Instrumentasi - Aqwam Rosadi K

MATERI KULIAH
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Pengenalan dan konsep dasar
Perbandingan teknologi
Arsitektur FPGA
Perancangan FPGA
Pemrograman VHDL
Simulasi dan Sintesis
Studi kasus:CPLD Board
Studi kasus dan tugas
2
PENGENALAN
DAN
KONSEP DASAR
3
PROGRAMMABLE LOGIC DEVICES (PLDS)
 Perangkat Logika Terprogram
 Field-Programmable Device (FPD)
 Istilah umum yang mengacu pada segala jenis
IC yang digunakan untuk aplikasi perangkat
keras
digital,
dimana
chipnya
dapat
dikonfigurasi
oleh
pemakai
untuk
merealisasikan desain yang berbeda beda
 Chip general-purpose yang digunakan untuk
mengimplementasikan
rangkaian
logika
(kombinasional).
4
PLDS …
 PLD merupakan komponen elektronik yang dapat
digunakan untuk membangun rangkaian digital
sesuai dengan keinginan perancang
 Beradasrkan jumlah gerbang logika yang dimiliki,
PLD dibedakan:
PLD
SPLD
PLA
CPLD
FPGA
PAL
5
SEJARAH PERKEMBANGAN PLDS
 Chip pertama yang dapat diprogram dan
diterapkan dalam rangkaian logika adalah
PROM (programmable Read-only memory).
 Arsitektur PROMs tidak efisien untuk
rangkaian logika, jarang dipergunakan.
 Piranti pertama yang dikembangkan untuk
dipakai dalam rangkaian logika adalah FieldProgrammable Logic Array (FPLA) atau biasa
disingkat hanya PLA.
6
TEKNOLOGI FUSIBLE LINK
 Teknologi Fusible link


Salah satu teknologi awal yang mengijinkan
pemakai untuk memprogram piranti.
Piranti dipabrikasi dengan semua link refer
ke fuse.
7
PENGENALAN & KONSEP
 Teknologi Antifuse


Saat belum program, antifuse mempunyai
resistansi yang sangat tinggi (rangkaian
open). Setelah diprogram, terbentuk link.
Diprogram dengan memberik pulsa tegangan
tinggi pada input .
Teknologi OTP, sekali
terbentuk link, tidak
dapat di hilangkan.
8
PENGENALAN & KONSEP
 Mask-programmed devices



Dua jenis memori dalamkomputer: ROM (read
only memory) dan RAM (random access
memory).
ROM: nonvolatile, mask-programmable
RAM volatile
Jenis ROM: MaskROM, PROM,
EPROM, EEPROM,
FLASH
9
PENGENALAN & KONSEP
 Teknologi Pemrograman
10
PENGENALAN & KONSEP FPGA
 Field Programmable Gate Arrays
(FPGAs)


are digital integrated circuits (IC) that contain
configurable (programmable) blocks of logic
along with configurable interconnects between
these blocks.
Gerbang-gerbang digital dimana interkoneksi
antar masing-masing gerbang dapat di
konfigurasi satu sama lain, serta dirancang
sesuai keinginan dan kebutuhan pemakai
tanpa melalui proses “burn”.
11
PENGENALAN & KONSEP FPGA
 Sebuah FPGA



Digunakan sebagai model atau prototyping
karena mempunyai software simulasi seperti
Xilink.
Bisa dikatakan Adalah sebuah prosesor atau
embedded controller
Teknologi FPGA berawal dari PROM,
EPROM, EEPROM, FROM dan SRAM
12
PERBANDINGAN
TEKNOLOGI
13
PERBANDINGAN TEKNOLOGI
 Technology Timeline
14
PERBANDINGAN TEKNOLOGI
 Transistor




23 Desember 1947, Fisikawan Willian Shockley ,
Walter Brattain dan John Barden yang bekerja di
Bell Laboratories, Amerika sukses membuat
transistor pertama. Menggunakan germanium
Tahun 1950: bipolar juction transistor (BJT)
Akhir
tahun
1950
pabrikasi
transistor
menggunakan Silikon: TTL dan ECL
Tahun 1962, Steven Hofstein dan Fredric Heiman
dari RCA research laboratory di Princeton,
NewJersey
mengenalkan
MOSFET,
walau
awalnya lebih lambat dari bipolar, tetapi lebih
murah, kecil dan less-power. Ada 2 FET (NMOS
dan PMOS)  CMOS
15
PERBANDINGAN TEKNOLOGI
 Integrated circuits




