PLA 与 PAL 的深度博弈：2026年视角下的硬件架构演进与AI辅助设计实践

在数字电路设计的浩瀚海洋中，你是否曾面临过这样的抉择：为了实现一个特定的布尔逻辑功能，是应该选择灵活性极高的可编程逻辑器件，还是为了极致的成本和速度考虑，选择结构相对简单的方案？这是一个困扰了无数电子工程师和硬件开发者的经典问题，也是硬件设计中“空间换时间”与“通用换效率”哲学的原始体现。

今天，我们将以 2026 年的技术视角，深入探讨两种基础且极其重要的可编程逻辑器件——可编程逻辑阵列 (PLA) 和 可编程阵列逻辑 (PAL)。虽然现在的你可能更习惯于使用拥有数百万门的 FPGA 或敏捷开发 SoC，但理解 PLA 和 PAL 的架构差异，是掌握现代逻辑综合算法和底层硬件优化的基石。

在这篇文章中，我们不仅会厘清这些概念，还会带你穿越回基础逻辑的构建时代，并结合现代 Agentic AI（自主智能体） 开发流程，展示这些基础器件在当今芯片验证和边缘计算中的新生命。我们将从底层结构出发，结合具体的逻辑设计案例（比如多路选择器和编码器），通过 SystemVerilog 的高级特性，展示这两种器件是如何通过“与”阵列和“或”阵列的巧妙配合来实现硬件逻辑的。

PLA 与 PAL：核心架构的直观认知

在深入技术细节之前，让我们先建立一个直观的认知。如果你接触过数字逻辑设计，你一定知道“积之和”是组合逻辑的基础。PLA 和 PAL 的核心区别就在于它们对这种表达式的处理方式不同，这直接决定了它们的 PPA（性能、功耗、面积）表现。

想象一下，你正在设计一个电路的迷宫：

• PLA (可编程逻辑阵列) 就像是给了你上帝视角。在这个迷宫中，所有的墙壁（即“与”阵列）和所有的出口（即“或”阵列）都可以由你随意移动和建造。你可以实现极其复杂的逻辑功能，因为你在“与”门和“或”门两个层面上都拥有完全的控制权。这种极高的灵活性意味着你可以用它来实现任何复杂的布尔函数，但也意味着路径规划可能更复杂，且成本更高。在现代综合工具中，PLA 概念常用于实现不规则的控制逻辑。

• PAL (可编程阵列逻辑) 则更像是给你一个半成品迷宫。在这个迷宫里，出口（即“或”阵列）的位置是固定不变的，你只能通过移动墙壁（即“与”阵列”）来改变路径以通向那些固定的出口。这种结构限制了你实现复杂逻辑的能力（因为输出端的组合是固定的），但也正是这种固定的结构，大大简化了布线，降低了成本，并提高了信号传输的速度。这往往是现代 FPGA 查找表 (LUT) 内部结构的某种雏形。

为了让你更清晰地看到这种差异，我们可以看到：PLA 的两个阵列都是可编程的（用 X 表示可编程连接），而 PAL 只有“与”阵列是可编程的，“或”阵列则是硬连接的。这种简单的架构差异，在 2026 年的今天，依然影响着我们在进行低功耗逻辑设计时的决策。

深入理解可编程逻辑阵列 (PLA)

什么是 PLA？

可编程逻辑阵列 (PLA) 是一种在数字电路设计中用于实现组合逻辑电路的器件。正如我们前面提到的，它的核心特征在于它包含了一个可编程的“与”门阵列和一个可编程的“或”门阵列。

这意味着 PLA 允许我们完全自由地配置其内部的连接。我们可以根据需要，在输入、与门以及或门之间对连接进行编程，从而实现我们需要的任何布尔功能。这种双重的灵活性使得 PLA 非常适合用于那些逻辑关系极其复杂、或者需要高度定制化的设计场景，比如 CPU 中的微代码控制器。

PLA 的工作原理与现代代码建模

让我们通过一个具体的例子来理解 PLA 是如何工作的。假设我们需要实现一个逻辑电路，其输入为 A, B, C，输出为 F1 和 F2。逻辑表达式如下：

• F1 = A + BC
• F2 = A‘B + AC + B‘C

在 PLA 中，我们可以按照以下步骤进行编程：

• 生成乘积项：利用可编程的 AND 阵列生成所需的乘积项（如 A, BC, A‘B, AC, B‘C）。
• 求和：利用可编程的 OR 阵列将这些乘积项组合起来，形成最终的输出。

为了在现代工程中模拟这种行为，我们使用 SystemVerilog 来建模。注意，我们在代码中加入了参数化和断言，这符合 2026 年高质量工程标准。

// PLA 的高阶 SystemVerilog 模型
// 包含自检查逻辑，适用于现代验证环境

module pla_design (
    input wire logic [2:0] in, // 打包输入：[A, B, C]
    output logic F1, 
    output logic F2
);
    // 自动解包输入以提高可读性
    logic A, B, C;
    assign {A, B, C} = in;

