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
7 2.1.1
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.
8 2.1.2
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 1984. 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.
2.1.2.1
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.
2.1.2.2
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.
9
Macrocell Macrocell
Logic Macrocell Block Macrocell Macrocell
Logic Macrocell Block
Programmable Interconnect
Macrocell
Logic Macrocell Block
I/O Block
Macrocell
Gambar 2.1 Arsitektur CPLD
2.1.3
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.
10 2.1.3.1
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.
2.1.3.2
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
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
12 Proses pemrograman pada FPGA dapat dilihat pada gambar 2.3.
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.
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.
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.
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.
2.1.4
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
16 dan versi pertama diluncurkan pada tahun 1985. Setelah itu bahasa ini disahkan pada tahun 1987 oleh Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) dan menjadi standar IEEE 1076-1987. (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 (http://www.gmvhdl.com/introduc.htm , 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.
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
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 2.10.
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
19 (penanda bahwa data sudah selesai dikirimkan). Timing diagram keyboard dapat dilihat pada gambar 2.12. 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.
2.4.1
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.
2.4.1.1
Tipe layar monitor CRT Ada 3 tipe grilles yaitu aperture grille, shadow mask, dan slot mask. Setiap tipe memiliki karakteristik masing-masing.
20
2.4.1.1.1
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 2.14.
Gambar 2.13 Shadow Mask
2.4.1.1.2
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
21 efek ini jika tidak benar-benar dilihat.
Contoh dapat
dilihat pada gambar 2.15 dan 2.16.
Gambar 2.15 Aperture Grille
Gambar 2.16 Tampilan huruf e
2.4.1.1.3
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
2.4.2
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
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.
2.4.3
Kedalaman Warna Kedalaman Warna (color depth) mengidentikasikan berapa banyak warna yang bisa ditampilkan pada layar monitor.
2.4.4
Refresh Rate Refresh Rate merupakan berapa kali dalam 1 detik gambar pada layar CRT ditampilkan ulang.
2.4.5 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
23 2.4.6
Standar tampilan computer Tabel 2.1 Standar tampilan komputer Nama Panjang Enhanced Graphics Adapter
Resolusi Tampilan
Aspect Ratio
Kedalaman Warna
640 x 350
64 : 35
4 bpp
Professional Grapichs Controller
-
640 x 480
4:3
8 bpp
MCGA
Multicolor Graphics Adapter
320 x 200 640 x 480 1024 x 768 640 x 480 640 x 350 320 x 200 720 x 400 800 x 600 1024 x 768 640 x 480 1152 x 864 640 x 480 1280 x 720 1280 x 800 1440 x 900 1280 X 1024
16 : 10 4:3 4:3 4:3 64 : 35 16 : 10 9 :5 4:3 4:3 4:3 4:3 4:3 16 : 9 atau 16 : 10 5:4
8 bpp 1 bpp 8 bpp 4 bpp 4 bpp 4/8 bpp 4 bpp 4 bpp 8 bpp 16 bpp 8 bpp 16 bpp
1140 : 900
16 : 10
32 bpp
1600 x 1200
4:3
32 bpp
1920 : 1200
16 : 10
32 bpp
Standard Video EGA
8514 Video Graphics VGA Arrray SVGA
Super VGA Extended Graphics Adapter Extended Graphics Adapter Plus Widescreen Extended Graphics Arrray Super XGA Widescreen Extended Graphics Adapter Plus Ulta XGA Widescreen Ultra Extended Graphics Adapter
XGA XGA+ WXGA SXGA WXGA+ UXGA WUXGA 2K
DLP Cinema Technology
2048×1080
1.9
QXGA WQXGA QSXGA WQSXGA QUXGA WQUXGA
Quad XGA Widescreen Quad XGA Quad Super XGA Wide Quad Super XGA Quad Ultra XGA Wide Quad Ultra XGA
2048 x 1536 2560 x 1600 2560 x 2048 3200 x 2048 3200 x 2400 3840 x 2400
4:3 16 : 10 5:4 25 : 16 4:3 16 : 10
4K
DLP Cinema Technology
4096×1716
2.39
HXGA WHXGA HSXGA WHSXGA WHUXGA
Hex XGA Wide Hex XGA Hex Super XGA Wide Hex Super XGA Wide Hex Ultra XGA
4096 x 3072 5120 x 3200 5120 x 4096 6400 x 4800 7680 x 4800
4:3 16 : 10 5:4 4:3 16 : 10
2.4.7
32 bpp 32 bpp
48 bpp - 24 FPS 32 bpp 32 bpp 32 bpp 32 bpp 32 bpp 32 bpp 48 bpp - 24 FPS 32 bpp 32 bpp 32 bpp 32 bpp 32 bpp
Monitor Protocol Monitor protocol merupakan suatu standar susunan data yang akan dikirimkan ke monitor agar monitor dapat mengenal data apa yang
24 dikirim ke monitor. Beberapa tipe monitor protocol yang dibahas adalah Digital Video Interface (DVI), dan Video Graphic Array (VGA).
2.4.7.1
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. compatible
dengan
standard
High
Secara terpisah DVI Definition
Multimedia
Interface (HDMI) dalam digital mode (DVI-D).
Gambar 2.19 Konektor DVI
2.4.7.2
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
25 lebih besar atau lebih kecil). Suatu berkas elektron mewarnai masing-masing pixel dari kiri ke kanan dan dari atas ke bawah.
Gambar 2.20 Pixel koordinat
Gambar 2.21 Konektor VGA
2.4.7.2.1 Horizontal Timing dan Vertical Timing VGA Monitor
Gambar 2.22 Timing diagram monitor •
Sync pulse time (Ts) adalah waktu penjumlahan antara TDISP + TPW + TFP + TBP.
26 •
Display time (TDISP) adalah waktu dimana menampilkan gambar pada monitor.
•
Pulse width (TPW) adalah waktu sesudah back porch.
•
Front porch (TFP) adalah waktu sesudah TDISP.
•
Back porch (TBP) adalah waktu sebelum TDISP.
Tabel 2.2 Vertical timing Model Name VGA 640x480 60 Hz 640x480 72 hz 720x400 70 Hz 720x350 70 Hz 800x600 56 Hz 800x600 60 Hz 800x600 72 Hz
Sync Pulse Time pix (µs)
Pulse Width pix (µs)
Back Porch pix (µs)
Display Time pix (µs)
Front Porch pix (µs)
525
31.78
2
63
30
953
484
15382
9
285
520
26.41
3
79
26
686
484
12782
7
184
449
31.78
2
63
32
1016
404
12839
11
349
449
31.78
2
63
57
1811
354
11250
36
1144
625
28.44
1
56
20
568
604
17177
0
0
628
26.4
4
106
21
554
604
15945
0
0
666
20.8
6
125
21
436
604
12563
35
728
( http://www.epanorama.net/documents/pc/vga_timing.html )
Tabel 2.3 Horizontal timing Mode Name VGA 640x480 60Hz 640x480 72Hz 720x400 70Hz 720x350 70Hz 800x600 56Hz 800x600 60Hz 800x600 72Hz
Sync pulse time (pix) 800 832 900 900 1024 1056 1040
Pulse width (pix) 96 40 108 108 72 128 120
Back porch (pix) 45 125 51 51 125 85 61
Display time (pix) 646 646 726 726 806 806 806
( http://www.epanorama.net/documents/pc/vga_timing.html )
Front porch (pix) 13 21 15 15 21 37 53
27
Perhitungan timing untuk monitor tidak ada yang baku. Setiap user dapat merancang sendiri timing untuk monitor.
2.4.7.2.2 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.
