在數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展歷程中，可編程邏輯器件（PLD）扮演了舉足輕重的角色。它們允許設(shè)計者在芯片制造完成后，通過編程來定義或修改芯片的功能，極大地縮短了開發(fā)周期，降低了成本。在眾多PLD家族成員中，通用陣列邏輯（Generic Array Logic, GAL）芯片以其獨特的優(yōu)勢，在一段時間內(nèi)成為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中的主流選擇。GAL芯片不僅繼承了其前輩PAL（可編程陣列邏輯）器件的優(yōu)點，更通過引入可擦除、可重復(fù)編程的特性，為工程師們提供了前所未有的靈活性。

1. GAL芯片的起源與發(fā)展

GAL芯片由Lattice Semiconductor公司于1985年推出，它的出現(xiàn)是對早期可編程邏輯器件的一次重大革新。在GAL誕生之前，PAL器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路設(shè)計中。PAL器件的核心思想是“與或陣列”結(jié)構(gòu)，其中“與”陣列是可編程的，而“或”陣列是固定的。這種結(jié)構(gòu)使得PAL器件能夠?qū)崿F(xiàn)“乘積項之和”的邏輯表達式。然而，PAL器件通常采用一次性可編程（OTP）技術(shù)，一旦編程完成，其內(nèi)部邏輯功能就無法更改。這意味著如果設(shè)計有誤或需要修改，就必須更換新的芯片，這無疑增加了開發(fā)成本和時間。

為了克服PAL器件的這一局限性，Lattice Semiconductor公司創(chuàng)新性地引入了E2CMOS?（電可擦除CMOS）技術(shù)，并將其應(yīng)用于GAL芯片中。E2CMOS技術(shù)使得GAL芯片的內(nèi)部存儲單元能夠通過電信號進行擦除和重新編程，從而實現(xiàn)了可重復(fù)編程的功能。這一特性使得GAL芯片在原型開發(fā)、設(shè)計迭代和教育領(lǐng)域具有了巨大的吸引力。

GAL的出現(xiàn)不僅僅是技術(shù)的進步，它也促進了PLD市場的多元化發(fā)展。在GAL之后，更復(fù)雜的可編程邏輯器件，如復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）也相繼問世，它們在邏輯容量和功能靈活性上都超越了GAL。然而，GAL芯片因其相對簡單的結(jié)構(gòu)、易于編程的特點以及較低的成本，在一些中小型邏輯電路設(shè)計中仍然保持著一席之地。

2. GAL芯片的核心架構(gòu)與工作原理

GAL芯片的內(nèi)部架構(gòu)是其實現(xiàn)可編程邏輯功能的基礎(chǔ)。雖然不同型號的GAL芯片在具體細(xì)節(jié)上可能有所差異，但它們普遍遵循一種典型的“可編程AND陣列 + 固定OR陣列 + 輸出邏輯宏單元（OLMC）”的結(jié)構(gòu)。

2.1 可編程AND陣列

這是GAL芯片的核心部分，由大量的可編程交叉點構(gòu)成。這些交叉點連接著輸入信號線和AND門的輸入端。每個交叉點都對應(yīng)一個可編程熔絲（或等效的E2CMOS存儲單元）。在初始狀態(tài)下，所有熔絲都是“斷開”的。通過編程，設(shè)計者可以選擇性地“連接”或“斷開”這些熔絲，從而決定哪些輸入信號將被送入特定的AND門。每個AND門輸出一個“乘積項”，這個乘積項是由其連接的輸入信號的邏輯AND運算結(jié)果。例如，如果一個AND門連接了輸入A和輸入B的非（NOT B），那么它的輸出就是A AND (NOT B)。

2.2 固定OR陣列

與可編程的AND陣列不同，OR陣列通常是固定的。它將來自AND陣列的多個乘積項進行邏輯OR運算，生成“乘積項之和”的形式。例如，如果OR陣列連接了兩個AND門的輸出（乘積項P1和乘積項P2），那么它的輸出就是P1 OR P2。這種“乘積項之和”的結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)任意組合邏輯函數(shù)的基礎(chǔ)。

