Sistem Bus dan USB

Sistem Bus

Devais yang terhubung bersama akan berkomunikasi melalui bus alamat, data dan control.  Ketika suatu devais ingin berkomunikasi dengan lainnya, ia mengirim alamat untuk membedakan dengan devais lainnya, dimana tiap devais mempunyai alamat yang unik. Devais master ialah devais yang menginisiasi dan mengontrol komunikasi, sedangkan devais perespon disebut sebagai slave.

Untuk mengkoordinasikan aktifitas diantara bagian sistem komputer, bus-bus harus mengikuti aturan pewaktuan dan sinyal yang spesifik. Protocol bus merefer pada spesifikasi untuk sebuah bus. Protokol bus yang umum ialah synchronous dan asynchronous.  Pada protokol synchronous, aktifitas bus disinkronkan dengan frekwensi pusat yaitu frekwensi sistem.  Pada IBM PC, CPU mengakses memori menggunakan protokol synchronous.

Motherboard PC kita terdiri dari beberapa bus yang menghantarkan sinyal antar masing-masing komponen.  Bus sering  disebut juga dengan lintasan umum yang digunakan untuk transfer data. Jalur ini juga dapat untuk komunikasi antar dua buah komputer atau lebih.yang mana di dalam motherboard ini mempunyai tiga macam bus yang disusun secara hirarkis, bus yang lambat di hubungkan di bawah bus yang cepat. Setiap peripheral  komputer terhubung pada salah satu dari bus-bus ini, dan chipset berfungsi sebagai jembatan atas bus yang berbeda. Berikut ini bus utama dalam sistem komputer modern :

§         Bus Prosessor. Disebut juga dengan front-side bus (FSB), merupakan bus tercepat pada komputer dan merupakan inti dari chipset (dan motherboard). Utamanya, bus ini di gunakan oleh mikroprosesor untuk melewatkan informasi ke / dari chache atau memori utama, dan juga ke chipset north-bridge. Bus prosessor pada komputer sekarang berjalan pada kecepatan 66MHz, 100MHz, 133MHz,atau 200Mhz menggunakan lebar jalur data 64 bit (8 byte).

§         Bus ISA . Bus 16-bit 8MHz. kecepatan ini sangat rendah namun cukup ideal untuk peripheral yang memang berkecepatan rendah, termasuk piranti lama. Untuk keperluan modem, sound-card, dan piranti berkecepatan rengdah lain bus   ini masih mencukupi. Komputer generasi terakhir seperti Pentium 4 relatif tidak menyertakan bus / slot ini didalamnya. Pada chipset south-bridge terdapat controller yang bekerja sebagai bus ISA sekaligus interface dengan bus PCI diatasnya.Chip super I/O biasanya terhubung kepadanya , terutama pada sistem lama yang masih memiliki slot ISA. Bus lain bernama EISA hasil dari arsitektur Micro Channel IBM untuk kompatibel dengan PC. IBM Micro Channel Architecture (MCA)  sendiri selesai  dibuat pada tahun 1987 ketika mikroprosesor 80386 diluncurkan tahun 1985.

§         VESA(Video electronics Standards Association), dikenal sebagai VESA local bus atau VL bus. VL Bus versi 1.0 ialah bus 32 bit yang dapat bekerja hingga 33MHz.

§         Bus PCI . Bus 32-bit yang normalnya berjalan pada 33MHz. Komputer yang modern mendukung PCI 64-bit 66MHz. bus ini terdapat baik pada chipset north –bridge atau pada I/O controller hub. Disajikan di motherboard sebagai slot 32-bit yang umumnya berwarna putih sebanyak 3 dan 6 slot dan banyak digunakan oleh peripheral komputer yang membutuhkan kecepatan tinggi  misalnya SCSI, kartu jaringan (Network Interface Card, NIC), dan lain-lain.

