FPGA (Field Programable Gate Array)

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/pemakai tanpa melalui tahap “burn” di laboratoruim 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
Komponen gerbang terprogram yang dimiliki FPGA meliputi jenis gerbang logika biasa (AND, OR, XOR, NOT) maupun jenis fungsi matematis dan kombinatorik yang lebih kompleks (decoder, adder, subtractor, multiplier, dll). Blok-blok komponen di dalam FPGA bisa juga mengandung elemen memori (register) mulai dari flip-flop sampai pada RAM (Random Access Memory).
Siapa pembuat FPGAs?
Minimal ada 5 perusahaan besar yang memproduksi FPGA. Dua yang pertama merupakan pemain utama di pasar FPGA:
Xilinx yang punya nama besar dalam dunia FPGA, masih memimpin dalam densitas dan teknologi.
Altera merupakan pemain kedua terkenal di dunia FPGA, terkenal dengan namanya.
Lattice, Actel, Quicklogic adalah perusahaan-perusahaan yang lebih kecil dan punya “pasar khusus”.

Gambar 1.1 : Salah satu FPGA buatan Altera

Gambar 1.2 : Salah satu FPGA buatan Xilinx

Perlu diingat bahwa FPGA merupakan sebuah IC digital yang bersifat programmable. User/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 user 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. Jika program tersebut gagal untuk disimulasikan, maka user/pemakai hanya perlu menyusun ulang program dalam komputer sesuai yang dibutuhkan dan ketika siap, download lagi program tersebut ke FPGA, begitu untuk seterusnya.

 Selain itu, bahwa FPGA ini bersifat volatile, yang artinya ketika sumber daya yang menyuplainya dicabut maka secara otomatis FPGA akan kehilangan fungsinya. Jadi FPGA ini tidak mampu menyimpan program ketika supply tenaganya dicabut. User/pemakai harus mendownload ulang program ke dalam FPGA lagi untuk mengimplementasikan program tersebut.

Hal-hal yang bisa digunakan dengan FPGA

Anda bisa mengisi-ulang (memprogram-ulang) FPGA sebanyak yang Anda inginkan – tidak terbatas – dengan berbagai macam fungsi logik yang Anda inginkan.

Jika Anda melakukan kesalahan pada rancangan Anda, cukup betulkan kesalahan tersebut, lakukan kompilasi ulang kemudian unduh (download) lagi.

Rancangan Anda bisa bekerja lebih cepat dibandingkan dengan rancangan yang Anda buat dengan komponen-komponen biasa, karena, dengan FPGA, hampir semua rangkaian terimplementasi di dalam chip.

FPGA (secara umum, kecuali yang dilengkapi Flash PEROM) akan kosong saat tidak dikenai catu-daya (seperti RAM). Anda harus mengunduh ulang rangkaian Anda agar bisa berfungsi kembali seperti semula.

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.

Proses

Suatu ketika ingin mengimplementasikan rangkaian sederhana, misalnya rangkaian Full Adder ke dalam FPGA. Seperti yang diketahui, rangkaian full adder biasanya terdiri atas gerbang logika AND, gerbang logika OR dan gerbang logika XOR. Lalu bagaimana proses implementasinya ke dalam FPGA? Bahwa telah disebutkan bahwa setiap FPGA terdiri atas ratusan bahkan ribuan logic cell. Rangkaian Full Adder tadi akan didownload ke dalam FPGA untuk menempatkan masing-masing bagian dari Full Adder ke dalam logic cell. Kemudian antara satu logic cell yang satu dengan yang lain saling terhubung melalui jalur interkoneksi membentuk fungsi logika layaknya seperti rangkaian full adder.

Hal yang sama juga terjadi pada rangkaian-rangkaian rumit lainnya seperti rangkaian jam digital, scan key, dsb. Sebagai tambahan untuk tujuan jalur interkoneksi antar cell, FPGA memiliki jalur penghubung singkat diantara cell–cell yang saling berdekatan. Tipe jalur interkoneksi ini sering disebut “carry chains”. Carry chains berfungsi dalam pembuatan fungsi-fungsi logika agar dapat berjalan dengan efisien (minim penggunaan dan tingkat operasi yang tinggi).

Dengan demikian, dalam menggunakan cary chains apabila rangkaian yang hendak diimplementasikan ke dalam FPGA adalah rangkaian digital yang sederhana, maka logic cell yang digunakan pun akan minimun dan memiliki lokasi yang saling berdekatan satu sama lain. Hal yang sebaliknya pun berlaku. Sehingga penggunaan logic cell di dalam FPGA akan efektif dan efisien.

SUMBER : //mfrlive.wordpress.com/2011/10/12/apa-itu-fpga/