BAB 2 LANDASAN TEORI. antara lain: Memory, Microprocessor, dan perangkat logika. Memory merupakan

Transkripsi

1 BAB 2 LANDASAN TEORI 2.1 Programmable Logic Device (PLD) Dalam rangkaian digital, terdapat tiga macam elemen yang digunakan, antara lain: Memory, Microprocessor, dan perangkat logika. Memory merupakan perangkat penyimpanan informasi yang dapat berupa isi dari spreadsheet dan database. Microprocessor merupakan otak dari perangkat elektronik yang memproses program. Perangkat logika merupakan penyedia fungsi-fungsi yang spesifik, seperti interface dari satu perangkat ke perangkat lain, komunikasi data, pemrosesan sinyal, display data, waktu dan pengontrolan operasi, dan hampir seluruh fungsi lain yang harus dijalankan. PLD merupakan komponen elektronik yang dapat digunakan untuk membangun rangkaian digital sesuai dengan keinginan perancang. PLD menghubungkan beberapa gerbang logika yang diatur oleh perancang hardware. Pemrograman logika berarti bahwa design chip baru dapat dicoba dan dapat dengan mudah diubah tanpa membutuhkan biaya untuk penyelesaian chip dalam pabrik semikonduktor. Dengan demikian, memory yang berdasarkan PLD bisa diprogram berkali-kali, yang memungkinkan produk dapat dikembangkan oleh pengguna, bukan hanya oleh pabrik saja. Berdasarkan jumlah gerbang logika yang dimiliki, PLD dapat dibagi atas tiga tipe, yaitu Simple Programmable Logic Device (SPLD), Complex Programmable Logic Device (CPLD), dan Field Programmable Gate Array (FPGA). 6

2 Simple Programmable Logic Device (SPLD) SPLD merupakan alat dengan gerbang AND yang dihubungkan dengan gerbang OR atau gerbang lain yang sejenis. Gerbang-gerbang ini dapat diatur sedemikian rupa oleh pemakai. SPLD dapat diprogram dengan fusible link, antifuse, EPROM, EEPROM, atau flash. Fusible link merupakan bagian dari Overcurrent Protection Device (OCPD) yang terdiri dari kawat logam yang akan meleleh ketika dipanaskan oleh suatu arus elektrik. Antifuse merupakan kebalikan dari fusible link. Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM) merupakan suatu jenis chip memory komputer yang dapat mempertahankan data ketika tegangan terputus dan data hanya dapat dihapus menggunakan sinar ultraviolet. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM) merupakan chip memory komputer yang dapat mempertahankan data ketika tegangan terputus dan data dapat dihapus secara elektrik. Flash merupakan memory komputer yang dapat mempertahankan data ketika tegangan terputus serta dapat menghapus dan menyimpan data secara elektrik.

3 Complex Programmable Logic Device (CPLD) CPLD dibuat pertama kali oleh Ross Freeman pada pertengahan tahun 1980 dan Field Programmable Gate Array (FPGA) dibuat pertama kali pada tahun CPLD adalah gabungan dari beberapa SPLD yang dihubungkan oleh Programmable Switching Matrix. Jadi, CPLD merupakan sebuah programmable logic device dengan kompleksitas antara Programmable Array Logic (PAL) dan FPGA Karakteristik CPLD CPLD memiliki sifat non-volatile yang diadopsi dari PAL, dan memiliki banyak gerbang yang diadopsi dari FPGA, meskipun gerbang PAL tidak sebanyak FPGA. Jumlah gerbang yang terdapat pada IC CPLD berkisar antara ribuan sampai ratusan ribu gerbang logika Arsitektur CPLD CPLD disusun atas Logic Block, I/O Block, dan Pragrammable Interconnect. Logic Block memiliki macrocell yang terdiri dari sebuah SPLD dan sebuah flip-flop. I/O Block merupakan bagian pada CPLD yang digunakan sebagai interface data yang akan masuk dan keluar pada CPLD, Programmable Interconnect digunakan sebagai penghubung antar macrocell atau antara macrocell dengan I/O Block.