§         Bus AGP . Bus cepat 32 bit yang khusus untuk kartu grafis / video. Berjalan paada kecepatan 66MHz (AGP 1x),133MHz (AGP 2x), 266 MHz (AGP 4x), atau 533MHz (AGP 8x) yang akan menghasilkan bandwidth hingga sebesar 2,133MB/det. AGP di hubungkan ke north-bridge atau memori controller hub pada chipset dan konektornya pada  motherboard yang diwujudkan dalam bentuk slot AGP pada system yang mendukungnya, umumnya berwarna coklat.

Pada motherboard ada juga bus yang tersembunyi misalnya LPC. Bus ini hanya terdapat pada chipset arsitektur hub dan tidak ada konektor hubungan keluar yang dapat dilihat. Berikut penjelasan singkat mengenai bus-bus yang umum digunakan sebagai interfacing dengan berbagai kartu (cards)

ISA (Industrial Standard Architecture)

Bus ISA dikembangkan oleh IBM di Boca Raton, Florida. Ketika IBM memperkenalkan IBM PC tahun 1981, digunakanlah bus ISA 8 bit, namun pada bulan Agustus 1984 IBM memperkenalkan IBM PC-AT (Advance Technology) yang menggunakan bus ISA 16 bit.Slot ISA terdiri dari 16 bit, meskipun tersedia yang 8 bit yang merupakan subset dari ISA 16 bit. Oleh karena itu kartu ISA 8 bit dapat dipasang pada slot ISA 16 bit namun tidak sebaliknya.

Slot ISA ini paling tepat dijadikan praktikum interfacing komputer karena kemampuan chip yang kita gunakan umumnya sesuai dengan kecepatan dan lebar data bus ISA. Pada ISA 8 bit hanya terdapat sebuah pengontrol  DMA (DMA Controller). Bus ISA 16 bit mempunyai 2 buah pengontrol DMA yaitu master dan slave. Pengontrol DMA dapat diprogram untuk transfer baca (data dibaca dari memori ke piranti I/O), transfer tulis (data dibaca dari piranti I/O ke memori) dan transfer verify yang digunakan oleh DMA kanal 0 untuk merefresh RAM/memori di komputer.

Ketika IBM PC XT diperkenalkan, ia hanya memiliki sebuah kontroler interupsi yaitu dari IC 8259 yang hanya bisa mengalamati 8 interupsi. Baru pada computer IBM PC AT dan seterusnya mempunyai pengontrol kedua dalam kombinasi master /slave. Sinyal interupsi bisa berupa edge triggered atau level triggered. Umumnya secara default ialah edge triggered dan aktif tinggi. Berikut Tabel perbandingan Bandwith ISA, EISA, dan Micro Channel Bus .

            Tabel 11.1 Karakteristik berbagai Bus

Karakteristik	ISA	EISA	Micro Channel
Maks. jalur data	16 bit	32 bit	32 bit
Kecepatan slot bus ekspansi	8	8	10
	8	16	20

Semakin canggih komputer, yang membutuhkan kecdepatan bus yang berbeda (missal port ISa dengan VGA Card), para desainer motherboard mendesain ulang bus yang disebut sebagai local bus. Ide dari local bus ialah mengakses sistem bus pada kecepatan yang sama dengan mikroprosesor atau mendekatinya.  Pada mikroprosesor berkecepatan 33MHz yang memiliki bus local dan ISA, kecepatan bus ISA terbatas hanya 8 MHz, tetapi sinyal local bus diakses pada kecepatan yang sama dengan CPU, yaitu 33MHz.

PCI (Peripheral Component Interconnect)

Setelah munculnya bus ISA yang mempunyai keterbatasan kecepatan dan jumlah bit, dikenalkan lagi bus EISA (Extended ISA), VESA (Video Electronics Standard Association) dan PCI, karena hadirnya mikroprosesor kecepatan tinggi seperti 486 dan Pentium dibutuhkan bus dengan bandwith  kecepatan tinggi. PCI berbasis pada local bus yang cepat. Pada perkembangannya, PCI diadopsi menjadi standar industri di bawah administrasi dari PCI Special Interest Group (PCI-SIG) yang kemudian definisi dari PCI diperluas menjadi konektor standa interface bus (slot) ekspansi.

