Catatan FPGA

Field Programmable Gate Array adalah IC digital yang sering digunakan untuk mengimplementasikan rangkaian digital. FPGA merupakan sebuah IC digital yang bersifat Programmable, yang artinya user dapat memakai IC digital secara berulang-ulang untuk menyesuaikan program apa yang akan ingin di download kedalam FPGA. FPGA bersifat Volatile, yang artinya jika listrik mati maka secara otomatis fungsi FPGA akan hilang, Artinya data yang telah kita proses dan kita download akan hilang semuanya. FPGA mempunyai kelebihan diantaranya jenis dan jumlah gerbangnya sangat banyak, kecepatannya sangat tinggi, mudah diprogram berkali-kali. Kekurangan FPGA adalah sifat Programnya masih bersifat Volatile.

Yang perlu diketahui dari FPGA itu terdapat adanya
PROM : Chip memory dimana data dapat ditulis sekali saja
ROM : Dapat diprogram selama proses manufaktur
PROM : Dapat dibuat sebagai memory kosong
EPROM : dapat diprogram berulang-ulang dan dapat di hapus dengan menggunakan sinar ultraviolet
EEPROM : Dapat diprogram berulang-ulang dapat dihapus dengan listrik.
Flash Memory : Dapat dihapus dan diprogram 1 bit perwaktunya
FUSIBLE LINK TECHNOLOGI : Teknologi yang bisa diprogram jika ada tegangan
ANTIFUSE LINK TECHNOLOGI : Mengatasi jika tidak terjadi adanya tegangan.

  - Pengaplikasian FPGA :
1. Pada ASIC dan custom sillicon (dipakai untuk trafo)
2. Digital Signal Processing  (untuk jaringan)
3. Emberdit microcontroller (7 segment)
4. Physical Layer Communication
5. Reconfigurable Computing



 - Sifat - sifat dari FPGA :
1. Program dapat di susun berulang - ulang 
2. Si FPGA dapat di download berulang - ulang (tanpa batas)
3. Bersifat Volatille
4. Hampir semua rangkaian digital sudah terimplementasi di dalam FPGA
5. Pemrograman yang singkat dan setara dengan ASIC
6. Murah


  - Berikut isi dari FPGA pada umumnya:




1.  Configure Logic Blocks (CLB). Bisa dikatakan, bagian inilah yang akan memproses segala bentuk rangkaian logika yang dibuat oleh user/pemakai.
2.  I/O Blocks. Sebagai interface antara external pin dari device dan internal user logic
3.  Programmable Interconnect. Bagian ini berisi wire segments dan programmable switches, selain itu bagian ini juga akan menghubungkan antara CLB satu dengan CLB lainnya.


IC digital ini pada umumnya terdiri atas 3 bagian yaitu configure logic blocks (CLB), I/O Blocks, dan Programmable Interconnect. Baik FPGA buatan Xilinx maupun Altera memiliki 3 bagian seperti yang disebutkan di atas.

Gambar Isi FPGA buatan Xilinx

Sebuah FPGA tersusun dari sebuah bagian yang bernama “logic-cell” (Logic Blocks), yang kemudian pada perkembangannya saling terhubung satu sama lain. Kumpulan-kumpulan dari logic cell ini berjumlah ratusan bahkan ribuan dan membentuk sauatu fungsi yang kompleks. Sebuah logic cell pada dasarnya terdiri atas sebuah lookup table(LUT), D flip-flop, dan sebuah multiplekser 2 ke 1.

Gambar Isi Logic Cell

1.  Look Up Table (LUT) merupakan sejenis RAM (Random Acces Memory) yang berkapasitas kecil. Di dalam FPGA, LUT ini memegang peranan penting dalam proses implementasi fungsi-fungsi logika. Selain itu, LUT ini berciri khas memiliki input sejumlah 4 buah.
2.  D Flip Flop. Seperti yang diketahui, flip-flop (Bistable Multivibrator) dalah suatu rangkaian sel biner yang memiliki dua buah output yang saling berkebalikan keadaannya (0 atau 1). Di dalam FPGA, terdapat sebuah jenis flip-flop yaitu D flip-flop atau Data flip flop. Rangkaian D flip-flop ini berfungsi sebagai rangkaian logika sekuensial dimana di dalamnya terdapat peralatan memori dan pewaktu.
3.  Multiplekser 2 ke 1. Sebuah multipleser adalah piranti digital yang bekerja sebagai switch (saklar) yang menghubungkan data dari n masukkan ke sebuah keluaran. Multiplekser berfungsi untuk memilih beberapa input untuk hanya menjadi 1 output saja. Di dalam FPGA, terdapat rangkaian multiplekser 2 ke 1 yang artinya, multiplekser tersebut memiliki 2 buah input dan 1 buah output.
Setiap logic cell tersebut dapat dihubungkan dengan logic cell lainnya melalui jalur/koneksi yang ada. Setiap cell hanya mampu bekerja secara sederhana dan ringkas, Namun bila antara satu cell saling terhubung satu sama lain sebuah fungsi-fungsi logika yang kompleks pun dapat terbentuk.Jika pada bentuk FPGA memiliki CLB, I/O Block dan Programmable Interconnect. Sedangkan dari CLB memiliki isi tersendiri yang terdiri dari LUT, D Flip-flop dan Multiplekser 2 ke 1. Ternyata LUT yang terdapat pada CLB juga memiliki isi, yang terdiri dari : 

