introduction to fpga programming

Pengenalan Pemrograman FPGA: Spartan 3e (VHDL) P a g e | { PAGE \* MERGEFORMAT }

XILINX SPARTAN-3E (PROJECT NAVIGATOR VER. 13.4) FILKOM | UB

PENGENALAN PEMROGRAMAN FPGA: XILINX SPARTAN-3E (VHDL)

Oleh: Dahnial Syauqy



1. Pendahuluan

Dalam tutorial ini akan diperkenalkan pemrograman FPGA untuk Xilinx Spartan-3E. Secara garis besar isi tutorial ini meliputi:

- Mendesain sistem digital sederhana dan menuliskan program VHDL

- Mengkonfigurasikan board FPGA dan mengkoneksikan input output yang diperlukan

- Mendownload program ke board FPGA dengan iMPACT

- Melakukan simulasi program melalui simulator Isim

1.1 Perlengkapan Hardware

Spartan-3E Kit yang berisi development board, kabel power dan kabel koneksi USB dengan PC.

1.2 Perlengkapan Software

Software yang digunakan adalah XILINX ISE project Navigator versi 13.4.

2. Desain sistem

Desain yang digunakan pada tutorial ini adalah berupa logika kombinasional antara beberapa input dan output. Output berupa 2 buah LED akan menyala tergantung kepada kondisi beberapa switch dan push button pada board FPGA.

Kondisi 1:

LED 0 ON ketika Switch0 ON DAN Switch1 OFF, yang dapat dituliskan:

0 = 0 1 (1)

Tabel kebenaran LED0:

Switch0 Switch1 LED0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0

Dan kondisi 2:

LED 1 ON ketika (Switch2 ATAU Switch3 ON) DAN PushButton ON, yang dapat dituliskan:



1 = (2 3) .. (2)

Tabel kebenaran LED1:

Switch2 Switch3 Push Button LED1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1

3. Prosedur

3.1 Implementasi desain

3.1.1 Membuat project baru

1. Buka software ISE project manager

2. Buat project baru melalui File>>New project. Dari sini, akan muncul New project wizard

3. Di kolom Name, isi dengan nama project (bebas). Pada contoh di bawah ini, nama project adalah tutorial. Pilih Location dan Working Directory untuk menyimpan project. Terakhir, pastikan top-level source type terpilih HDL, lalu klik next.



4. Pada evaluation development board, pilih Spartan-3E Starter Board. Pilih preferred language menjadi VHDL serta pastikan semua opsi seperti dalam Gambar di bawah ini dan klik next.

5. Berikutnya akan muncul Project Summary dengan tampilan sebagai berikut untuk melakukan verifikasi konfigurasi yang telah dibuat sebelumnya. Setelah memastikan semua benar, klik finish dan project akan dibuat.



3.1.2 Menambahkan kode VHDL

1. Setelah project kosong dibuat, selanjutnya perlu ditambahkan Source untuk menuliskan kode VHDL. Pilih Project>>New source

2. Pilih source type VHDL module, isi file name (bebas, usahakan berbeda dengan nama project), pilih lokasi penyimpanan, pastikan add to project tercentang, lalu klik next.



3. Berikutnya, dilakukan pendefinisian port input dan output desain yang akan dibuat. Pertama beri nama entity pada kolom entity name (bebas). Berikutnya:

- Definisikan empat buah switch dengan nama berbeda (tanpa spasi), dan mengkonfigurasikannya menjadi input. Masing-masing definisi switch diartikan sebagai port input 1 bit.

- Definisikan satu buah push button dengan nama tanpa spasi dan konfigurasikan sebagai input 1 bit.

- Definisikan dua buah LEDs yang dipasang secara bus (identik seperti array) dan bertindak sebagai output. Centang bus dan isi MSB = 1, LSB = 0. Hal ini berarti sebuah port LEDs adalah berupa port output 2 bit yang dapat diakses dengan LEDs(0) dan LEDs(1).

NOTE: Jika misalkan MSB (Most Significant Bit) bernilai 7, maka akan ada multiple output dengan nama LEDs yang dapat diakses mulai LEDs(0) sampai LEDs(7) dengan total 8 bit (1 byte)



4. Setelah klik next, akan ditunjukkan Summary page.

Selanjutnya, klik finish dan source akan di-generate.

5. Pada Hierarchy, dobel klik top-behavioral (top.vhd) maka source code akan dibuka di tab top.vhd. perhatikan bahwa pada entity top telah didefinisikan beberapa port input dan output. Bagian entity mendefinisikan seluruh input dan output pada blok hardware. Pada



tahap selanjutnya perilaku input-output akan didefinisikan di architecture behavioral. Bagian architecture mendefiniskan kode yang akan diimplementasikan ke dalam hardware. Pada saat inisialisasi bagian tersebut kosong sehingga kode program perlu ditambahkan di antara begin dan end di bagian architecture.

3.1.3 Mengedit source code VHDL

1. Masukkan kode VHDL desain yang akan dibuat pada blok architecture di bagian antara begin dan end. Kode ini merepresentasi fungsi sistem yang didesain pada langkah awal.