PCI mempunyai interface sebesar 64 bit dan mengimpelentasikan lebar jalur  32 bit untuk bus data dan alamat (AD[31:0]) (bandingkan dengan  ISA ,16 bit). PCI ialah bus dengan arsitektur sinkronous, yakni bus dimana semua transfer data dijalankan secara relatif bersamaan terhadap pulsa detak sistem. PCI yang sekarang, spesifikasinya diperluas untuk mendukung operasi pada 133 MHz, namun yang banyak digunakan komputer sekarang tetap 33 MHz.

PCI mendukung mekanisme auto-configuration dimana setiap piranti PCI terdapat sekelompok register konfigurasi yang memungkinkan identifikasi/pengenalan akan jenis piranti seperti SCSI , Video, Ethernet dan lainnya. PCI mendukung pemakaian tegangan 5 V dan 3.3 Volt. Namun pin tegangan 3.3 Volt baru dihubungkan ke slot PCI pada komputer keluaran terakhir. PCI local bus adalah independen, dapat digunakan pada berbagai mikroprosesor, bukan hanya pada prosesor INTEL.

AGP (Accelerated Graphics Port)

AGP didesain untuk motherboard Pentium II ke atas, AGP dianggap mampu bekerja 4 kali lebih cepat dibandingkan bus PCI yang menggunakan pipelining. Bus ini dibuat oleh intel sebagai bus yang didisain khusus untuk aplikasi video dan grafis.

Tabel 11.2 Perbedaan AGP dengan PCI

AGP	PCI
Permintaan Pipelined	Tidak pipelined
Address/data de-multiplexed	Address/data multiplexed
Peak pada 533MB/s dalam 32 bits	Peak pada 133MB dalam 32 bits
Single target, single master	Multi-target, multi-master
Hanya Memory read/write	Link ke seluruh sistem
Antrian prioritas High/low	Tidak ada  Antrian prioritas

Karena kelebihan inilah AGP mampu membuat frame rate lebih bagus dan menampilkan grafik 3D yang lebih realistis. AGP berbasis pada PCI dengan beberapa tambahan dan peningkatan, namun secara elektris maupun logis tidak bergantung pada PCI. Namun memiliki tambahan sinyal , letaknya juga dibedakan dengan slot PCI. Dalam sebuah motherboard hanya bisa terdapat 1 slot AGP.

AGP 1.0 dirilis juli 1996 dengan ketentuan clock rate  66MHz dengan pensinyalan 1x atau 2x dengan menggunakan tegangan kerja sebesar 3.3Volt. AGP versi 2.0 dirilis Mei 1998 dengan tambahan kemampuan pensinyalan 4x dan tegagan kerja 1.5Volt. slot untuk AGP 1x/2x berbeda dengan slot AGP 4x, dimana pada AGP 4x tidak terdapat pembagi di tengah slot ( sebagai key notch ). Penting : beberapa motherboard yang menyediakan AGP 4x hanya mendukung AGP 4x dan tegangan 1.5 Volt artinya tidak kopatibel dengan versi sebelumnya. 

Transfer Data

Bus  PCI saat ini mendukung transfer data hingga 132 MB/s, dimana AGP (pada 66MHz) mendukung hingga 533 MB/s. AGP  dapat melakukan ini karena kemampuannya untuk mentransfer data pada ujung naik dan turun detak 66MHz.

Gambar 11.1 Diagram arsitektur AGP

DIME (Direct Memory Execute) ialah fitur yang paling penting dari AGP. Chip grafik AGP mempunyai kemampuan untuk mengakses memori utama secara langsung untuk operasi complex dari pemetaan bentuk.