2.3 輸出邏輯宏單元（Output Logic Macrocell, OLMC）

OLMC是GAL芯片的一個關(guān)鍵創(chuàng)新，也是其相對于早期PAL器件更具靈活性的體現(xiàn)。每個OLMC通常包含以下幾個重要組成部分：

• D型觸發(fā)器（D-type Flip-Flop）： 用于實現(xiàn)時序邏輯功能，例如寄存器、計數(shù)器和狀態(tài)機。通過D型觸發(fā)器，GAL芯片可以將組合邏輯的輸出存儲起來，并在時鐘邊沿觸發(fā)時更新其狀態(tài)。這使得GAL能夠?qū)崿F(xiàn)具有記憶功能的電路，而不僅僅是純粹的組合邏輯。

• 多路復(fù)用器（Multiplexer）： OLMC中通常包含一個或多個多路復(fù)用器，用于選擇不同的信號路徑。例如，一個多路復(fù)用器可能允許選擇直接將組合邏輯輸出作為輸出，或者將其通過D型觸發(fā)器后作為輸出。這種靈活性使得同一個GAL芯片能夠配置成實現(xiàn)純組合邏輯或時序邏輯。

• 可編程極性控制（Programmable Polarity Control）： 允許用戶選擇輸出信號是正極性（非反相）還是負(fù)極性（反相）。這進一步增加了設(shè)計的靈活性，減少了對外部反相器的需求。

• 三態(tài)輸出緩沖器（Tri-state Output Buffer）： 用于控制輸出引腳是處于高電平、低電平還是高阻態(tài)。高阻態(tài)允許多個芯片共享同一條總線而不會互相干擾。三態(tài)緩沖器通常由一個單獨的控制信號激活或禁用。

• 反饋路徑（Feedback Path）： OLMC的輸出通常會有一條反饋路徑回到可編程AND陣列的輸入端。這條反饋路徑非常重要，它允許GAL芯片實現(xiàn)更復(fù)雜的時序邏輯功能，如狀態(tài)機和計數(shù)器，因為當(dāng)前的狀態(tài)可以作為下一次邏輯運算的輸入。

通過配置OLMC內(nèi)部的多路復(fù)用器和D型觸發(fā)器，GAL芯片能夠模擬多種不同類型的邏輯門和功能，從而替代多種不同型號的PAL器件，這也是其“通用”名稱的由來。例如，一個GAL16V8（一種常見的GAL芯片型號）可以通過編程配置成替代多種16輸入、8輸出的PAL器件。

3. GAL芯片的編程

GAL芯片的編程過程是將設(shè)計者期望的邏輯功能轉(zhuǎn)換為芯片內(nèi)部可識別的位模式，并將其寫入芯片內(nèi)部的E2CMOS存儲單元。這個過程通常涉及以下幾個步驟：

3.1 邏輯設(shè)計與描述

設(shè)計者首先需要使用硬件描述語言（HDL），如ABEL（Advanced Boolean Expression Language）或VHDL（VHSIC Hardware Description Language）的子集，來描述所需的邏輯功能。這些語言允許設(shè)計者以更抽象、更高級的方式來表達電路行為，例如使用布爾方程、真值表或狀態(tài)機描述。

3.2 編譯與綜合

編寫好的HDL代碼需要通過專門的開發(fā)工具進行編譯和綜合。編譯器會將HDL代碼轉(zhuǎn)換為邏輯表達式，并將其優(yōu)化。綜合工具則會將這些邏輯表達式映射到GAL芯片的內(nèi)部資源（AND陣列和OLMC）。這個過程會生成一個稱為JEDEC文件的標(biāo)準(zhǔn)格式文件，其中包含了具體的編程位模式。JEDEC文件是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確保了不同廠商的編程器可以識別并寫入。

3.3 編程器燒錄

生成JEDEC文件后，需要使用一個專門的GAL編程器將文件內(nèi)容燒錄到GAL芯片中。編程器通過特定的接口和協(xié)議，將JEDEC文件中的位模式寫入GAL芯片內(nèi)部的E2CMOS存儲單元。這個過程通常涉及到對芯片施加特定的編程電壓和時序。由于GAL是可重復(fù)編程的，如果需要修改設(shè)計，只需將芯片擦除，然后用新的JEDEC文件重新編程即可。

