在数字电路设计的浩瀚海洋中，你是否曾经在寻找一种既能满足特定逻辑需求，又比全定制电路更灵活、比通用逻辑门更高效的解决方案？今天，我们将一起深入探索可编程阵列逻辑的世界。这不仅仅是一个关于硬件组件的讨论，更是一场关于如何优雅地实现组合逻辑电路的思维之旅。我们将通过这篇文章，彻底搞懂 PAL 的工作原理，剖析它与 PLA 和 ROM 的区别，并通过实战代码示例掌握它的设计逻辑。
目录
什么是可编程阵列逻辑 (PAL)？
让我们先从基础概念入手。可编程阵列逻辑，简称 PAL，是一种用于实现组合逻辑电路的数字器件。你可能熟悉标准的 74 系列逻辑门，比如与门（AND）、或门（OR），但在处理复杂的逻辑时，仅仅将这些门电路焊接在面包板上不仅效率低下，而且极易出错。这时，PAL 就像是一个预先封装好的“逻辑瑞士军刀”，它的核心结构包含两部分：
- 可编程的 AND（与）阵列：这是我们可以自定义的部分。
- 固定的 OR（或）阵列：这是预先连接好的部分。
这种“一松一紧”的结构设计（AND 可编程，OR 固定）使得 PAL 在制造难度、运行速度和成本之间找到了一个极佳的平衡点。相比于 AND 和 OR 阵列都可编程的 PLA（可编程逻辑阵列），PAL 的结构更简单，这意味着更少的传播延迟和更快的速度，虽然牺牲了一部分灵活性，但在很多实际场景中，PAL 的表现堪称完美。
PAL 的内部架构：解剖“黑盒”
为了更好地使用 PAL，我们需要像外科医生一样了解它的内部构造。让我们拆开来看看它的核心组件。
1. 可编程 AND 阵列
这是 PAL 的灵魂所在。想象一下，你面前有一个巨大的交叉点矩阵，行代表输入信号（及其反相信号），列代表乘积项。在这个矩阵的每一个交叉点上，都有一个熔丝。
在编程之前，所有的连接都是存在的。当我们使用硬件描述语言（HDL）或专用的烧录器对其进行编程时，实际上就是在有选择地“熔断”这些熔丝。通过这种方式，我们可以精确地控制哪些输入信号（或其反相）参与到逻辑运算中来。这使得我们能够根据需要，组合出各种复杂的“乘积项”。
2. 固定 OR 阵列
与灵活的 AND 阵列不同，OR 阵列在出厂时就已经固定好了。每一个 OR 门的输入端连接到了一组特定的 AND 门输出端。这种固定的连接关系简化了硬件结构，但也意味着我们在设计逻辑函数时，必须考虑到每个 OR 门所能接收的乘积项数量限制。每一个 OR 门的输出，最终就是我们期望的逻辑功能输出。
3. 输入与输出接口
PAL 器件通常具有特定的引脚分配。
- 输入端：这些引脚接收外部的数字信号，并直接馈入 AND 阵列。值得注意的是，输入缓冲器通常会同时提供原变量和反变量（例如 A 和 A‘），以增加逻辑设计的灵活性。
- 输出端：这些引脚输出最终的逻辑运算结果。在高级的 PAL 架构中，输出端可能还包含反馈回路，允许输出信号被重新送回 AND 阵列，这对于构建时序逻辑电路（如计数器）至关重要。
PAL vs. PLA vs. ROM：谁才是你的最佳拍档？
在数字逻辑设计领域，选择正确的器件是成功的一半。让我们通过对比 PAL、PLA 和 ROM，来看看它们各自的结构特点和应用场景。
ROM (只读存储器)
PAL (可编程阵列逻辑)
:—
:—
固定 (用于全解码)
可编程
可编程
固定
低 (实现最小项之和)
中等
低
中等
较慢
较快* ROM：它本质上是一个查找表。它包含一个固定的 AND 阵列（全解码器）和一个可编程的 OR 阵列。这意味着它能实现任何逻辑函数，但可能会浪费大量的资源，因为即使是无效的输入组合（无关项）也会被解码。
- PLA：这是最灵活的器件，因为 AND 和 OR 阵列都可以编程。你可以随意组合乘积项，也可以随意组合和项。但这种灵活性是以牺牲速度和增加电路面积为代价的。
- PAL：正如我们所讨论的，它采取了折中方案。可编程的 AND 阵列允许我们只生成所需的乘积项，而固定的 OR 阵列则简化了制造工艺。这使得 PAL 成为实现中小规模组合逻辑的首选方案。
实战演练：使用 PAL 实现组合逻辑函数
光说不练假把式。让我们通过一个具体的例子，看看如何将一个抽象的逻辑需求转化为 PAL 的内部连接。
场景设定
假设我们要为一个数字系统设计一个控制单元，该单元有三个输入按钮 A, B, C，以及三个状态指示灯 X, Y, Z。我们要求根据按钮的不同组合来点亮指示灯。具体的逻辑函数以最小项之和（SOP）的形式给出如下：
- X(A, B, C) = ∑(2, 3, 5, 7)