Ide pabrikasi beberapa rangkaian dalam sebuah
semikonduktor: G.W.A Dummer 1952.
Jack Kilby dari Texa Instrument, tahun 1958
sukses membuat phase-shift oscilator comprising
five components dalam sebuah semikonduktor.
Tahun
yang
sama,
pendiri
Fairchild
Semiconductors Fisikawan Swiss Jean Hoern dan
fisikawan Ameriksa Robert Noyce menggunakan
teknik underlying optical lithographic untuk
membuat transistor, insulating layer dan
interkoneksi pada IC.
Pertengahan
1960,
Texas
Instrument
memperkenalkan IC seri 54xx dan 74xx
16
PERBANDINGAN TEKNOLOGI
 SRAMs, DRAMs, dan mikroprosesor





Akhir tahun 1960 dan awal tahun 1970 adalah
pengembangan baru dibidang IC digital
Internaitonal
Research
Corporation,
1968:
arsitektur untuk “computer-on-a-chip”.
1970, Intel memperkenalkan DRAM pertama
(1024-bit) dan Fairchild memperkenalkan SRAM
pertama (256-bit).
Desember 1970, Gilbert Hyatt mempatenkan
“Single Chip IC Computer Architecture.
1971, Intel memperkenalkan mikroprosesor
pertama, 4004 berisi 2.300 transistor, beroperasi
60.000 per detik. First  Physically constructed,
commercially available, useful tasks
17
PERBANDINGAN TEKNOLOGI
 SPLDs dan CPLDs


Programmable logic divices (PLDs): adalah IC
pertama yang dapat diprogram. Komponennya
dalam bentuk PROMs pada tahun 1970.
Akhir 1970, versi yang lebih kompleks hadir:
complex PLDs (CPLDs).
18
PERBANDINGAN TEKNOLOGI
 PROMs


SPLD pertama adalah PROM pada 1970.
Simple 3-input, 3-output PROM
PROMs are useful for equations requiring
a large number of product terms, but they
can support relatively few inputs because
every input combination is always
decoded and used.
19
PERBANDINGAN TEKNOLOGI
 PLAs


Untuk mengatasi kelemahan arsitektur PROM,
perkembangan PLD selanjutnya adalah PLAs
(programmable logic arrays), tersedia tahun 1975
Fakta bahwa array AND dan OR diprogram,
berarti bahwa PLAs lebih lambat dari PROMs
Arsitekturnya yang umum
adalah AND-OR, walaupun
secara teori adalah
mungkin: OR-AND, NANDOR, NAND-NOR, NOTNOR-NOR-NOT.
20
PERBANDINGAN TEKNOLOGI
 PALs dan GALs

Masalah kecepatan PLAs, diatasi dengan PAL
(programmable array logic), dikenalkan akhir
tahun 1970an.
Variasi dari PAL
adalah GAL
(generic array
logic), pada 1983,
dibuat oleh Lattice
Semiconductor
Corporation
21
PERBANDINGAN TEKNOLOGI
 CPLDs



Perkembangan elektronika melihat
• Kapabilitas makin besar
• Ukuran makin kecil
• Lebih cepat
• Lebih powerful
• Lebih murah
MegaPAL: 84-pin, kompres 4 PAL standar, tetapi
daya lebih besar dan hanya sedikit kelebihan
Altera, 1984 memperkenalkan CPLD didasarkan
pada kombinasi teknologi CMOS (menangani
kompleksitas, power kecil) & EPROM (ideal untuk
lingkungan pengembangan dan prototyping)
22
PERBANDINGAN TEKNOLOGI
 … lanjutan CPLDs


Bergantung pada pabrikasi yang membuat, The
CPLD’s programmable switches bisa didasarkan
pada: EPROM, EEPROM, FLASH atau SRAM
Struktur genertik CPLD
PIM terdiri dari 100 wire,
tetapi SPLD blok hanya
mengakomir 30, maka
perlu programmble
multiplexer
23
PERBANDINGAN TEKNOLOGI
 ABEL, CUPL, PALASM



Pada 1980 JEDEC mengusulkan format standar
PLD programming text files. Saat yang sama John
Birkner (konseptor PAL), membuat PALAssembler
(PALASM)
Advanced Boolean Expression Language (ABEL)
dirilis tahun 1983, bersamaan dengan CUPL
(Common Universal tool for Programmable Logic).
PALASM, ABEL, CUPL adalah software awal
HDL (hardware description language). Lainnya
adalah AMAZE
Perkembangan selanjutnya adalah higher-level HDLs
(Verilog & VHDL) dan tools (logic synthesis).
Digunakan untuk desain dalam ASIC dan FPGA
24
COMPLEX PROGRAMMABLE LOGIC DEVICE
(CPLD)