2. Save file melalui File>>Save



3. Berikutnya adalah melakukan checking sytax VHDL yang telah dibuat. Pertama, pastikan tab implementation terpilih. Klik tanda + pada Synthesize-XST. Terakhir, lakukan dobel klik pada Check Syntax dan tunggu proses checking berlangsung.

Jika pada checking tidak ditemukan kesalahan maka akan muncul tanda centang berwarna hijau di sebelah check syntax. Sebaliknya, jika ada kesalahan akan muncul pesan error di console window yang akan membantu menemukan letak kesalahan program.

3.1.4 Pin assignment

Pada kode program sebelumnya telah didefinisikan beberapa port input dan output. Namun, pada tahap tersebut belum didefinisikan alamat port saat nantinya program didownload ke hardware. Dengan kata lain, untuk mengimplementasikan program pada harware FPGA, setiap port yang didefinisikan dalam kode harus diberi alamat sesuai alamat sesungguhnya pada hardware. Jika semua port sudah diberi alamat pada hardware, maka selanjutnya tinggal menyambungkan hardware FPGA dengan dunia luar seperti saklar, lampu dan lain-lain.

Untuk kali ini, dunia luar yang dimaksudkan diwakili sementara oleh beberapa switch, push button dan lampu led yang sudah disediakan pada board. Oleh karena itu, perlu diketahui alamat switch, push button dan led pada board Spartan-3E. Informasi alamat simulator input dan output tersebut dapat dilihat pada Spartan-3E FPGA Starter Kit Board User Guide. Cara lainnya adalah dengan mengamati langsung petunjuk tulisan di board. Pada setiap simulator input dan output di board selalu dituliskan alamat pemanggilan pin yang bersangkutan. Misalkan pada slider switch dituliskan (L13) yang berarti bahwa alamat pemanggilan slider switch tersebut pada L13.

Nama port pada kode Deskripsi Alamat Pin FPGA



Switch0 Switch1 Switch2 Switch3 Pushbutton LEDs(0) LEDs(1)

Slider switch (input) Slider switch (input) Slider switch (input) Slider switch (input) Push button (input) Indikator LED (output) Indikator LED (output)

L13 L14 H18 N17 V4 F12 E12

Langkah untuk menghubungkan port yang telah didefinisikan dengan switch, push button dan led pada board adalah sebagai berikut:

1. Klik tanda + pada user constraints. Di dalamnya, lakukan dobel klik pada I/O Pin Planning (PlanAhead) Pre-Synthesis. Jika muncul tanda peringatan create UCF file, klik YES

2. Setelah proses selesai, maka akan muncul jendela program lain, yakni PlanAhead.



3. Pada I/O ports, klik tanda + pada LESs dan Scalar port untuk menjabarkan seluruh input output

4. Lakukan editing pada Site, drive strength dan pull type untuk seluruh port input dan output yang terdefinisi dan pastikan hasil akhirnya seperti gambar di bawah.

Note: site adalah alamat pin pada hardware FPGA drive strength adalah pull type adalah



5. Klik Save pada PlanAhead untuk menyimpan konfigurasi port

3.1.5 Implement design dan Summary

Terdapat 4 proses utama dalam implement design:

Synthesize : men-generate netlist untuk setiap source file Translate : menggabungkan beberapa netlist menjadi single netlist Map : pemetaan desain pada slice dan i/o blocks Place & Route : penempatan desain pada chip dan hubungan antar komponennya

1. Kembali pada program ISE project manager, klik tanda + pada implement design. Lakukan dobel klik pada implement design dan secara otomatis program akan melakukan synthesize-XST, translate, map, serta place and routing. Setelah keempat prosedur selesai, akan muncul tanda centang hijau untuk setiap proses.

2. Pada jendela processes, dobel klik Design summary/reports



3. Pada Design summary dapat dilihat bahwa impelentation state telah placed and routed dengan no errors. Di bagian bawah, dapat dilihat penggunaan resource device. Seperti yang tampak, penggunaan desain masih 1% sampai 3% saja.

3.2 Download ke board

Pada prosedur selanjutnya akan dilakukan generate programming file yang kemudian didownload ke board Spartan-3E melalui Impact.

1. Pada program ISE project manager, lakukan dobel klik pada generate programming file. Setelah proses selesai akan muncul tanda centang berwarna hijau.



2. Klik tanda + pada configure target device dan dobel klik pada manage configuration project (impact)

3. Jendela program impact akan muncul. Pada tahap ini, pastikan board terhubung dengan power dan kabel USB telah tersambung dengan PC. Setelah semua tersambung, nyalakan switch board agar ON.

Note: saat pertama kali board terhubung PC, tunggu beberapa saat untuk instalasi driver kabel USB

4. Setelah memastikan device terhubung, dobel klik boundary scan pada impact flows. Dari langkah tersebut, akan muncul right click to add device or initialize JTAG chain pada jendela bagian kanan.



