PAL,PLA,GAL数字逻辑系统
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精品课件
通用阵列逻辑GAL（Generic Array Logic）
➢ GAL是一种可电擦写、可重复编程、可设置加密位的 PLD器件
➢ 与PAL器件相比，GAL增加了一个可编程的输出逻辑宏 单元OLMC（Output Logic Macro Cell）。
➢ 由于在实际应用中，GAL器件几乎能够完全仿真PAL器
包含两个基本部分： 一是逻辑阵列，由与阵列、或阵列和反向器构成，可
实现任何组合逻辑。 二是输出单元或宏单元。设计者可以自己组配其输出
结构，直接输出就是组合逻辑，通过寄存器输出可以 实现时序逻辑。 以“与/或”阵列为基础的包括四种基本类型： PROM（可编程只读存储器）、PLA（可编程逻辑阵列）、 PAL（可编程阵列逻辑）、GAL（通用可编程阵列逻 辑）。它们的区别在于哪个矩阵可编程和输出结构的 形式。
精品课件
可编程阵列逻辑PAL（Programmable Array Logic）
PAL的基本结构也是基于 “与或阵列” 的，它的“与阵列”是可编程的而 “或阵 列”是固定的。PAL最早出自AMD公司。
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PAL的基本电路结构
❖ 可编程阵列逻辑PAL (Programmable Array Logic ）❖ 对与阵列编程可以获得不同形式 基本组成包括：输入互补缓冲； 的组合逻辑函数。 可编程与阵列；固定或阵列； ❖ PAL和触发器可构成时序电路。
可编程逻辑器件（PLD)
可编程逻辑阵列PLA 可编程阵列逻辑PAL 通用阵列逻辑GAL
精品课件
可编程逻辑器件PLD:
由用户自己而不是芯片的生产厂 家最后完成其逻辑功能，允许用 户在相应的软硬件平台的支持下， 通过编程开发出自己的芯片。
具有很强的逻辑设计灵活性，是 数字设计的方向
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PLD的基本结构
❖ GAL的输出结构配置了可以任意组态的输出逻辑宏单 元OLMC（Output Logic Macro Cell）。
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GAL器件的结构特点
• GAL与PAL相比，在结构上的显著特点是输出采用 了宏单元（OLMC）。也就是说，PAL可编程与阵列 是送到一个固定的或阵列上输出的，而GAL可编程 与阵列则是送到OLMC上输出的。
▪ GAL16V8中16表示器件的输入端数量，8表示输出 端数量，V表示输出形式可以改变的普通型。
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GAL16V8和GAL20V8替代的PAL器件
精品课件
GAL输出逻辑宏单元OLMC
GAL输出逻辑宏单元OLMC的组成： ▪ 一个或门 ▪ 一个异或门 ▪ 一个D触发器 ▪ 四个数据选择器MUX
应用于数据检错和纠错、工业控制技术和计算机系统设计 等领域。 • PAL器件实现逻辑函数的过程是先化简逻辑函数得到最简 与－或式后，再画出PAL器件点阵图。 • 由于PAL器件品种繁多，所以选择合适型号的PAL器件就成 为应用中不可忽视的因素。选择器件主要考虑输入端、输 出端数量是否恰当，乘积项数符不符合要求，寄存器数量 够不够等因素。在实际应用中，还要考虑速度、功耗和输 出极性等。
除了可编程逻辑阵列PLA外，其他常用的可程式 逻辑装置还有可程式阵列逻辑(PAL)、复杂可程式 逻辑装置(CPLD)以及现场可程式逻辑闸阵列(FPGA)。
要注意的是，虽然可程式逻辑阵列一词中带有 “可程式”一字，但不表示所有的PLA都是具有现 场性的可程式化能力。事实上许多都属遮罩性的可 程式化，性质与ROM相同，必须在晶片製造厂内就 执行与完成程式化设定，尤其是内嵌于电路较复杂 的晶片(例如：微处理器)的PLA多属此种程式化方 式。
1. 1 2. A+B 3. A 4. A+B 5. B 6. A • B 7. A B 8. A+B
9. A 10.A • B 11.0 12.A • B 13.A⊙ B 14.A • B 15.B
16.A+B
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PAL的应用
• PAL器件可以实现组合逻辑和时序逻辑设计。 • PAL器件除了在一般逻辑设计中得到应用外，还被广泛地
特定的输出电路。
❖ 与阵列可编程使输入项增多，或
❖ 采用双极型熔丝工艺，工作速 阵列固定使器件简化。