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.
25
KARAKTERISTIK CPLD
 CPLD
memiliki sifat non-volatile yang
diadopsi dari PAL.
 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.
26
ARSITEKTUR CPLD
27
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.
28
APPLICATION-SPECIFIC INTEGRATED
CIRCUIT (ASIC)
 ASIC
adalah IC yang hanya digunakan
pada keperluan tertentu , kompleksitas
IC ini cukup tinggi jadi tidak muat pada
CPLD .
29
SOAL:
30
JAWAB 1:
31
JAWAB 2:
32
ARSITEKTUR
FPGA
33
PLDS, ASICS & FPGA
 Pada
tahun 1980an ada gap antara IC digital,
yaitu PLD dan ASIC
34
ARSITEKTUR FPGA
 FPGA
adalah suatu IC program logic dengan
arsitektur seperti susunan matrik sel-sel logika
yang dibuat saling berhubungan satu sama lain.
 Memiliki jalur – jalur I/O FPGA yang
memadai.
 Mempunyai banyak gate: 5000 s/d juta-an gate
 Kecepatan ~100 MHz
 Memiliki sifat Programmable tapi, bersifat
Volatile.
35
ARSITEKTUR FPGA


Programmable
 User dapat memakai IC digital secara
berulang-ulang
untuk
menyesuaikan
program yang akan didownload ke dalam
FPGA.
Volatile
 Jika listrik mati maka secara otomatis fungsi
FPGA akan hilang, artinya data yang telah
diproses dan didownload akan hilang
semuanya.
36
ARSITEKTUR FPGA
Alasan penggunaan fpga
Memiliki kemampuan untuk menangani beban
komputasi yang begitu berat.
 Menghilangkan tugas-tugas intensif dari Digital
Signal Processing.
 Kustomisasi arsitektur agar sesuai dengan
algoritma ideal.
 Mengurangi biaya sistem.
 Efisiensi biaya.

37
ARSITEKTUR FPGA
Awal dari teknologi fpga
PROM (Programmable Read Only Memory)
 EPROM (Erasable Programmable Read Only
Memory)
 EEPROM (Electrically Erasable Programmable
Read Only Memory)
 FLASH
 SRAM (Static Random Access Memory)

38
ARSITEKTUR FPGA
Teknologi
FPGA
yang
berhubungan
dgn
Transistor,
 IC (Integrated Circuit),
 SRAM (Static Random Access Memory),
 DRAM (Dynamic Random Access Memory),
 SPLD (Simple Programmable Logic Devices),
 CPLD (Complex Programmable logic Devices),
 ASIC

39
ARSITEKTUR FPGA
 Geometri IC







Channel, awal sampai pertengahan 1980 : 3 m
Teknologi node, 1990an: 1 m
2001: lebih kecil dari 0.18m
2002: 0.13 m
2003: 0.09 m = 90nm
DSM, deep submicron: geometri yang lebih kecil
atau sekitar 0.5 m.
UDSM, ultradeep submicron: lebih kecil lagi
40
ARSITEKTUR FPGA
 Piranti berdasarkan SRAM




Sebagain besar FPGA berdasarkan SRAM, artinya
dapat di konfigurasi setiap saat.
Kelebihan teknik ini:
1. Desain awal dapat segera diimplementasikan
dan diuji.
2. Pirati ini forefront of technology
3. SRAM adalah teknologi CMOS
Struktur FPGA mudah untuk identifikasi dan
lokasi masalah.
Perhatian utama piranti dengan SRAM adalah
sulit untuk memproteksi intellectual property
dalam desain, karena disimpan di memori
eksternal.
41
ARSITEKTUR FPGA
 Piranti berdasarkan SRAM




Sebagain besar FPGA berdasarkan SRAM, artinya
dapat di konfigurasi setiap saat.
Kelebihan teknik ini:
1. Desain awal dapat segera diimplementasikan
dan diuji.
2. Pirati ini forefront of technology
3. SRAM adalah teknologi CMOS
Struktur FPGA mudah untuk identifikasi dan
lokasi masalah.
Perhatian utama piranti dengan SRAM adalah
sulit untuk memproteksi intellectual property
dalam desain, karena disimpan di memori
eksternal.
42
FIELD PROGRAMMABLE GATE
ARRAY (FPGA)



