IMPLEMENTASI FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAY (FPGA) UNTUK MEMBUAT GAME RICOCHET Naskah Publikasi diajukan oleh Astona Sura Satrida 08.11.2471 Kepada SEKOLAH TINGGI MANAJEMEN INFORMATIKA DAN KOMPUTER AMIKOM YOGYAKARTA 2012
AN IMPLEMENTATION OF FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAYS (FPGA) FOR MAKING A RICOCHET GAME IMPLEMENTASI FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAY (FPGA) UNTUK MEMBUAT GAME RICOCHET Astona Sura Satrida Jurusan Teknik Informatika STMIK AMIKOM YOGYAKARTA ABSTRACT The computer technology is a support even a driver of information technology advance today. Undeniable that computer science is very impacting to the technology development. The chip technology in computation is able to competing in game industry were not only based on software but also based hardware. FPGA is a digital IC that mostly used to implementing the digital circuit. FPGA is a digital IC that mostly used to implementing the algorithm that configured using description language. The language description that used is a VHDL code (Very High Speed Integrated Hardware Description language). This research is revealing the implementation of field programmable gate array (FPGA) for making Game Ricochet. The principle that used in this research is making a ricochet game using a component at register transfer logic (RTL) level. The component that used in the framework is shift register), adder and multiplexer. The synthesis result that gained from FPGA Spartan-3E for implementing Ricochet Game is consuming 1.622 sliced component, 382 Slice Flip-Flop, 3064 4-input LUT, 14 IO, 14 Bonded IOB and 1 GCLK. While the time that needed to processing data in the Ricochet Game based on FPGA as much as 11.899ns. Keywords : FPGA, Game Ricochet, IC Digital, RTL.
1. Pendahuluan Perkembangan teknologi sering terkait erat dengan perkembangan teknologi komputer. Teknologi komputer merupakan pendukung bahkan penggerak kemajuan teknologi informasi pada jaman sekarang ini. Dan tidak bisa dipungkiri bahwa ilmu computer sangat berpengaruh kepada perkembangan Teknologi. Teknologi chip dalam komputasi mampu bersaing dalam bidang permainan tidak hanya berbasis software namun juga berbasis hardware. FPGA adalah IC digital yang sering digunakan untuk mengimplementasikan algoritma, yang dikonfigurasi menggunakan bahasa deskripsi. Bahasa deskripsi yang digunakan adalah kode VHDL (Very high speed integrated Hardware Description Language). Sehubungan dengan itu perlu adanya analisa terkait FPGA, yang dikonfigurasi menggunakan VHDL sebagai bagian dari konfigurasi FPGA untuk membuat game Ricochet. 2. Landasan Teori 2.1 Pengenalan Field Programmable Gate Array (FPGA) Field Programmable Gate Array (FPGA) merupakan sebuah IC digital yang sering digunakan untuk mengimplementasikan rangkaian digital. Bila dilihat dari segi namanya, Field Programmable dapat diartikan bahwa FPGA ini bersifat dapat dirancang sesuai dengan keinginan dan kebutuhan user atau pemakai tanpa melalui tahap burn di laboratorium atau di hardware oleh pabrik piranti. Sedangkan Gate Array artinya bahwa FPGA ini terdiri atas gerbang-gerbang digital dimana interkoneksi masing-masing gerbang tersebut dapat dikonfigurasikan antara satu sama lainnya. FPGA merupakan sebuah IC digital yang bersifat programmable. Pemakai dapat memakai IC digital ini secara berulang-ulang untuk menyesuaikan program apa yang akan didownload ke dalam FPGA ini. Program tersebut nantinya akan dibuat oleh pemakai menggunakan software yang ada untuk kemudian disimulasikan. Setelah simulasi berjalan lancar dan berhasil, program tersebut siap untuk didownload ke dalam FPGA, begitu mudah, efisien dan sederhana. Ketika program tersebut gagal untuk disimulasikan, pemakai hanya perlu menyusun ulang program dalam komputer sesuai yang dibutuhkan dan ketika siap, download lagi program tersebut ke FPGA, begitu seterusnya. Selain itu, FPGA ini bersifat volatile, yang artinya ketika sumber daya yang mensuplainya dicabut maka secara otomatis FPGA akan kehilangan fungsinya. Jadi FPGA
