BAB 2 jo - thesis.binus.ac.idthesis.binus.ac.id/doc/Bab2/2009-1-00455-SK Bab 2.pdf · Keyboard standard memiliki 104 tombol, yaitu: tombol ketik (57 tombol), tombol sistem (2 tombol),

6

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).

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

MacrocellLogic Block

Macrocell

Macrocell

MacrocellLogic Block

I/O Block

Macrocell

Macrocell

MacrocellLogic Block

Pro

gram

mab

le In

terc

onne

ct

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 merepresen-

tasikan 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 Gambar 2.14 Tampilan pointer

2.4.1.1.2 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

Standard Nama Resolusi Aspect KedalamanVideo Panjang Tampilan Ratio Warna

Enhanced GraphicsAdapter

Professional GrapichsController

Multicolor Graphics 320 x 200 16 : 10 8 bppAdapter 640 x 480 4 : 3 1 bpp

8514 1024 x 768 4 : 3 8 bpp640 x 480 4 : 3 4 bpp640 x 350 64 : 35 4 bpp320 x 200 16 : 10 4/8 bpp720 x 400 9 :5 4 bpp

SVGA Super VGA 800 x 600 4 : 3 4 bppExtended Graphics 1024 x 768 4 : 3 8 bpp

Adapter 640 x 480 4 : 3 16 bppExtended Graphics 1152 x 864 4 : 3 8 bpp

Adapter Plus 640 x 480 4 : 3 16 bppWidescreen 1280 x 720 16 : 9

Extended Graphics 1280 x 800 atauArrray 1440 x 900 16 : 10

SXGA Super XGA 1280 X 1024 5 : 4 32 bppWidescreen ExtendedGraphics Adapter Plus

UXGA Ulta XGA 1600 x 1200 4 : 3 32 bppWidescreen Ultra

Extended Graphics Adapter

2K DLP Cinema Technology 2048×1080 1.9 48 bpp - 24 FPS

QXGA Quad XGA 2048 x 1536 4 : 3 32 bppWQXGA Widescreen Quad XGA 2560 x 1600 16 : 10 32 bppQSXGA Quad Super XGA 2560 x 2048 5 : 4 32 bpp

WQSXGA Wide Quad Super XGA 3200 x 2048 25 : 16 32 bppQUXGA Quad Ultra XGA 3200 x 2400 4 : 3 32 bpp

WQUXGA Wide Quad Ultra XGA 3840 x 2400 16 : 10 32 bpp

4K DLP Cinema Technology 4096×1716 2.39 48 bpp - 24 FPS

HXGA Hex XGA 4096 x 3072 4 : 3 32 bppWHXGA Wide Hex XGA 5120 x 3200 16 : 10 32 bppHSXGA Hex Super XGA 5120 x 4096 5 : 4 32 bpp

WHSXGA Wide Hex Super XGA 6400 x 4800 4 : 3 32 bppWHUXGA Wide Hex Ultra XGA 7680 x 4800 16 : 10 32 bpp

WUXGA 1920 : 1200 16 : 10 32 bpp

WXGA+ 1140 : 900 16 : 10 32 bpp

WXGA 32 bpp

XGA+

EGA 640 x 350 64 : 35 4 bpp

- 640 x 480 4 : 3 8 bpp

MCGA

VGAVideo Graphics

Arrray

XGA

2.4.7 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 di-

compress manjadi sebuah tampilan. Secara terpisah DVI

compatible dengan standard High 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

ModelName VGA pix (µs) pix (µs) pix (µs) pix (µs) pix (µs)

640x48060 Hz

640x48072 hz

720x40070 Hz

720x35070 Hz

800x60056 Hz

800x60060 Hz

800x60072 Hz

1016 404 12839 11 349449 31.78 2 63 32

525 31.78 2 63 30

Sync Pulse Time Pulse Width Back Porch Display Time Front Porch

520 26.41 3 79 26

953 484 15382 9 285

686 484 12782 7 184

449

625

628

666

31.78

28.44

26.4

20.8

632

1

4

6

56

106

125 21

21

20

57 1811

568

554

436 604

604

604

354 11250

17177

15945

12563 35

0

0

36 1144

0

0

728

( http://www.epanorama.net/documents/pc/vga_timing.html )

Tabel 2.3 Horizontal timing

Mode Sync pulse time Pulse width Back porch Display time Front porchName VGA (pix) (pix) (pix) (pix) (pix)

640x480 60Hz 800 96 45 646 13640x480 72Hz 832 40 125 646 21720x400 70Hz 900 108 51 726 15720x350 70Hz 900 108 51 726 15800x600 56Hz 1024 72 125 806 21800x600 60Hz 1056 128 85 806 37800x600 72Hz 1040 120 61 806 53

( http://www.epanorama.net/documents/pc/vga_timing.html )

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.