USB (Universal Serial Bus)

Mengenal USB

USB ialah port yang sangat diandalkan saat ini dengan bentuknya yang kecil dan kecepatan datanya yang tinggi. Anda dapat menghubungkan hingga 127 produk usb dalam 1 komputer. USB versi 1.1 mendukung 2 kecepatan yaitu mode kecepatan penuh 12Mbits/s dan kecepatan rendah 1.5 Mbits/s. USB 2.0 mempunyai kecepatan 480Mbits/s yang dikenal sebagai mode kecepatan tinggi.

Saat ini transfer data menggunakan port USB sudah semakin marak, port USB menjadi pilihan utama karena ukuran yang ringkas dan kecepatan transfer data yang cukup besar.  Sebagai perbandingan, Bus  PCI saat ini mendukung transfer data hingga 132 MB/s, dimana AGP (pada 66MHz) mendukung hingga 533 MB/s. AGP  dapat melakukan ini karena kemampuannya untuk mentransfer data pada ujung naik dan turun detak 66MHz.

Ada dua macam konektor USB : konektor A untuk hubungan ke host dan konektor B untuk hubungan ke peranti USB . Secara fisik dapat dibedakan dengan mudah  untuk menghindari kesalahan pemasangan.

   

                                      

Konektor jenis A     Konektor jenis B

Gambar 11.2   Konektor USB

Untuk  menghubungkan lebih luas seperti menghubungkan ke piranti berukuran kecil layaknya seperti handphone, PDA, dan sebagainya. Dibuat untuk konektor mini-A dan mini-AB. Semua jenis konektor USB di hubungkan dengan empat kabel sebagaimana tabel   berikut di bawah ini

     Tabel 11.3 Pengkabelan USB.

Pin	Warna Kabel	Fungsi
1	Merah	VBus ( 5 volt )
2	Putih	D-
3	Hijau	D+
4	Hitam	Ground

Fungsi USB

Suatu piranti USB dapat dikatakan sebagai sebuah  alat transceiver( pengirim sekaligus penerima ) Baik host maupun USB itu sendiri. Sebuah istilah baru di perkenalkan, yakni USB function yang maksudnya adalah peralatan USB yang memilki kemampuan khusus. Seperti printer, scanner, modem, dan lain-lainnya.

Karakteristik Elektris USB

Rentang tegangan kerja sinyal USB adalah 0.3 Volt sehingga 3.6 Volt pada beban 1.5 kW. Logika tinggi di dapat jika tegangan sudah melebihi 2.8 Volt terhadap ground pada beban 1.5 kW. Pada piranti USB yang berkecepatan rendah dan penuh, diferensial 1 dikirim dengan menarik D+ hingga lebih besar dari 2.8 Volt dengan sebuah resistor 1.5 kW terhubung ke ground dan sekaligus menarik D- hingga dibawah  0.3 Volt dengan sebuah resistor 1.5 kW terhubung ke 3.6 Volt. Hal yang sama diferensial 0 adalah D- lebih besar dari 2.8 Volt dan D+ lebih rendah dari 0.3 Volt dengan resistor pull-up dan pull-down yang sama. Di bagian penerima diferensial 1 di definisikan sebagai D+ lebih besar  200 mV dari D-, dan diferensial 0 berarti D+ lebih kecil dari 200mV dibanding D-. pada USB berkecepatan tinggi 480 Mbit/s digunakan sumber arus tetap 17,78 mA untuk mengurangi noise.

Data dikirim secara serial, maka piranti USB harus mampu menangani gelombang kontinyu. Gelombang ini di hubungkan langsung ke pin data USB dari sebuah sumber tegangan dengan impedansi output 39W. Sumber tegangan rangkaian terbuka untuk keperluan ini ada pada kemungkinan terburuk dari adanya overshoot dan undershoot.

Pada  koneksi USB dengan kecepatan 12 MHz digunakan kabel twisted-pair yang terlindung dengan impedansi 90W  kurang lebih 15% dan delay maksimumnya 26ns.Sedang impedansi pada drivernya harus antara 28W hingga 44W. Jika di ukur, arus yang masuk dan keluar piranti USB V1.1 tidak boleh melebihi 10,71 V_OH mA. Tegangan logika yang di masukan ke D+ dan D- tidak boleh melebihi 0.3 V_OH untuk logika rendah dan juga harus turun sebesar 0.7 V_OH untuk logika tinggi.