4 9 Logic Block Logic Block Logic Block Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Macrocell Programmable Interconnect I/O Block Gambar 2.1 Arsitektur CPLD Field Programmable Gate Array (FPGA) FPGA merupakan rangkaian combinational dan sequential yang dikombinasikan sedemikian rupa untuk bisa diimplementasikan langsung pada silicon. Merupakan salah satu bagian dari application-specific integrated circuit (ASIC) yang memiliki performance tinggi tetapi memiliki fungsi yang spesifik (special purpose). Fungsi yang spesifik berarti hasil rangkaian yang dibuat hanya dapat melakukan satu proses khusus, contoh : jika user membuat rangkaian Full Adder, maka rangkaian ini hanya dapat melakukan penjumlahan saja. Jadi FPGA merupakan hardware yang dapat diprogram dengan mengganti instruksi. Perancangan hardware FPGA dilakukan dengan cara mengatur koneksi antara ratusan ribu transistor yang tersedia pada chip sehingga terbentuk sebuah fungsi baru dalam suatu aplikasi baru.

5 Karakteristik FPGA Karakteristik FPGA yang tidak dimiliki oleh PLD lain adalah gerbang logika yang berjumlah antara puluhan ribu sampai jutaan gerbang logika. Sifat pemrograman pada FPGA ada dua jenis yaitu : Non-volatile Pada jenis non-volatile data tidak akan hilang jika tegangan terputus, tetapi jumlah pemrograman yang bisa ditangani lebih sedikit, dan pemrograman relatif lebih lambat dibandingkan dengan jenis volatile. Contoh : ROM. Volatile Pada jenis volatile, data akan hilang jika tegangan terputus, tetapi jumlah pemrograman yang bisa ditangani lebih banyak, dan pemrograman relatif lebih cepat dibandingkan dengan jenis non-volatile. Oleh karena itu, untuk menyimpan data pada FPGA jenis ini, digunakan external memory. Contoh : RAM Arsitektur FPGA FPGA terdiri dari Configurable Logic Blocks (CLB), Input / Output Blocks (IOB), dan Programmable Switch Matrix (PSM). CLB merupakan blok untuk membangun komponen-komponen combinational / sequential. Untuk dapat membentuk CLB dibutuhkan truth table dalam membangun jalur logika. IOB

6 11 merupakan blok yang digunakan untuk mengirimkan sinyal keluar dari chip dan sekaligus membaca sinyal yang masuk ke dalam chip. PSM merupakan penghubung yang bisa diatur sedemikian rupa untuk menghubungkan antar CLB dan CLB dengan IOB secara horizontal maupun secara vertikal, serta dapat mengeluarkan fan out (kemampuan untuk mengirimkan data ke banyak sumber untuk dijadikan input sekaligus) untuk multiple output. Jadi, output dari CLB yang satu dapat dihubungkan ke input CLB yang lain melalui multiple PSM. Meskipun pada dasar arsitektur FPGA ditunjukkan seperti gambar 2.2, tetapi masing-masing vendor memiliki cara tersendiri dalam mengatur isi dari struktur masing-masing blok. Gambar 2.2 Arsitektur FPGA

7 12 gambar 2.3. Proses pemrograman pada FPGA dapat dilihat pada Gambar 2.3 Flowchart pemrograman pada FPGA Berikut penjelasan dari masing-masing bagian flowchart diatas : Design Entry Pada bagian ini, user memulai proses perancangan rangkaian logika yang akan diimplementasikan dalam programable logic device. Proses perancangan ini dapat dikerjakan dalam dua cara yang berbeda, yaitu text entry dan schematic entry. Text entry, user harus mengerti bahasa pemrograman Hardware Definiton Language (HDL) seperti VHDL atau Verilog.

8 13 Gambar 2.4 Text Entry yang menggunakan VHDL Schematic entry merupakan cara mendesain rangkaian logika berdasarkan rancangan schematic. Gambar 2.5 Schematic Entry Functional Simulation Tujuan dari functional simulation dalam design flow adalah memastikan bahwa desain rangkaian logika yang dibuat bekerja sesuai dengan keinginan user. Proses ini disimulasikan dengan memberikan input waveforms dan mengecek output untuk semua kemungkinan kombinasi input menggunakan waveform editor.

9 14 Gambar 2.6 Contoh Functional Simulation Synthesis Pada proses ini, rangkaian logika yang dibuat akan dioptimasi dengan meminimalkan jumlah penggunaan gerbang, mengganti elemen logika dengan elemen logika lain yang mempunyai fungsi sama, tetapi lebih efisien dalam penggunaan gerbang, serta mengeliminasi logika yang tidak diperlukan. Hasil terakhir dari proses synthesis adalah netlist yang mendeskripsikan rangkaian logika yang sudah dioptimasi. Netlist adalah daftar connection yang mendeskripsikan komponen dan bagaimana komponen tersebut saling tersambung. Implementation Proses ini meliputi mapping, placing, and routing desain sehingga desain tersebut dapat diimplementasikan ke IC FPGA sesuai dengan arsitektur dan konfigurasi pin IC FPGA tersebut.