    // --- 第一阶段：可编程 AND 阵列 ---
    // 在实际 PLA 中，这些是物理熔丝。在这里我们用逻辑门模拟。
    // 乘积项线
    logic p0, p1, p2, p3, p4;

    // p0 = A
    assign p0 = A; 
    // p1 = B AND C
    assign p1 = B & C;
    // p2 = (NOT A) AND B
    assign p2 = (~A) & B;
    // p3 = A AND C
    assign p3 = A & C;
    // p4 = (NOT B) AND C
    assign p4 = (~B) & C;

    // --- 第二阶段：可编程 OR 阵列 ---
    // PLA 的核心优势：可以随意组合任意数量的乘积项到输出
    // F1 = A OR (B AND C)
    assign F1 = p0 | p1;

    // F2 = (A‘ AND B) OR (A AND C) OR (B‘ AND C)
    // 这种任意组合是 PLA 独有的灵活性
    assign F2 = p2 | p3 | p4;

    // --- 现代 2026 开发实践：内建自检查 ---
    // 我们不需要单独写 testbench，而是在模块内部绑定断言
    // 这大大减少了调试时间，是硬件设计的"安全左移"实践
    `ifdef FORMAL_VERIFICATION
        property f1_check;
            @(posedge clk) F1 == (A | (B & C));
        endproperty
        assert_f1: assert property(f1_check);
    `endif

endmodule

深入理解可编程阵列逻辑 (PAL)

什么是 PAL？

可编程阵列逻辑 (PAL) 是在 PLA 之后出现的一种器件，旨在解决 PLA 成本高、速度慢的问题。与 PLA 的“双重可编程”不同，PAL 采用了“可编程 AND 阵列 + 固定 OR 阵列”的架构。

这意味着，你只能控制乘积项的生成（AND 阵列），而这些乘积项如何组合成输出（OR 阵列）是在出厂时就固定好的。例如，一个典型的 PAL 器件可能规定每个输出端只能由 4 个特定的乘积项进行 OR 运算。你不能随意改变这个数量或连接方式。

PAL 的工作原理与结构限制

让我们用同样的逻辑例子 F1 = A + BC 来看看 PAL 的限制和实现方式。假设我们使用的 PAL 器件每个输出只能连接 2 个乘积项（对于这个例子恰好够用）。但如果你想实现 3 项与或逻辑，在 PAL 上就会遇到麻烦。

// PAL 结构的 SystemVerilog 模拟
// 重点在于展示 OR 阵列的固定性及其带来的限制

module pal_design (
    input wire logic [2:0] in,
    output logic F1_pal
);
    logic A, B, C;
    assign {A, B, C} = in;

    // 内部信号，代表固定的乘积项输入线
    // 假设这个 PAL 的 OR 门硬件上固定只接收输入 w0 和 w1
    logic w0, w1;

    // --- 可编程 AND 阵列 ---
    // 我们必须精心设计 AND 阵列，使其输出正好匹配 OR 阵列的固定输入位置
    assign w0 = A; 
    assign w1 = B & C;

    // --- 固定 OR 阵列 ---
    // 这里的连接是“硬”的，类似于专用硬件电路。
    // 在综合工具中，这会被映射为查找表 (LUT) 的特定配置
    assign F1_pal = w0 | w1; 

    /*
     * 工程师经验分享：
     * 如果我们要实现 F = A + B + C (3个乘积项相或)，而这个 PAL 的 OR 门
     * 固定只支持 2 个输入，直接编译会报错。在实际的 2026 年 FPGA 开发中，
     * 综合器会自动尝试将逻辑拆分到多个 LUT 中，但这会增加延迟层级。
     * 理解 PAL 的这种局限性，有助于我们写出时序更优的代码。
     */

endmodule

2026 视角下的实战对比：性能与成本

在 AI 辅助设计的今天，我们选择 PLA（类 CPLD/FPGA 结构）还是 PAL（类受限逻辑）的哲学依然存在。让我们从性能、成本和可维护性三个维度进行深度对比。

1. 性能优化与时序收敛

PLA 的挑战：由于两层阵列都可编程，信号路径的不确定性较大。在 2026 年的先进工艺节点（如 3nm/2nm）下，互连延迟远大于门延迟。PLA 结构的复杂布线可能导致难以满足严格的时序约束。
PAL 的优势：固定的 OR 阵列意味着信号路径是可预测的。这种确定性使得 PAL 结构在高速信号处理中依然有参考价值。在 FPGA 设计中，我们通常希望逻辑能适配在一个 LUT 级联中，这正是 PAL 理念的现代映射——尽量减少逻辑层级。

2. AI 辅助开发与代码生成

随着 Cursor 和 GitHub Copilot 等 AI 工具的普及，我们需要思考：AI 如何处理这两种架构？

• 对于 PLA：由于逻辑表达极其灵活，AI 生成的代码往往非常直观，因为它可以直接翻译布尔方程。但在综合后，可能会产生较大的物理面积。
• 对于 PAL：由于存在资源限制（例如每个输出的扇入限制），AI 需要具备更强的逻辑优化能力，将复杂的表达式“挤压”进固定的结构中。这实际上是在测试 AI 的“逻辑综合”能力。

