, ini disebabkan CPU

tidak perlu mencapai data daripada memori- tidak mempengaruhi bit bendera

(ii) Daftar Alamat(A0 – A7)- berguna apabila dipertengahan operasi data perlu diubah

(iii) Penunjuk Tindanan (SP)- terdiri drpd USP (User Stack Pointer) dan SSP (Supervisor Stack Pointer)- jika salah satu daftar aktif pada satu masa, maka kedua-dua dirujuk sebagai A7

(iv) Pembilang Aturcara (PC)- Memegang alamat operasi berikutnya

(v) Daftar Status

System Byte Condition Codes Register / user byteT S I2 I1 I0 0 0 0 X N Z V C

C : Carry, V : Overflow, Z : Zero, N : Negative, X : ExtendI0, I1 , I2 : Interrupt MaskS : Supervisor StateT : Trace Mode

- Carry (C)o C=1 jika berlaku bawaan pada MSB iaitu apabila operasi berlaku

- Overflow (V)o V=1 jika hasil operasi arithmetik memperolehi limpahan

- Zero (Z)o Z=1 jika hasil operasi arithmetik adalah 0

- Negative (N)o N=1 jika hasil operasi arithmetik memperolehi nombor negatif

- Extend (X)o Multiprecision arithmetic operations

- Interrupt Mask Bits (I0, I1 , I2)6

o Merujuk kepada IC 68000, pin IPL0, IPL1 dan IPL2 adalah talian Interrupt Requestso Apabila talian IPL0, IPL1 dan IPL2 diberi logik rendah, maka jujukan sampukan diminta, tetapi samada sampukan

tersebut perlu dilayan atau tidak bergantung kepada Interrupt Mask Bits dalam CCRo Keutamaan layanan terhadap sesuatu isyarat sampukan adalah mengikut 7 paras sampukan seperti di bawah :

Description Interrupt Levels Interrupt Mask BitsI2 I1 I0

No interrupt request Level 0 0 0 0Lowest priority Level 1 0 0 1

Level 2 0 1 0Level 3 0 1 1Level 4 1 0 0Level 5 1 0 1Level 6 1 1 0

Highest priority(Nonmaskable Interrupt)Don’t interrupt

Level 7 1 1 1

- contoh : jika mikropemproses sedang melaksanakan sampukan Level 4, mask bit diset ke 100. Sekiranya isyarat sampukan yang diterima di Level 5,6,7 maka mikropemproses akan berhenti melaksanakan operasinya lalu melayan operasi sampukan baru. Jika level 1,2,3 atau 4 diterima, maka sampukan baru diabaikan (tamatkan dulu operasi semasa, baru layan sampukan baru)

1.6 Sistem Bas

untuk menghubungkan CPU dengan ingatan dan I/O ports, satu kumpulan wayar yang dikenali sebagai ‘bus’ digunakan. Semua data, arahan dan isyarat kawalan dihantar melalui sistem bas. Sistem bas terdiri daripada bas data, bas alamat dan

bas kawalan

1.6.1 Bas Data - apabila CPU telah memilih lokasi menggunakan bas alamat, data atau arahan akan diterima atau dihantar melalui bas data.- data akan bergerak di antara CPU-ingatan, CPU-I/O atau ingatan-I/O- merupakan bas 2 hala (1 arah pada satu-satu masa)- CPU 6800 mempunyai 8 data selari untuk menghantar 8 bit data secara serentak. Saiz bas data menentukan kelajuan

pemindahan data

1.6.2 Bas Alamat - berfungsi bagi membolehkan CPU memilih lokasi memori (RAM), input atau output port apabila data hendak dihantar atau

dicapai- isyarat yang dihantar oelh CPU melalui talian ini merupakan alamat dimana maklumat hendak dihantar atau dicapai- merupakan bas 1 hala- saiz bas menentukan saiz lokasi ingatan yang boleh dicapai- contoh : komputer yang ada 16 talian alamat/bas alamat, lokasi ingatan maksimumnya ialah 216 = 65536. Alamat yang boleh

dicapai adalah dalam julat 0000 hingga FFFF

1.6.3 Bas Kawalan - talian yang mengawal seluruh sistem komputer- berfungsi bagi menyelaras pemindahan data (membawa isyarat yang menunjukkan talian Ready atau Wait)- tiap CPU mempunyai bas kawalan yang berlainan- contoh : 6800, talian kawalannya ialah R/W*(digunakan bagi menentukan samada CPU perlu membaca data dari bas data

atau menulis data ke bas data) dan RESET

1.7 Kitar pengambilan dan perlaksanaan

7

apabila komputer menjalankan sesuatu tugas dua kitar yang akan terlibat ialah Kitar Ambil (fetch cycle) dan Kitar Laksana (execute cycle)

Bagaimana Program dilaksanakan

- Sekarang cuba bayangkan bahawa program komputer dan data telah dimasukkan ke dalam komputer. Program dan data ini sebelum diproses oleh komputer akan disimpan di dalam memori (RAM). Apabila kekunci RUN ditekan, maka proses-proses berikut akan berlaku secara automatik,

1. Alamat ingatan bagi suruhan pertama akan diletakkan ke program counter (PC)2. PC akan meletakkan alamat ingatan ini ke talian alamat3. Alamat ingatan ini akan dihantar ke memori.4. Alamat ingatan ini akan dikesan, iaitu ia akan mengesan kedudukan ingatan yang dikehendaki.5. Memori akan menghantar suruhan kembali ke mikropemproses melalui talian bas data.6. Suruhan diletakkan di dalam daftar arahan (IR)7. Mikropemproses menterjemah suruhan tersebut sebelum dilaksanakan.8. PC akan ditokok dan mikropemproses bersedia menerima suruhan seterusnya.

lain-lain Istilah Penunjuk Tindan (Stack Pointer, SP)

- daftar alamat ingatan khas yang mengandungi 16-bit alamat yang dinyatakan teratas tindanan dimana data akan diletak dan diambil

- tindanan adalah sebahagian dari RAM untuk simpanan dan pengambilan sementara maklumat

Sistem Pemasaan (Timing System)- merupakan asas masa yang menentukan pergerakan kesemua komponen sistem komputer (menunjukkan kepantasan

komputer dalam melaksanakan sesuatu arahan)- litar jam menjana isyarat berkala yang dihantar ke seluruh bahagian sistem, terutamanya unit kawalan- isyarat berkala ini yang dinamakan denyut-denyut jam dan satu denyut jam memakan satu kitar jam- panjang kitar-kitar jam diukur dalam milisaat (ms atau 0.001 saat), mikrosaat (p,s atau 10-6 saat)

8

Mikropemproses ambil suruhan mengikut syarat

yang dibawa oleh bas alamat

Mikropemproses melaksanakan suruhan

tersebutFETCH EXECUTE

Instruction Register

Instruction Decoder

Instructions and data

Program Counter

Memoryaddressdecoder

bas data

bas alamat

12

6

7

8

4

5

3