10 15 Timing Simulation Proses ini memverifikasi rangkaian tersebut bekerja dengan frekuensi yang diinginkan dan tidak ada propagation delay atau permasalahan waktu lain yang akan berpengaruh kepada sistem secara keseluruhan Device Programming Proses ini akan membuat bitstream yang merepresentasikan desain akhir dan akan dikirim ke target device Perbandingan antara SPLD, CPLD dan FPGA Gambar 2.7 Grafik Perbandingan SPLD, CPLD dan FPGA 2.2 VHDL VHDL merupakan kepanjangan dari VHSIC Hardware Description Language. VHSIC berarti Very High Speed Integrated Circuit program. Program ini telah dikembangkan oleh departemen pertahanan dengan tujuan untuk mengembangkan suatu generasi baru IC dengan kecepatan tinggi. Sebuah tim dari departemen pertahanan telah ditugaskan untuk mengembangkan bahasa ini

11 16 dan versi pertama diluncurkan pada tahun Setelah itu bahasa ini disahkan pada tahun 1987 oleh Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) dan menjadi standar IEEE (Yalamanchili, 2001, p1). VHDL dapat digunakan sebagai dokumentasi, pembuktian, dan sintesa pada perancangan digital berukuran besar. VHDL menggunakan tiga pendekatan untuk mendeskripsikan hardware, antara lain : Metode structural Data flow Behaviour ( 2007) Metode Structural membagi rancangan ke dalam beberapa blok agar mudah dimengerti dan diatur, blok-blok tersebut kemudian dihubungkan hingga membentuk rancangan yang utuh. Setiap blok yang berdiri sendiri pada VHDL disebut entity. Entity juga digunakan sebagai antar muka dari komponen. Komponen tersebut akan digunakan sebagai sebuah instance (sub block). Component instance merupakan salinan dari sebuah komponen yang dihubungkan ke bagian dan sinyal lain. Data Flow merupakan jalur yang digambarkan dengan menyatakan bagaimana input dan output dalam komponen primitive (seperti gerbang logika AND) terhubung.

12 17 Behaviour berbeda dengan metode structural dan data flow, Behaviour tidak benar-benar menggambarkan bagaimana rancangan diimplementasikan. Dasar dari behaviour adalah adalah pendekatan kotak hitam (black box) dalam melakukan pemodelan, tidak peduli apa isi kotak hitam tersebut dan bagaimana cara kerja dari isi kotak hitam tersebut. Penjabaran behaviour didukung oleh proses statement yang muncul dalam badan architecture declaration seperti pada saat sequential statement yang ditemukan dalam bahasa pemrograman. 2.3 Keyboard Keyboard merupakan suatu alat yang berfungsi untuk memberikan input data ke PC. Keyboard standard memiliki 104 tombol, yaitu: tombol ketik (57 tombol), tombol sistem (2 tombol), tombol aplikasi (1 tombol), tombol fungsi (12 tombol), tombol angka (16 tombol), tombol arah (4 tombol), tombol enter (2 tombol) dan tombol lain-lain (10 tombol) seperti yang terlihat pada gambar 2.8. Gambar 2.8 Tombol-tombol keyboard Cara kerja suatu keyboard adalah dengan the key matrix, microprocessor dan circuit controller. Key matrix adalah jalur yang saling menghubungkan antar

13 18 tombol satu dengan tombol yang lain, sehingga apabila ada input dari user, microprosesor dan circuit controller dapat mengenali input tersebut. Sedangkan microprosesor dan circuit controller adalah tempat mengolah data yang diberikan oleh key matrix, seperti yang terdapat pada gambar 2.9 dan gambar Gambar 2.9 Key matrix Gambar 2.10 Microprosesor dan Circuit Controller Port keyboard terdiri dari 6 pin yang terlihat seperti gambar 2.8 yang terdiri dari pin data, pin gnd, pin vcc, pin clock dan 2 pin yang tidak dipakai. Gambar 2.11 PS/2 Port Komunikasi keyboard adalah komunikasi serial dengan cara kerja ketika keyboard ditekan maka sinyal PS/2CLK dari kondisi idle (Logic High) akan berubah ke logic low dan berubah lagi ke logic high pada setiap bit data yang dikirimkan keyboard hingga data selesai dikirimkan. PS/2Data dikirim bersamaan dengan PS/2CLK. Ketika PS/2CLK berjalan PS/2Data akan berubah ke logic low yang bearti kondisi start setelah itu dikirimkan 8 bit data, satu parity bit (pengecekan kesalahan memakai odd parity ), dan bit terakhir adalah stop bit