实战建议：在使用 AI 生成硬件代码时，如果你针对的是特定资源受限的器件（如低功耗 CPLD），请在 Prompt 中明确加入“请优化逻辑层级，减少乘积项数量”的指令，这能引导 AI 生成更符合 PAL 风格的高效代码。

3. 真实场景中的架构选型

让我们思考一个真实的 2026 年场景：边缘 AI 设备的底层控制逻辑。

在边缘设备中，我们需要极低的功耗和极快的响应速度来实现电源管理。

• 方案 A (PLA 风格)：使用微控制器 (MCU) 软件实现。这就像 PLA，你可以编写任何复杂的电源状态机逻辑。

缺点*：每次唤醒都要跑代码，延迟高，功耗大。

• 方案 B (PAL 风格)：使用硬连线的逻辑电路或极低功耗的 FPGA e-Flash 模块实现。这就是 PAL 的现代版——固定的硬件结构，响应速度纳秒级，几乎零静态功耗。

结论*：对于这类高频、简单、响应敏感的逻辑，PAL 类型的硬连线方案在 2026 年依然是首选。

综合实战案例：带容错的优先级编码器

为了展示我们如何在实际工程中应用这些概念，让我们设计一个简单的优先级编码器，并展示如何处理边界情况——这是区分学生代码和工业级代码的关键。

我们将使用类似 PLA 的灵活性来实现逻辑，但加入 PAL 风格的资源限制思考。

// 工业级优先级编码器示例
// 结合了 PLA 的灵活性与现代设计的安全性

module priority_encoder_pd (
    input wire logic [3:0] req,
    output logic [1:0] grant,
    output logic valid,
    input wire logic enable // 使能信号，模拟 PAL 的时钟/选通
);

    // --- 逻辑实现 ---
    // 我们可以利用 assign 并行赋值来模拟 PLA 的阵列连接
    // 这种“空间换时间”的写法是 PLA 架构的典型特征

    logic [3:0] req_masked;
    assign req_masked = enable ? req : 4‘b0000;

    // 优先级逻辑：req[3] > req[2] > req[1] > req[0]
    // 这里我们展示 PLA 的灵活性：任何复杂的布尔组合都允许
    assign grant[1] = req_masked[3] | req_masked[2]; // 最高两位优先
    assign grant[0] = req_masked[3] | (~req_masked[2] & req_masked[1]); 
    
    // Valid 信号：只要有一个请求被处理即有效
    assign valid = |req_masked; 

    // --- 现代 2026 设计理念：边界情况处理 ---
    // 1. 覆盖率检查：在仿真中，我们是否覆盖了所有输入组合？
    // 2. X态传播：如果输入是 X（不确定态），输出是什么？
    
    // 使用 SystemVerilog 的断言来保证 PAL 风格的“固定输出”特性不被打破
    // 例如：确保 grant 信号在 enable 为低时必须为 0
    `ifdef DEBUG
        always_comb begin
            if (!enable) begin
                assert (grant == 2‘b00) else $error("Grant leakage detected!");
            end
        end
    `endif

endmodule

陷阱排查与最佳实践

在我们的项目中，总结了一些关于逻辑映射的经验，希望能帮助你避坑：

• 不要忽视“逻辑扇入”：在 PAL 或现代 LUT 设计中，如果一个逻辑函数的输入项过多（超过 6-8 个），综合工具会将其拆解。这会增加延迟。最佳实践：手动拆分大型逻辑表达式，控制关键路径的逻辑层级，不要完全依赖综合工具。

• 避免组合逻辑环路：PLA 的灵活性很容易让你无意中创建组合逻辑环路（例如 A = f(B), B = f(A)）。在现代设计中，这是导致时序违例和功耗激增的元凶。解决方案：始终确保代码是可综合的，并且寄存器打在所有输出端，切断组合路径。

• 利用 AI 进行逻辑等价性检查：当你从 PLA 风格重构到 PAL 风格以节省面积时，功能是否一致？2026 年，我们可以使用 AI 工具自动生成形式验证属性，确保重构后的代码逻辑完全等价。

总结：走向未来的设计哲学

通过对 PLA 和 PAL 的深入剖析，并结合 2026 年的开发环境，我们可以看到，这两种古老的架构思想依然鲜活。

• PLA 的精神在于灵活性和并行性。在现代设计中，它演变成了 FPGA 中的海量互连资源，以及 GPU/TPU 中用于处理复杂 AI 模型的可重构阵列。
• PAL 的精神在于效率和确定性。它演变成了 ASIC 中的标准单元库，以及边缘计算中的硬连线加速器。

我们的最终建议是：

在你的下一个项目中，试着用“Vibe Coding”的方式思考——先用类似 PLA 的灵活思维快速构建原型，验证逻辑正确性；然后，在性能优化阶段，借鉴 PAL 的思想，收敛逻辑，固定路径，打造出既高性能又低功耗的完美系统。

无论技术如何迭代，对底层逻辑的理解永远是我们工程师最核心的竞争力。希望这篇文章能为你提供从底层架构到现代工作流的全方位指引。