度较高（10－35ns）。
❖ 或阵列固定明显影响了器件编程
的灵活性。
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4输入4输出16乘积项PAL器件的基本结构图
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编程后的PAL电路
Y1 I1I2I3 I2I3I4 I1I3I4 I1I2I4 Y2 I1 I2 I2 I3 I3 I4 I1 I4 Y3 I1 I2 I1I2 Y3 I1I2 I1 I2 精品课件
精品课件
精品课件
异或－寄存器型输出结构
两个或项在触发器的输入 把与项分割 端异或之后，在时钟上升 成两个或项 沿到来时存入触发器内
精品课件
▪ 增加了一 ▪ 个异或门
异或－寄存器型输出结构
输出部分有两个或门，它们的输出经异或门进行 异或运算后再经D触发器和三态缓冲器输出。
这种结构不仅便于对与－或阵列输出的函数求反， 还可以实现对寄存器状态进行保持操作。
• 或门经三态缓冲器由I/O端引出，三态门受与阵列中第一 行的与门
• 当三态门的控制端为“0”时，三态门禁止，输出呈高阻 状态，I/O引脚作输入使用。来自I/O端的输入信号通过反 馈输入缓冲器送到可编程的与阵列中。
• 当控制端为“1”时，三态门被选通， I/O引脚作输出使 用。同时该输出通过反馈输入缓冲器送到可编程的与阵列 中，故此时I/O端同时具有输入、输出功能。
寄存（时序）输出结构
或门之后增加了一个D触发器，在时钟上升沿作用 下或门的输出(输入乘积项的和)寄存在D触发器的 Q端，当使能信号OE有效时，Q端的信号经三态缓 冲器反相后输出，输出为低电平有效。
触发器Q非输出经过一个互补缓冲器反馈到与阵列 输入端上。
输出三态缓冲器由公共控制线控制。 用途：组成各类时序逻辑电路。 这种结构的产品有PAL16R4、 PAL16R8 等。
实现二进制计数很方便，二进制计数器的次态方 程可以写成相邻触发器状态的异或。
这种结构的产品有PAL20X4、 PAL20X8等。
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反馈选通电路 的输入变量B
运算选通反馈结
运算选通反馈结构
反馈选通结构的反馈量再接 至与逻辑阵列作为输入变精量品课件
反馈选通电路 的反馈变量A
利用反馈结构的反馈量编程可在与阵列的 输出端产生A和B的16种运算结构。
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可编程逻辑阵列PLA （Programmable Logic Array）
• PLA的基本结构是基于“与或阵列”，它 的“与阵列”和“或阵列”都是可编程 的。由于PLA器件的资源利用率低, 现在 已经很少使用。
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PLA可分为组合可编程逻辑阵列PLA和时序 可编程逻辑阵列PLA两种类型
• 这种结构的产品有PAL16L8、PAL20L10等。
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寄存（时序）输出结构
பைடு நூலகம்
8个乘积项
CP和输出使能OE是PAL的公共端
输出使能OE
▪ 或门的输出通过D触发器， ▪ 在CP的上升沿时到达输出。
触发器的反相端反馈回与
触发器的Q端可以 阵列，可构成时序逻辑电路 通过三态缓冲器 送到输出引脚
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输出数据选择器(OMUX)、 乘积项数据选择器(PTMUX) 三态数据选择器(TSMUX) 反馈数据选择器(FMUX) ▪ 一些门电路组成的控制电路。
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GAL器件的特点
• 优点：GAL是继PAL之后具有较高性能的PLD，和PAL相比， 具有以下优点： –有较高的通用性和灵活性：它的每个逻辑宏单元可以 根据需要任意组态，既可实现组合电路，又可实现时 序电路。 –利用率高：GAL采用电可擦除CMOS技术，可以用电压信 号擦除并可重新编程。因此，可反复使用。 –高性能的E2COMS工艺：使GAL的高速度、低功耗，编程 数据可保存20年以上
• 通过对OLMC单元的编程，GAL能满足更多的逻辑电 路要求，从而使它比PAL具有更多的功能，设计也 更为灵活。
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GAL器件型号