Untuk mengimplementasikan rangkaian yang lebih besar
lagi, digunakan tipe IC yang dapat mempunyai kapasitas
logika yang lebih besar:
 Field Programmable Gate Array (FPGA)
Tidak berisi blok AND dan OR.
 Tapi, berisi array blok logika dan jalur interkoneksi
antar blok.
 Jalur interkoneksi disusun sebagai kanal routing secara
horisontal dan vertikal yang berisi programmable
switch.
Dapat mengimplementasikan fungsi logika dengan jumlah
gerbang ekivalen jutaan.
43
FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAY
(FPGA)
Terdiri dari:
 Configurable Logic
Blocks (CLB).
 Input/Output
Blocks (IOB).
 Programmable
Switch Matrix
(PSM)
44
CONFIGURABLE LOGIC BLOCKS (CLB)
 CLB
merupakan
blok
untuk
membangun
komponen-komponen
combinational/sequential.
 Untuk
dapat
membentuk
CLB
dibutuhkan
truth
table
dalam
membangun jalur logika.
45
INPUT/OUTPUT BLOCKS (IOB)

IOB merupakan blok yang digunakan untuk
mengirimkan sinyal keluar dari chip dan
sekaligus membaca sinyal yang masuk ke dalam
chip.
46
PROGRAMMABLE SWITCH MATRIX
(PSM)
PSM merupakan penghubung yang bisa diatur
sedemikian rupa untuk menghubungkan antar
CLB dan CLB dengan IOB secara horizontal
maupun secara vertikal.
 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.

47
KONFIGURASI SEBUAH LUT
48
PERANCANGAN
FPGA
49
PROSES PEMROGRAMAN PADA FPGA
50
DESIGN ENTRY
Text Entry menggunakan
VHDL (Verylog Hardware
Definition Language)
Schematic Entry
51
FUNCTIONAL SIMULATION
 Tujuan:
memastikan
rancangan
rangkaian
logika
bekerja
sesuai
keinginan dengan input waveforms yang
digunakan.
52
SYNTHESIS
 Optimasi
rangkaian logika dalam penggunaan
gerbang.
 Menghasilkan netlist yang merupakan daftar
connection yang mendeskripsikan komponen
dan keterhubungan komponen tersebut.
Implementation
• Meliputi: mapping, placing, and routing rancangan
sehingga dapat diimplementasikan ke IC FPGA sesuai
arsitektur dan konfigurasi pin IC FPGA tersebut.
53
TIMING SIMULATION

Verifikasi rangkaian apakah sudah bekerja pada
frekuensi yang diinginkan dan tidak ada
propagation delay.
54
DEVICE PROGRAMMING

Membuat bitstream yang merepresentasikan
rancangan akhir dan akan dikirim ke target
device.
55
PEMROGRAMAN
VHDL
56
VHDL
Didasarkan
pada
bahasa
pemrograman
perangkat lunak ADA, tapi tidak sama, dan juga
bukan software bahasa pemrograman.
 Hardware descriptionlanguage yang didesain
untuk merancang rangkaian logika digital, yang
memiliki fitur:

1.
2.
3.
4.
Bahasa
pemrograman
konvensional
seperti
PASCAL dan C.
Bahasa deskripsi logika seperti ABEL-HDL.
Bahasa Netlist seperti EDIF
Manajemen desaian & Modeling yang presisi
57
CONTOH PEMROGRAMAN VHDL
Berikut contoh gerbang AND dan NOT
 Buatlah untuk gerbang NAND, OR, NOR, XOR
(Rangkaian logika, table kebenaran, program)

58
CONTOH PEMROGRAMAN VHDL
Berikut contoh pemrograman Half Adder
 Buatlah rangkaian logika, table kebenaran dan
pemrograman untuk FULL ADDER

59
CONTOH PEMROGRAMAN VHDL
Berikut contoh pemrograman Half Substractor
 Buatlah rangkaian logika, table kebenaran dan
pemrograman untuk FULL SUBSTRACTOR

60
VERILOG


Verilog adalah sdalah satu bahasa HDL
(hardware
description
language)
yang
dipergunakan untuk menggambarkan system
digital pada suatu perangkat keras.
Verilog adalah bahasa yang popular sekitar
tahun 1990an, walaupun saat ini banyak inustri
mulai beralih kebahasa VHDL
61
CONTOH PEMROGRAMAN VERILOG


Berikut contoh pemrograman AND dan Half
ADDER
Buatlah rangkaian logika, table kebenaran dan
pemrograman untuk OR, XOR, XNOR, NAND,
FULL ADDER
62
SIMULASI DAN
SINTESIS
63
STUDI KASUS:
CPLD BOARD
64
STUDI KASUS
& TUGAS
65