4. GAL芯片與PAL、CPLD、FPGA的比較

為了更好地理解GAL芯片的定位和特點，有必要將其與其他可編程邏輯器件進行比較：

4.1 GAL vs PAL

• 可擦除性與可重復(fù)編程性： 這是GAL相對于PAL最顯著的優(yōu)勢。PAL通常是OTP（一次性可編程），而GAL是E2CMOS技術(shù)，可擦除和重復(fù)編程，極大地提高了設(shè)計靈活性和降低了開發(fā)成本。

• 靈活性： GAL的OLMC設(shè)計使其比PAL更具通用性。一個GAL芯片可以替代多種不同型號的PAL器件，因為它可以通過編程來改變輸出配置（組合邏輯、時序邏輯、極性等）。PAL通常有固定的輸出結(jié)構(gòu)。

• 功耗： 早期PAL多為雙極性工藝，功耗相對較高。GAL采用CMOS技術(shù)，功耗更低。

4.2 GAL vs CPLD

• 邏輯容量： CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）在邏輯容量上遠(yuǎn)大于GAL。CPLD通常由多個類似于PAL/GAL的宏單元塊（Macrocell Block）組成，這些塊通過可編程的互連矩陣連接。這意味著CPLD可以實現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯功能和更大的電路規(guī)模。GAL的邏輯容量相對較小，適用于幾十到幾百個邏輯門的簡單到中等規(guī)模設(shè)計。

• 架構(gòu)： CPLD通常具有兩級可編程邏輯：宏單元內(nèi)部的可編程AND陣列和固定OR陣列，以及宏單元之間的可編程互連。GAL主要集中在單個可編程AND陣列和OLMC的結(jié)構(gòu)。

• 延時： CPLD由于其多級互連結(jié)構(gòu)，內(nèi)部信號傳播延時可能比GAL更長，但通常可預(yù)測。GAL的延時通常更低且更可預(yù)測，因為它通常是單級或兩級邏輯延時。

• 應(yīng)用場景： GAL適用于簡單的膠合邏輯、地址解碼、簡單的計數(shù)器和狀態(tài)機等。CPLD適用于更復(fù)雜的控制邏輯、小型處理器外設(shè)、高頻計數(shù)器和一些中等規(guī)模的數(shù)據(jù)路徑。

4.3 GAL vs FPGA

• 邏輯容量與復(fù)雜性： FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是所有可編程邏輯器件中邏輯容量最大、最復(fù)雜的。FPGA由大量的可編程邏輯塊（通常是查找表LUT和觸發(fā)器）、可編程互連資源以及輸入/輸出塊組成。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更像一個巨大的可配置門陣列。FPGA可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)，包括軟核處理器、數(shù)字信號處理（DSP）算法和高速通信接口。GAL的邏輯容量非常有限，與FPGA不可同日而語。

• 編程方式： 大多數(shù)FPGA在每次上電時都需要從外部存儲器加載配置數(shù)據(jù)（SRAM型FPGA）。少數(shù)FPGA內(nèi)置非易失性存儲器（Flash型）。GAL芯片則直接將配置信息存儲在內(nèi)部的E2CMOS中，上電后直接可用。

• 靈活性與資源利用率： FPGA的顆粒度更細(xì)，邏輯塊更小，互連資源更豐富，使得其資源利用率更高，可以實現(xiàn)更優(yōu)化的電路布局和布線。GAL的顆粒度相對較粗。

• 功耗： 對于相同的功能，F(xiàn)PGA通常會比GAL消耗更多的靜態(tài)功耗，盡管現(xiàn)代FPGA在低功耗方面也取得了很大進展。

• 應(yīng)用場景： GAL適用于簡單的輔助邏輯；CPLD適用于中等復(fù)雜度的控制和接口；FPGA適用于高性能、高集成度的數(shù)字系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)中心、通信設(shè)備、圖像處理和人工智能加速。