ini tidak mampu menyimpan program ketika supply tenaganya dicabut. User atau pemakai harus mendownload ulang program ke dalam FPGA lagi untuk mengimplementasikan program tersebut. 2.2 Pengenalan Very high speed integrated Hardwere Description Language (VHDL) VHDL adalah sebuah bahasa pemograman VHSIC (Very High Speed Intregated Circuit) yang dikembangkan oleh IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineering ). VHDL adalah termasuk bahasa pemodelan yang digunakan untuk merancang atau memodelkan rangkaian digital. Lalu keuntungan apa yang diperoleh dengan menggunakan VHDL sebagai bahasa pemodelan : VHDL mampu melakukan desain hardware hingga sampai system yang lebih kompleks. Mudah dalam mencari dan mendeteksi kesalahan dengan lebih mudah dalam simulasi. Bahasa pemograman yang mudah dimengerti dan dipelajari dengan cepat. Seperti pada bahasa pemograman yang telah kita ketahui dan dipelajari sebelumnya seperti Pascal dan C. VHDL juga memiliki struktur dan aturan yang harus dipatuhi. Di dalam VHDL juga terdapat main body program, procedure, function dan sebagainya. Sebuah system elektronik digital dapat digambarkan sebagai sebuah modul dengan inputs dan outputs. Modul sering disebut design entity dan input atau output disebut ports pada VHDL. Jika sebuah modul dapat dipecah kita akan memperoleh bagian bagian modul yang disebut dengan instances, dan sesuatu yang menghubungkan ports (input atau output) disebut signals. 3. Rancangan Blok Game Ricochet 3.1 Tampilan Game Untuk menampilkan game ricochet, FPGA Spartan-3E khususnya port VGA (Video Graphic Adapter) harus terhubung langsung ke monitor PC atau flat-panel LCD menggunakan kabel konektor. Fungsi VGA adalah mengubah sinyal digital dari komputer menjadi tampilan grafik di layar monitor, untuk desain grapik ataupun untuk bermain game. VGA ini mengacu pada konektor VGA 15-pin yang digunakan untuk mengantarkan sinyal video analog ke monitor. FPGA Spartan-3E mengubah sinyal VGA melalui resistor, setiap baris memiliki warna resistor sendiri, dengan setiap bit untuk warna Merah, Hijau dan Biru. FPGA Spartan-3E
langsung menggerakkan sinyal VGA melalui resistor. Setiap baris memiliki warna resistor seri, dengan setiap bit untuk VGA_RED, VGA_GREEN, dan VGA_BLUE. Resistor seri, dalam kombinasi dengan pemutusan 75Ω dihubungkan ke kabel VGA, memastikan bahwa sinyal warna tetap dalam 0V VGA yang ditentukan berkisar 0,7 V. Sinyal VGA_HSYNC dan sinyal VGA_VSYNC menggunakan LVTTL atau I / O LVCMOS33 standar drive, untuk menentukan agar VGA_RED, VGA_GREEN, dan sinyal VGA_BLUE Tinggi atau Rendah untuk menghasilkan delapan warna ditunjukkan pada Tabel 3.1. Berikut gambaran Warna Tampilan Kode 3-Bit. Tabel 3.1 Tabel Tampilan Warna Kode 3-Bit Merah Hijau Biru Hasil Warna 0 0 0 Hitam 0 0 1 Biru 0 1 0 Hijau 0 1 1 Biru Muda 1 0 0 Merah 1 0 1 Merah Muda 1 1 0 Kuning 1 1 1 Putih 3.2 Ringkasan Rancangan Rancangan game ricochet terdiri dari 3 modul, yaitu : Objek gerakan : yaitu kontrol gerakan dan pantulan dari objek. PS2 Reader dan Kontrol sinyal generator : Berisi perangkat PS2. Tergantung pada kode yang diterima dari perangkat PS2, sehingga menghasilkan kontrol sinyal permainan. VGA Modul untuk mode tampilan 640x480 : Berisi perangkat VGA yang menghasilkan sinyal VGA untuk 640 piksel 480 piksel dengan tampilan baris, menggunakan waktu 25MHz piksel dan 60 + /-1HZ me-refresh.
3.3 Papan Permainan Pada papan permainan ada 3 jenis benda bergerak : Satu Bola Bola dapat memiliki tiga arah gerakan dengan sudut 45, 90 atau 135. Orientasi gerakan bisa ke atas atau ke bawah. Satu Piring Lempengan ini bergerak hanya ke kiri atau ke kanan, posisi tetap pada vertikal. Gerakan ke kiri ke kanan dikendalikan oleh pemain melalui Keyboard PS2. Empat Blok Empat blok hanya bergerak horisontal. Dua blok yang bergerak dari kiri ke kanan dan dua lainnya bergerak dari kanan ke kiri. Perbatasan di bagian kiri, kanan dan atas layar menghambat bola untuk meninggalkan papan permainan. Obyek Game Tujuan dari permainan ini adalah untuk mencegah bola meninggalkan layar. Perbatasan tabrakan Di bagian kiri, kanan dan atas dari layar terdapat perbatasan untuk menghalangi bola meninggalkan layar. Ketika bola menyentuh blok, maka blok menghilang dan blok baru akan dihasilkan dalam posisi awal di sisi kiri atau kanan layar. Ada 4 tipe blok, dalam permainan blok berikut yang akan muncul, tergantung pada jenis blok : Blok Nilai (+1 poin) - blok biru : 1 Point ditambahkan ke skor. Blok Nilai (+5 poin) - blok merah : 5 Poin ditambahkan ke skor. Blok + CEPAT : Kecepatan bola meningkat. Blok - CEPAT : Kecepatan bola berkurang. Tombol keyboard Tekan ENTER untuk memulai permainan baru. Tekan SPASI untuk pause game. Tekan PANAH KIRI untuk memindahkan piring ke kiri. Tekan PANAH KANAN untuk memindahkan piring ke kanan.