14 19 (penanda bahwa data sudah selesai dikirimkan). Timing diagram keyboard dapat dilihat pada gambar Contoh jika menekan tombol A maka paket data yang dikirim adalah 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0. Gambar 2.12 Timing diagram keyboard 2.4 Monitor Monitor merupakan suatu alat yang berfungsi untuk menampilkan data berupa tulisan atau gambar dari sebuah komputer Monitor Cathode Ray Tube (CRT) CRT merupakan salah satu dari tipe monitor. CRT menggunakan sebuah electron gun untuk menembakkan sinar elektron pada sebuah metal grille / mask yang berada didalam layar kaca monitor. Layar dilapisi dengan phosphor yang berwarna merah, hijau, atau biru untuk membuat warna dan memproduksi gambar. Dengan menembakkan electron gun pada warna yang tepat dengan intensitas yang berbeda dapat memproduksi seluruh spectrum warna Tipe layar monitor CRT Ada 3 tipe grilles yaitu aperture grille, shadow mask, dan slot mask. Setiap tipe memiliki karakteristik masing-masing.

15 Shadow Mask Layar Shadow Mask adalah sebuah layar metal dengan lubang kecil-kecil. Cara kerja dari shadow mask adalah tiga electron beam melewati lubang-lubang untuk fokus pada satu titik permukaan phoshor tampilan CRT. Tugas shadow mask adalah mengatur electron beam agar dapat tampil sesuai yang diharapkan. Gambar dari shadow mask seperti yang terlihat pada gambar 2.13 dan gambar Gambar 2.13 Shadow Mask Gambar 2.14 Tampilan pointer Aperture Grille Tabung Aperture Grille mengirimkan sinar elektron pada sebuah array dari kabel vertical tipis. Grille didukung oleh satu atau dua kabel horizontal yang bisa menyebabkan garis yang tidak kelihatan yang muncul pada layar putih. Kebanyakan pemakai tidak menyadari

16 efek ini jika tidak benar-benar dilihat. Contoh dapat dilihat pada gambar 2.15 dan Gambar 2.15 Aperture Grille Gambar 2.16 Tampilan huruf e Slot Mask Layar Slot Mask merupakan gabungan dari Aperture Grille dan teknologi Shadow Mask. Dalam rangka untuk meningkatkan jumlah elektron pada Mask. Gambar 2.17 Tampilan pada Slot Mask Resolusi Sebuah layar monitor dibuat berdasarkan titik warna tersendiri (disebut: pixel). Resolusi monitor merupakan jumlah pixel yang terkandung dalam sebuah layar. Secara garis besar resolusi ditunjukkan dengan memberikan jumlah pixel yang berada pada sumbu horizontal dan

17 22 jumlah pixel yang berada pada sumbu vertical. Contoh seperti 1024 x 768, berarti ada 1024 pixel pada sumbu horizontal dan 768 pixel pada sumbu vertical. Semakin besar resolusi akan menghasilkan grafik yang lebih halus dan bisa meletakkan lebih banyak informasi sekaligus Kedalaman Warna Kedalaman Warna (color depth) mengidentikasikan berapa banyak warna yang bisa ditampilkan pada layar monitor Refresh Rate Refresh Rate merupakan berapa kali dalam 1 detik gambar pada layar CRT ditampilkan ulang Dot pitch Dot pitch mengindikasikan berapa ketajaman dari gambar tersebut. Ukuran dot pitch dihitung dalam millimeter (mm) yang bearti semakin kecil angka semakin tajam gambar tersebut. Gambar 2.18 Dot pitch