5. GAL芯片的應(yīng)用領(lǐng)域

盡管GAL芯片在邏輯容量上無法與現(xiàn)代CPLD和FPGA匹敵，但其獨特的優(yōu)勢使其在某些特定應(yīng)用領(lǐng)域仍然發(fā)揮著作用，尤其是在老舊系統(tǒng)維護、教育和一些對成本和簡單性要求較高的場景：

• 膠合邏輯（Glue Logic）： 這是GAL芯片最經(jīng)典的應(yīng)用之一。在微處理器系統(tǒng)中，經(jīng)常需要一些簡單的邏輯門來連接不同的芯片，例如地址解碼器、總線仲裁器、中斷控制器等。GAL芯片可以方便地實現(xiàn)這些零散的、簡單的邏輯功能，將多個離散的邏輯門芯片集成到一個GAL芯片中，從而簡化電路板設(shè)計，減少元件數(shù)量。

• 地址解碼： 在內(nèi)存和外設(shè)尋址中，需要根據(jù)地址總線上的信號來選擇特定的存儲器或外設(shè)。GAL芯片可以被編程為地址解碼器，根據(jù)不同的地址范圍生成相應(yīng)的片選信號。

• 簡單的狀態(tài)機（State Machine）： 對于簡單的順序邏輯控制，例如交通燈控制器、洗衣機控制器、步進電機控制器等，GAL芯片可以實現(xiàn)具有有限狀態(tài)的邏輯。

• 計數(shù)器與移位寄存器： GAL芯片的OLMC中的觸發(fā)器使其能夠方便地實現(xiàn)各種計數(shù)器（例如二進制計數(shù)器、BCD計數(shù)器）和移位寄存器功能。

• 脈沖生成與整形： 可以用于生成特定時序的脈沖信號或?qū)ΜF(xiàn)有脈沖信號進行整形。

• 數(shù)據(jù)選擇器/多路復(fù)用器： 可以根據(jù)控制信號選擇不同的數(shù)據(jù)輸入到輸出端。

• 教育與原型開發(fā)： 由于GAL芯片價格相對便宜，且易于學(xué)習(xí)和編程，因此在大學(xué)和工程教育中仍然被廣泛用于教授數(shù)字邏輯和可編程邏輯器件的基本概念。在一些小型項目的原型驗證階段，GAL芯片也因其快速迭代的優(yōu)勢而被青睞。

• 老舊系統(tǒng)維護與替代： 在一些老舊的電子設(shè)備中，可能使用了已經(jīng)停產(chǎn)的PAL或其他早期邏輯芯片。GAL芯片由于其通用性和可編程性，有時可以作為替代品，用于修復(fù)或升級這些老系統(tǒng)。

6. GAL芯片的未來展望

隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進步，以及CPLD和FPGA在性能、功耗和成本上的持續(xù)優(yōu)化，GAL芯片的市場份額和應(yīng)用范圍已經(jīng)大幅縮小。現(xiàn)代CPLD和FPGA不僅具有更大的邏輯容量，而且通常集成了更豐富的資源，如RAM、DSP塊、高速串行收發(fā)器等，使其能夠滿足更廣泛、更復(fù)雜的應(yīng)用需求。

然而，GAL芯片并不會完全消失。它在特定的小眾市場和應(yīng)用場景中仍然具有一定的價值。例如，在一些對成本極其敏感、對邏輯容量要求不高、且需要簡單可重復(fù)編程解決方案的領(lǐng)域，GAL仍然可以作為經(jīng)濟有效的選擇。此外，對于那些正在維護或升級老舊系統(tǒng)的工程師來說，了解和掌握GAL芯片仍然是一項有用的技能。

總而言之，GAL芯片作為可編程邏輯器件發(fā)展史上的一個重要里程碑，其可擦除、可重復(fù)編程的特性以及通用的輸出邏輯宏單元，為數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計帶來了革命性的便利。盡管它已經(jīng)被更先進的CPLD和FPGA所超越，但其在數(shù)字邏輯基礎(chǔ)教育、原型開發(fā)和一些特定應(yīng)用中的價值依然存在，是理解現(xiàn)代可編程邏輯技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)不可或缺的一環(huán)。