5. Klik kanan dan pilih initialize chain

6. Setelah proses identifikasi chain selesai, akan muncul notifikasi identify succeded dan muncul jendela Do you want to continue and assign configuration file(s)? pilih yes. Perhatikan gambar chain chip yang muncul. Chip yang pertama yakni xc3s500e adalah chip FPGA yang akan diprogram pada board. Kedua chip lain adalah chip pada board yang akan di bypass.



7. Pada assign new configuration file, pilih file *.bit hasil generate programming file yang telah dibuat pada langkah sebelumnya. File ini akan diasosiasikan dengan chip yang pertama yakni xc3s500e.

8. Berikutnya akan muncul pesan lain berisi This device supports attached flash PROMs. Do you want to attach an SPI or BPI PROM to this device? Pilih NO.



9. Jendela assign new configuration file akan muncul lagi untuk asosiasi dengan xcf04s. Kali ini pilih bypass.

10. Terakhir, jendela assign new configuration files untuk xc2c64a akan muncul. Sekali lagi pilih bypass.



11. Terakhir akan muncul device programming properties. Klik OK.

12. Jendela impact akan tampak seperti gambar berikut. Klik akanan pada chip xc3e500e dan pilih program.



13. Program yang telah dibuat akan didownload ke board Spartan-3E dan setelah proses selesai akan muncul notifikasi Program succeded



14. Setelah selesai, lakukan simulasi langsung pada board dengan merubah kondisi switch dan push button sesuai beberapa kondisi desain dan perhatikan perubahan kondisi LED. Perhatikan, saat board dimatikan lalu dinyalakan lagi maka program akan hilang karena tidak tersimpan ke dalam PROM.

3.3 Simulasi

Simulasi perilaku desain program dapat dilakukan melalui program Isim simulator. Disini, akan dibuat test bench yang berupa pemberian stimulus pada setiap port input sehingga kondisi output dapat dimonitor dan dibandingkan dengan desain yang diharapkan.

1. Langkah pertama, tambahkan test bench dengan cara klik Project>>New source pada ISE project manager. Pilih VHDL test bench, beri nama top_test dan klik next



2. Test bench yang dibuat akan diasosiasikan dengan source top yang telah dibuat. Klik next

3. Terakhir, akan ditunjukkan Summary pembuatan new source. Klik finish



4. Ganti tampilan implementation menjadi simulation. Perhatikan bahwa di process window sekarang berisi item Isim simulator. Abaikan error yang muncul di message window untuk sementara.

5. Lakukan dobel klik pada top_test.vhd jika belum terbuka. Perhatikan struktur konten dari file tersebut yang terdiri dari entity dan architecture seperti halnya kode source program. Di bagian architecture seluruh input diinisialisasi dengan nilai awal 0.

Di bagian ini juga terdapat beberapa konstanta yang berguna untuk desain berbasis clock. Penamaan harus diganti dengan input aktual yang bertugas sebagai clock. Namun untuk desain tutorial ini tidak memerlukan clock sehingga kode yang berisikan clock akan dihapus.



6. Cari seluruh konten kode test bench yang berkaitan dengan dan buang dari kode dengan cara memberikan comment pada line tersebut. Comment dapat dibuat dengan menambahkan -- pada awal setiap baris kode. Untuk beberapa baris kode, comment dapat dibuat dengan melakukan blok seluruh baris kode yang akan di-comment dan kemudian klik kanan>>comment>>selection. Perhatikan bahwa setelah semua kode di-comment, maka pesan error di message window akan hilang setelah program di save. Jika pesan error belum hilang, cek kembali seluruh kode dan pastikan semua telah terbuang dengan cara menjadikannya comment.

7. Masukkan kode test bench setelah -- insert stimulus here dan sebelum wait



Kode test bench yang digunakan adalah (merujuk pada timing diagram port input):

-- insert stimulus here Switch1



9. Pada simulation run time, isi dengan 200 ns. Ini adalah durasi waktu simulasi akan dijalankan. Klik OK

10. Dobel klik simulate behavioral model, dan jendela program ISim akan terbuka



11. Agar tampilan sinyal simulasi mudah dibaca, lakukan pengaturan tampilan dengan melalui View>>Zoom>>To full view.

12. Klik tanda + disamping LEDs untuk memonitor tampilan output led secara individual. Cek hasil simulasi secara timing diagram dengan kesesuaian pada desain sistem



4. Referensi

[1] Spartan-3E FPGA Starter Kit Board User Guide, Online: { HYPERLINK "http://www.xilinx.com/support/documentation/boards_and_kits/ug230.pdf" }

[2] Spartan-3E FPGA Starter Kit Board Design Examples, Online: { HYPERLINK "http://www.xilinx.com/products/boards/s3estarter/reference_designs.htm" }

[3] FPGA Prototyping By VHDL Examples. Pong P. Chu. A John Wiley & Sons, Inc., Publication: 2008

[4] The Spartan-3E Tutorial 1: Introduction to FPGA Programming. Jasmine Banks. Queensland University of Technology: 2014

introduction to fpga programming

Documents