Karena ada piranti USB yang berkomunikasi pada kecepatan rendah 1.5 MHz, maka kombinasi kabel dan piranti USB harus mengandung kapasitas tunggal dengan nilai 200pF hingga 450pF di pin D+ dan D-. Perambatan delay pada kabel kecepatan rendah harus kurang dari 18 ns. Data sinyal yang naik turun diukur dari 10% hingga 90% dari sinyal,dengan toleransi 10%. Waktu untuk ini dari 4ns hingga 20ns, tergantung kecepatan USB yang digunakan. 

Sudah saatnya anda membangun aplikasi menggunakan port USB.  Jika anda ingin membangun sistem elektronika berbasis port USB, dapat menggunakan chip FTDI atau modul FTDI, antara lain :

·   FT2232C , IC USB UART/FIFO

 FT2232L -

   Gambar 11.3  Chip FT2232C

IC ini mempunyai fitur :

·         Single chip USB <=> asynchronous serial data transfer

·         Full handshaking & modem interface signals

·         UART interface mendukung  7/8 data bits, 1/2 stop bits dan Odd/Even/Mark/Space/No Parity

·         Data transfer rate 300 Baud => 3M Baud (TTL)

·         Data transfer rate 300 Baud => 1M Baud (RS232)

·         Data transfer rate 300 Baud => 3M Baud (RS422/RS485)

·         384 Byte Rx buffer/128 Byte Tx buffer for high data throughput

·         Rx buffer timeout  dapat disesuaikan

·         Dukungan built-in untuk  event characters dan kondisi  line break

·         Auto transmit buffer control untuk  RS485

·         Mendukung USB suspend/resume through SLEEP# and RI# pins

·         Mendukung daya tinggi USB bus powered devices melalui pin  PWREN#

·         Integrated level converter dan UART dan sinyal control untuk  interfacing ke logika 5V dan  3.3V

·         Kompatibel USB 1.1 dan USB 2.0

·         EEPROM programmable on-board melalui USB

·         FT245BM, IC USB FIFO  kecepatan tinggi

IC ini memiliki fitur yang mirip dengan IC TF2232C, untuk aplikasi Modem, PC, instrumentasi dan lain 0lainnya berbasis USB.

Selain dapat membeli chip tersebut, kita dapat juga membeli modul-modul DIP menggunakan chip FTDI, antara lain   DLP-2232M, yaitu modul menggunakan FT2232C3rd generation Dual USB UART/FIFO

                              

   Gambar 11.4  DLP-2232M

Versi lainnya seperti DLP-USB245M ialah modul ekonomis menggunakan chip FT245BM sebagai USB FIFO. Modul ini memiliki chip pendukung antara lain 93C46 EEPROM untuk kustomisasi OEM. Beberapa chip dan model lainnya dapat anda miliki dari produk FTDI.

Gambar 11.5  DLP-USB245M

Demikianlah penjabaran dari sistem bus dan penerapannya. Semoga Anda dapat mengembangkan berbagai aplikasi yang berhubungan dengan Bus Komputer.

LATIHAN :

1.        Apa yang dimaksud dengan local bus dan sebutkan cara kerja port PCI.

2.        Jelaskan perbedaan antara devais master dan slave

3.        Mengapa bus EISA kecepatannya terbatas hanya 8MHz.

4.        Sebutkan 3 karakteristik uatam dari sebuah bus

5.        Kembangkan aplikasi yang menggunakan chip FTDI FT2232C untuk aplikasi USB

6.        Apa yang disebut sebagai autoconfiguration, dan mengapa sangat diperlukan ?

7.        Jelaskan fungsi dari sinyal AEN.

8.        Berapa frekwensi dari bus ISA ?

9.        Kembangkan aplikasi menggunakan modul DIP dari produk FTDI.

10.     Berapa kecepatan dari bus PCI dan EISA