• 4 buah slice, 
•  Dalam 1 slice terdiri dari :

              -  SR (Shift Register), 

              -  RAM (Random Access Memory),

              -  Informasi Input

 

- Proses Implementasi FPGA
1. FPGA di implementasikan dengan efesiensi oleh CAD (Computer Aided Design)
2. Design Entry : - Schematic
                            - Bahasa Pemrograman
3. Logic Optimization : Memodifikasi ekspresi boolean untuk mengoptimalkan penggunaan logic
4. Menggunakan teknologi mapping
5. Placement
6. Routing Software
7. Download

- Arsitektur FPGA

1. Antifuse merupakan lawan dari fase regular. Antifuse normalnya merupakan sebuah rangkaian terbuka sampai kita memaksakan suatu programing current melaluinya. Antifuse merupakan kebalikan dari sekring yaitu akan open circuit bila dilewati arus (saklar 5 mA).
2. Fine Grained adalah arsitektur FPGA pada suatu sistem yang memiliki komponen yang kecil.
3. Medium Grained adalah arsitektur FPGA pada suatu sistem yang memiliki komponen yang sedang.
4. Coarse Grained adalah arsitektur FPGA pada suatu sistem yang memiliki komponen yang besar.
5. MUX (Multiplexer) merupakan suatu komponen yang fungsinya sebagai penyeleksi data berdasarkan perintah untuk menampilkan data yang diinginkan. MUX memiliki benyak input data tetapi hanya memiliki sebuah output karena memiliki selector yang mengatur outputnya.
6. LUT (Look Up Table) merupakan sejenis RAM yang berkapasitas kecil, yang memegang peranan penting dalam proses implementasi fungsi-fungsi logika. Dimana LUT ini memiliki ciri khas yaitu dengan 4 buah inputan.
7. CLB (Configure Logic Block), untuk memproses segala bentuk rangkaian logika yang dibuat oleh user/pemakai.
8. LAB merupakan kumpulan dari CLB
9.  Slices merupakan bagian isi dari LUT
10. Fast Carry Chains adalah tipe jalur interkoneksi yang berfungsi dalam pembuatan fungsi-fungsi logika agar dapat berjalan dengan efisien.
11. General Purpose I/O adalah pin generik yang dapat dikontrol melalui software.
12. Prosesor Corses adalah inti dari sebuah prosesor yang melakukan tugas.
13. Hard IP merupakan perwujudan fisik design IP yang terbaik untuk aplikasi plug and play
14. Soft IP merupakan implementasi prosesor dalam sebuah bahasa HDL tanpa optimasi yang luas untuk arsitektur tujuan
15. Firm IP merupakan implementasi HDL, tetapi sudah dioptimalkan untuk sebuah arsitektur FPGA tujuan
16. System Gates adalah sebuah masukan yang digunakan untuk mepresentasikan antara satu dan lebih 20 gerbang logika sederhana, yang mempunyai 2 masukan.
17. Clocking adalah sebuah clock pada FPGA, biasanya dibuat serempak bahwa setiap detak yang dihasilkan pada sebuah FPGA terjadi serentak akan mempengaruhi kondisi yang ada.

- Perbandingan Teknologi FPGA

1. Transistor merupakan alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, switching, dll.
2. IC (Integrated Circuit) merupakan komponen dasar yang terdiri dari resistor, transistor, dll. IC merupakan komponen yang dipakai sebagai otak peralatan elektronika.
3. DRAM (Dynamic Random Access Memory) merupakan memory, sama seperti SRAM tetapi DRAM memerlukan referesh untuk mengekalkan nilainya.
4. SPLD (Simple Programmable Logic Device) merupakan bentuk dari PLD yang paling simple. Kebanyakan SPLD digunakan untuk mereconfigurable circuit dari keduanya.
5. CPLD (Complex Programmable Logic Device) merupakan bentuk PLD dengan kompleksitas antara PAL dan FPGA dan arsitektur fitur dari keduanya.
6. FPGA (Field Programmable Gate Array) adalah chip logic digital yang dapat diprogram berulang – ulang. Block – block komponen didalam FPGA mengandung register mulai flipflop sampai RAM.
7. ASIC (Application Spesific Integrated Circuit) adalah IC yang dimodifikasi untuk tujuan tertentu. Contohnya Chip yang di desain untuk RAM PC.

- Flowchart Schematic capture

Sumber : Catatan Kuliah & http://ndoware.com