18 Standar tampilan computer Tabel 2.1 Standar tampilan komputer Standard Nama Resolusi Aspect Kedalaman Video Panjang Tampilan Ratio Warna EGA Enhanced Graphics 640 x : 35 4 bpp Professional Grapichs Controller Adapter x : 3 8 bpp Multicolor Graphics 320 x : 10 8 bpp MCGA Adapter 640 x : 3 1 bpp x : 3 8 bpp 640 x : 3 4 bpp Video Graphics 640 x : 35 4 bpp VGA 320 x : 10 4/8 bpp Arrray 720 x :5 4 bpp SVGA Super VGA 800 x : 3 4 bpp XGA XGA+ Extended Graphics 1024 x : 3 8 bpp Adapter 640 x : 3 16 bpp Extended Graphics 1152 x : 3 8 bpp Adapter Plus 640 x : 3 16 bpp Widescreen 1280 x : 9 WXGA Extended Graphics 1280 x 800 atau 32 bpp Arrray 1440 x : 10 SXGA Super XGA 1280 X : 4 32 bpp WXGA+ Widescreen Extended Graphics Adapter Plus 1140 : : bpp UXGA Ulta XGA 1600 x : 3 32 bpp Widescreen Ultra WUXGA Extended Graphics Adapter 1920 : : bpp 2K DLP Cinema Technology bpp - 24 FPS QXGA Quad XGA 2048 x : 3 32 bpp WQXGA Widescreen Quad XGA 2560 x : bpp QSXGA Quad Super XGA 2560 x : 4 32 bpp WQSXGA Wide Quad Super XGA 3200 x : bpp QUXGA Quad Ultra XGA 3200 x : 3 32 bpp WQUXGA Wide Quad Ultra XGA 3840 x : bpp 4K DLP Cinema Technology bpp - 24 FPS HXGA Hex XGA 4096 x : 3 32 bpp WHXGA Wide Hex XGA 5120 x : bpp HSXGA Hex Super XGA 5120 x : 4 32 bpp WHSXGA Wide Hex Super XGA 6400 x : 3 32 bpp WHUXGA Wide Hex Ultra XGA 7680 x : bpp Monitor Protocol Monitor protocol merupakan suatu standar susunan data yang akan dikirimkan ke monitor agar monitor dapat mengenal data apa yang

19 dikirim ke monitor. Beberapa tipe monitor protocol yang dibahas adalah Digital Video Interface (DVI), dan Video Graphic Array (VGA) Digital Video Inteface (DVI) Merupakan standard video interface yang didesain untuk memaksimalkan kualitas tampilan dari layar digital seperti flat panel CRT layar komputer dan proyektor digital. DVI didesain terutama untuk membawa data digital video yang belum dicompress manjadi sebuah tampilan. Secara terpisah DVI compatible dengan standard High Definition Multimedia Interface (HDMI) dalam digital mode (DVI-D). Gambar 2.19 Konektor DVI Video Graphic Array (VGA) Merupakan standar tampilan komputer analog, pertama dipasarkan pada tahun 1987 oleh IBM. Layar terbentuk dari sebuah pixel matrix yang berukuran 640 pixel mendatar dan 480 pixel menurun (jumlah pixel pada mendatar dan menurun bisa

20 lebih besar atau lebih kecil). Suatu berkas elektron mewarnai masing-masing pixel dari kiri ke kanan dan dari atas ke bawah. 25 Gambar 2.20 Pixel koordinat Gambar 2.21 Konektor VGA Horizontal Timing dan Vertical Timing VGA Monitor Gambar 2.22 Timing diagram monitor Sync pulse time (T s ) adalah waktu penjumlahan antara T DISP + T PW + T FP + T BP.

21 26 Display time (T DISP ) adalah waktu dimana menampilkan gambar pada monitor. Pulse width (T PW ) adalah waktu sesudah back porch. Front porch (T FP ) adalah waktu sesudah T DISP. Back porch (T BP ) adalah waktu sebelum T DISP. Tabel 2.2 Vertical timing Model Sync Pulse Time Pulse Width Back Porch Display Time Front Porch Name VGA pix (µs) pix (µs) pix (µs) pix (µs) pix (µs) 640x Hz x hz x Hz x Hz x Hz 800x Hz 800x Hz ( ) Tabel 2.3 Horizontal timing Mode Sync pulse time Pulse width Back porch Display time Front porch Name VGA (pix) (pix) (pix) (pix) (pix) 640x480 60Hz x480 72Hz x400 70Hz x350 70Hz x600 56Hz x600 60Hz x600 72Hz ( )

22 27 Perhitungan timing untuk monitor tidak ada yang baku. Setiap user dapat merancang sendiri timing untuk monitor Penggabungan Horizontal Timing dan Vertical Timing Gambar 2.23 Penggabungan horizontal timing dan vertical timing Visible area merupakan daerah yang akan ditampilkan pada monitor, selain daerah visible area tidak dapat dilihat pada monitor.