▪ GAL器件型号定义和PAL一样根据输入输出的数量 来确定。
▪ 目前常用GAL器件有GAL16V8和GAL20V8两种，其 基本电路结构大致相同，只是器件引脚数和规模 不同而已，它们能仿真所有的PAL器件。
组合可编程逻辑阵列PLA的逻辑结构：由一个“与” 阵列和一个“或”阵列构成，“与”阵列和“或”阵 列都是可编程的。
时序可编程逻辑阵列PLA的逻辑结构：由“与”阵列、 “或”阵列和一个用于存储以前状态的触发器网络构成
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可编程逻辑阵列应用
▪ 在可编程逻辑阵列PLA的应用中，有一种是用来 控制资料路径，在指令集内事先定义好逻辑状态， 并用此来产生下一个逻辑状态(透过条件分支)。
▪ 举例来说，如果目前机器(指整个逻辑系统)处于 二号状态，如果接下来的执行指令中含有一个立 即值(侦测到立即值的栏位)时，机器就从第二状 态转成四号状态，并且也可以进一步定义进入第 四状态后的接续动作。因此PLA等于扮演(晶片) 系统内含的逻辑状态图(statediagram)角色。
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可编程逻辑阵列应用
件，所以PAL器件已经很少被使用。
➢ GAL最早出自Lattice公司。
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GAL器件的分类和主要参数
GAL器件
普通型 通用型 异步型 FPLA型 在系统可编程型
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GAL的基本结构
❖ 通用阵列逻辑GAL （General Array Logic） 采用 E2CMOS工艺，具有电擦除、可重复编程和可加密等 特点。
一个输入
如输出采用或门，为高电平有效PAL器件。 若采用互补输出的或门，为互补输出器件。
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当最上面的乘积项为高电平时，三态门
专用输出基本门阵列结构
开通，I/O可作为输出或反馈； 为低电平时，三态门关断，作为输入。
8个乘积项
两个输入，一个来自外部I，另一来自反馈I/O。 精品课件
异步可编程I/O结构
PAL的输出和反馈结构
PAL 器件的型号很多，典型 的输出和反馈结构通常有 五种：
• 1. 专用输出基本门阵 列结构
• 2. 异步可编程I/O结 构
• 3. 寄存(时序)输出结 构
• 4. 异或－寄存器型输 出结构
• 5. 运算选通反馈结构
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专用输出基本门阵列结构
四个乘积项 输入信号
四个乘积项通过或 非门低电平输出。
通用阵列逻辑GAL（Generic Array Logic）
➢ GAL是一种可电擦写、可重复编程、可设置加密位的 PLD器件
➢ 与PAL器件相比，GAL增加了一个可编程的输出逻辑宏 单元OLMC（Output Logic Macro Cell）。
➢ 由于在实际应用中，GAL器件几乎能够完全仿真PAL器
包含两个基本部分： 一是逻辑阵列，由与阵列、或阵列和反向器构成，可
实现任何组合逻辑。 二是输出单元或宏单元。设计者可以自己组配其输出
结构，直接输出就是组合逻辑，通过寄存器输出可以 实现时序逻辑。 以“与/或”阵列为基础的包括四种基本类型： PROM（可编程只读存储器）、PLA（可编程逻辑阵列）、 PAL（可编程阵列逻辑）、GAL（通用可编程阵列逻 辑）。它们的区别在于哪个矩阵可编程和输出结构的 形式。
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可编程阵列逻辑PAL（Programmable Array Logic）
PAL的基本结构也是基于 “与或阵列” 的，它的“与阵列”是可编程的而 “或阵 列”是固定的。PAL最早出自AMD公司。
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PAL的基本电路结构
❖ 可编程阵列逻辑PAL (Programmable Array Logic ）❖ 对与阵列编程可以获得不同形式 基本组成包括：输入互补缓冲； 的组合逻辑函数。 可编程与阵列；固定或阵列； ❖ PAL和触发器可构成时序电路。
可编程逻辑器件（PLD)
可编程逻辑阵列PLA 可编程阵列逻辑PAL 通用阵列逻辑GAL
精品课件
可编程逻辑器件PLD:
由用户自己而不是芯片的生产厂 家最后完成其逻辑功能，允许用 户在相应的软硬件平台的支持下， 通过编程开发出自己的芯片。
具有很强的逻辑设计灵活性，是 数字设计的方向
精品课件
PLD的基本结构
❖ GAL的输出结构配置了可以任意组态的输出逻辑宏单 元OLMC（Output Logic Macro Cell）。
精品课件
GAL器件的结构特点
• GAL与PAL相比，在结构上的显著特点是输出采用 了宏单元（OLMC）。也就是说，PAL可编程与阵列 是送到一个固定的或阵列上输出的，而GAL可编程 与阵列则是送到OLMC上输出的。
▪ GAL16V8中16表示器件的输入端数量，8表示输出 端数量，V表示输出形式可以改变的普通型。
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GAL16V8和GAL20V8替代的PAL器件
精品课件
GAL输出逻辑宏单元OLMC
GAL输出逻辑宏单元OLMC的组成： ▪ 一个或门 ▪ 一个异或门 ▪ 一个D触发器 ▪ 四个数据选择器MUX
应用于数据检错和纠错、工业控制技术和计算机系统设计 等领域。 • PAL器件实现逻辑函数的过程是先化简逻辑函数得到最简 与－或式后，再画出PAL器件点阵图。 • 由于PAL器件品种繁多，所以选择合适型号的PAL器件就成 为应用中不可忽视的因素。选择器件主要考虑输入端、输 出端数量是否恰当，乘积项数符不符合要求，寄存器数量 够不够等因素。在实际应用中，还要考虑速度、功耗和输 出极性等。
除了可编程逻辑阵列PLA外，其他常用的可程式 逻辑装置还有可程式阵列逻辑(PAL)、复杂可程式 逻辑装置(CPLD)以及现场可程式逻辑闸阵列(FPGA)。
要注意的是，虽然可程式逻辑阵列一词中带有 “可程式”一字，但不表示所有的PLA都是具有现 场性的可程式化能力。事实上许多都属遮罩性的可 程式化，性质与ROM相同，必须在晶片製造厂内就 执行与完成程式化设定，尤其是内嵌于电路较复杂 的晶片(例如：微处理器)的PLA多属此种程式化方 式。
1. 1 2. A+B 3. A 4. A+B 5. B 6. A • B 7. A B 8. A+B
9. A 10.A • B 11.0 12.A • B 13.A⊙ B 14.A • B 15.B
16.A+B
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PAL的应用
• PAL器件可以实现组合逻辑和时序逻辑设计。 • PAL器件除了在一般逻辑设计中得到应用外，还被广泛地
特定的输出电路。
❖ 与阵列可编程使输入项增多，或
❖ 采用双极型熔丝工艺，工作速 阵列固定使器件简化。
度较高（10－35ns）。
❖ 或阵列固定明显影响了器件编程
的灵活性。
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4输入4输出16乘积项PAL器件的基本结构图
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编程后的PAL电路
Y1 I1I2I3 I2I3I4 I1I3I4 I1I2I4 Y2 I1 I2 I2 I3 I3 I4 I1 I4 Y3 I1 I2 I1I2 Y3 I1I2 I1 I2 精品课件
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异或－寄存器型输出结构
两个或项在触发器的输入 把与项分割 端异或之后，在时钟上升 成两个或项 沿到来时存入触发器内
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▪ 增加了一 ▪ 个异或门
异或－寄存器型输出结构
输出部分有两个或门，它们的输出经异或门进行 异或运算后再经D触发器和三态缓冲器输出。
这种结构不仅便于对与－或阵列输出的函数求反， 还可以实现对寄存器状态进行保持操作。
• 或门经三态缓冲器由I/O端引出，三态门受与阵列中第一 行的与门
• 当三态门的控制端为“0”时，三态门禁止，输出呈高阻 状态，I/O引脚作输入使用。来自I/O端的输入信号通过反 馈输入缓冲器送到可编程的与阵列中。
• 当控制端为“1”时，三态门被选通， I/O引脚作输出使 用。同时该输出通过反馈输入缓冲器送到可编程的与阵列 中，故此时I/O端同时具有输入、输出功能。
寄存（时序）输出结构
或门之后增加了一个D触发器，在时钟上升沿作用 下或门的输出(输入乘积项的和)寄存在D触发器的 Q端，当使能信号OE有效时，Q端的信号经三态缓 冲器反相后输出，输出为低电平有效。
触发器Q非输出经过一个互补缓冲器反馈到与阵列 输入端上。