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Perancangan Desain shift register yang digunakan dalam membuat skripsi ini menggunakan register DFF satu bit yang terangkai seri sebanyak 8 buah. Masing-masing register DFF dikendalikan oleh clock untuk mengendalikan penjalaran datanya. Generator Polynomial digunakan untuk menentukan hubungan keluaran dari masing-masing register DFF dengan keluaran game. Konsumsi komponen FPGA berperan sangat penting dalam menyusun komponenkomponen dasar untuk membuat Game Ricochet yang efektif. Konsumsi komponen tersebut mempunyai dampak yeng menentukan tingkat trade-off antara area dan kecepatan dari desain yang dibuat. Hasil sintesis digunakan untuk melaporkan hasil analisa perancangan komponen pembentuk rangkaian dalam FPGA. Sintesis yang menunjukkan konsumsi komponen rangkaian Game Ricochet pada FPGA Spartan-3E di tunjukkan pada Tabel 4.1 Tabel 4.1 Tabel Konsumsi Komponen FPGA Yang Diperguankan Untuk Membuat Game Ricochet No Komponen Konsumsi 1 2 3 4 5 6 Slices 1622 dari 4656 (34%) Slice Flip-Flop 382 dari 9312 (4%) 4-input LUT 3064 dari 9312 (32%) IO 14 Bonded IOB 14 dari 232 (6%) GCLK 1 dari 24 (4%) 4.2 Hasil Implementasi Gambar floorplan dari perancangan Game Ricochet terdiri dari konsumsi komponen yang digunakan oleh FPGA Spartan-3E, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 4.1
Gambar 4.1 Gambar Floorplan dari Game Ricochet Area FPGA yang dipakai untuk merancang Game Ricochet mengkonsumsi komponen yang cukup besar dibandingkan dengan luas area yang tersedia dalam FPGA, diperlihatkan pada Gambar 4.1 dengan garis merah yang mendominasi pada gambar. Pada dasarnya penempatan dan penyambungan antar komponen dapat diatus sesuai dengan penggunaan pin-pin yang difungsikan sebagai masukan dan keluaran pada FPGA. Garis merah pada Gambar 4.1 merupakan contoh jalur pin-pin yang saling berhubungan satu sama lain membentuk satu kesatuan rangkaian sesuai dengan yang dibuat. Waktu yang dihasilkan oleh sintesis untuk rangkaian kombinasional pada desain rangkaian Game Ricochet sebesar 11.899ns yang terdiri dari 7.704ns logic (64.7%) dan 4.195ns route (35.3%). Simulasi pewaktuan angkaian Game Ricochet antar sinyal masukan dan keluarannya yang telah diimplementasikan dalam FPGA Spaartan-3E digambarkan melalui diagram berbentuk gelombang. 5. Penutup 5.1 Kesimpulan Desain rancangan Game Ricochet yang dibuat menggunakan teknologi very large scale integration (VLSI) berbasis FPGA yang diprogram menggunakan kode VHDL. Desain Game Ricochet sederhana, karena menggunakan shift register dan rangkaian XOR, namun dapat
menghasilkan sebuah keluaran game. Hasil sintesis dari FPGA Spaartan-3E menunjukkan bahwa konsumsi slice yang digunakan dalam perancangan Game Ricochet sebesar 1622 slice dari 4656 slice yang tersedia atau sekitar 34%, sehingga masih memungkinkan untuk dikembangkan dan dikombinasikan dengan desain lain yang sederhana sehingga menghasilkan desain yang lebih kompleks. 5.2 Saran Dikarenakan penulis tidak menggunakan RAM video, karena memori perangkat terlalu kecil untuk host memori 640x480. Karena gambar tidak homogen jadi tidak bisa menampilkan gambar yang maksimal. Kekurangannya adalah tidak menggunakan RAM video untuk Blok VGA. Sehingga apabila ingin memeinkan permainan ini harus mendownload ulang pada papan FPGA Spaartan-3E. Penulis berharap nantinya karya ini dapat dikembangkan lebih kompleks lagi dengan adanya alat yang lebih cangih dan modern.
Daftar Pustaka Claudia Goga, Frandos Andrei, Ricochet Game Design (Cluj-Napoca : Tehnical University,2005) http://www.fpga4fun.com/fpgasoftware3.html Dzale, Bagaimana Cara Kerja FPGA, http://ndoware.com/bagaimanacarakerjafpga.html (Akses 1 Desember 2011). Dzale, Mengenal VHDL, http://ndoware.com/mengenal-vhdl.html (Akses 1 Desember 2011) Wibowo, F.W. Desain dan Implementasi Convolution Encoder (2,1,8) dalam Field Programmable Gate Array (FPGA), Jurnal Rekayasa Elektrika,v9,n4.2011. Xilinx, Spartan-3 Starter Kit Board User Guide, Xilinx, Inc.