输出三态缓冲器由公共控制线控制。 用途：组成各类时序逻辑电路。 这种结构的产品有PAL16R4、 PAL16R8 等。
实现二进制计数很方便，二进制计数器的次态方 程可以写成相邻触发器状态的异或。
这种结构的产品有PAL20X4、 PAL20X8等。
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反馈选通电路 的输入变量B
运算选通反馈结
运算选通反馈结构
反馈选通结构的反馈量再接 至与逻辑阵列作为输入变精量品课件
反馈选通电路 的反馈变量A
利用反馈结构的反馈量编程可在与阵列的 输出端产生A和B的16种运算结构。
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可编程逻辑阵列PLA （Programmable Logic Array）
• PLA的基本结构是基于“与或阵列”，它 的“与阵列”和“或阵列”都是可编程 的。由于PLA器件的资源利用率低, 现在 已经很少使用。
精品课件
PLA可分为组合可编程逻辑阵列PLA和时序 可编程逻辑阵列PLA两种类型
• 这种结构的产品有PAL16L8、PAL20L10等。
精品课件
寄存（时序）输出结构
பைடு நூலகம்
8个乘积项
CP和输出使能OE是PAL的公共端
输出使能OE
▪ 或门的输出通过D触发器， ▪ 在CP的上升沿时到达输出。
触发器的反相端反馈回与
触发器的Q端可以 阵列，可构成时序逻辑电路 通过三态缓冲器 送到输出引脚
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输出数据选择器(OMUX)、 乘积项数据选择器(PTMUX) 三态数据选择器(TSMUX) 反馈数据选择器(FMUX) ▪ 一些门电路组成的控制电路。
精品课件
GAL器件的特点
• 优点：GAL是继PAL之后具有较高性能的PLD，和PAL相比， 具有以下优点： –有较高的通用性和灵活性：它的每个逻辑宏单元可以 根据需要任意组态，既可实现组合电路，又可实现时 序电路。 –利用率高：GAL采用电可擦除CMOS技术，可以用电压信 号擦除并可重新编程。因此，可反复使用。 –高性能的E2COMS工艺：使GAL的高速度、低功耗，编程 数据可保存20年以上
• 通过对OLMC单元的编程，GAL能满足更多的逻辑电 路要求，从而使它比PAL具有更多的功能，设计也 更为灵活。
精品课件
GAL器件型号
▪ GAL器件型号定义和PAL一样根据输入输出的数量 来确定。
▪ 目前常用GAL器件有GAL16V8和GAL20V8两种，其 基本电路结构大致相同，只是器件引脚数和规模 不同而已，它们能仿真所有的PAL器件。
组合可编程逻辑阵列PLA的逻辑结构：由一个“与” 阵列和一个“或”阵列构成，“与”阵列和“或”阵 列都是可编程的。
时序可编程逻辑阵列PLA的逻辑结构：由“与”阵列、 “或”阵列和一个用于存储以前状态的触发器网络构成
精品课件
可编程逻辑阵列应用
▪ 在可编程逻辑阵列PLA的应用中，有一种是用来 控制资料路径，在指令集内事先定义好逻辑状态， 并用此来产生下一个逻辑状态(透过条件分支)。
▪ 举例来说，如果目前机器(指整个逻辑系统)处于 二号状态，如果接下来的执行指令中含有一个立 即值(侦测到立即值的栏位)时，机器就从第二状 态转成四号状态，并且也可以进一步定义进入第 四状态后的接续动作。因此PLA等于扮演(晶片) 系统内含的逻辑状态图(statediagram)角色。
精品课件
可编程逻辑阵列应用
件，所以PAL器件已经很少被使用。
➢ GAL最早出自Lattice公司。
精品课件
GAL器件的分类和主要参数
GAL器件
普通型 通用型 异步型 FPLA型 在系统可编程型
精品课件
GAL的基本结构
❖ 通用阵列逻辑GAL （General Array Logic） 采用 E2CMOS工艺，具有电擦除、可重复编程和可加密等 特点。
一个输入
如输出采用或门，为高电平有效PAL器件。 若采用互补输出的或门，为互补输出器件。
精品课件
当最上面的乘积项为高电平时，三态门
专用输出基本门阵列结构
开通，I/O可作为输出或反馈； 为低电平时，三态门关断，作为输入。
8个乘积项
两个输入，一个来自外部I，另一来自反馈I/O。 精品课件
异步可编程I/O结构
PAL的输出和反馈结构
PAL 器件的型号很多，典型 的输出和反馈结构通常有 五种：
• 1. 专用输出基本门阵 列结构
• 2. 异步可编程I/O结 构
• 3. 寄存(时序)输出结 构
• 4. 异或－寄存器型输 出结构
• 5. 运算选通反馈结构
精品课件
专用输出基本门阵列结构
四个乘积项 输入信号
四个乘积项通过或 非门低电平输出。