- Y(A, B, C) = ∑(0, 1, 5)
- Z(A, B, C) = ∑(0, 2, 3, 5)
步骤 1：构建真值表
首先，为了更直观地理解这些逻辑，让我们画出真值表。这有助于我们验证后续的推导是否正确。
B (Input)
X (Output)
Z (Output)
:—:
:—:
:—:
0
0
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
1
0### 步骤 2：推导布尔表达式
接下来，我们需要将这些真值表转化为可以在 PAL 上实现的布尔方程。在 PAL 设计中，我们通常追求最简的“积之和”形式，因为 AND 阵列的资源是有限的，我们希望用最少的乘积项来实现功能。
让我们利用卡诺图或布尔代数公式来化简。这里我们直接给出化简后的结果：
1. 分析函数 X：
X 在输入为 010, 011, 101, 111 时为 1。
- 当 A=0, B=1 时，C 无论是什么，X 都为 1。这对应于项
A‘B。 - 当 A=1, C=1 时，B 无论是什么，X 都为 1。这对应于项
AC。 - 结果：X = A‘B + AC
2. 分析函数 Y：
Y 在输入为 000, 001, 101 时为 1。
- 前两项 000 和 001 的共同点是 A=0, B=0。这对应于项
A‘B‘。 - 第三项 101 需要单独列出 INLINECODE77cfdae3，或者我们可以寻找与其他项的合并。观察发现，INLINECODEe60f8357 已经覆盖了 A=0 的情况。剩下的只有 101。
- 让我们换个角度，用更严谨的化简：
* m0 (000) + m1 (001) = A‘B‘
* m5 (101) = AB‘C
- 结果：Y = A‘B‘ + AB‘C
(注：在某些优化中，可能会写成 Y = A‘B‘ + B‘C，这取决于是否允许包含无关项或特定的优化策略，但在本例特定输入下，Y = A‘B‘ + AB‘C 是精确的表达)*
3. 分析函数 Z：
Z 在输入为 000, 010, 011, 101 时为 1。
- 010, 011 -> A=1, B=1 ->
A‘B - 000 ->
A‘B‘C‘ - 101 ->
AB‘C - 尝试合并：我们可以看到
A‘B已经覆盖了 010 和 011。 - 剩下 000 和 101。我们可以尝试组合
A‘B‘C‘ + AB‘C。这看起来有点复杂。让我们尝试另一种分组：
* 分组 1: 000, 010 (A=0, C=0) -> A‘C‘
* 分组 2: 000, 001 (A=0, B=0) -> A‘B‘ (但这会导致输出 1 在 Z 中不需要)
* 让我们回到原始结果：Z = A‘B + A‘C + AB‘C (或者其他的等效形式)。在这个特定的例子结构中，直接观察可得：INLINECODE56baa9dd 覆盖了两个 1，INLINECODE88d5aa57 覆盖了 000 和 010 (但 010 已被覆盖)。让我们再次观察 Z 的 1 项：000, 010, 011, 101。
* A‘B (010, 011)
* A‘C (000, 010) -> 010 重复了
* AB‘C (101)
* 所以 Z = A‘B + A‘C + AB‘C 是一个可行的实现。注意 INLINECODEbf2e4d1b 和 INLINECODE6b82d3c1 共享 A‘。
步骤 3：PAL 逻辑图实现
现在，让我们看看如何在 PAL 的阵列中连接这些线路。这就像是连接轨道，让信号正确地流向目的地。
输入 AND 阵列 (可编程) OR 阵列 (固定)
==========================================
A ----|>o----+---| \
| | | AND 1 (A‘B) |------------------\ |
B ----|>o----+----| / | | OR |--- X
| |_______________| | |
| >---| |
C ----|>o------------| \ | | |
| | AND 2 (AC) |------------------/ |
| | / |
... |_______________________________________|
在这个简化的示意图中：
- 对于 AND 门 1 (A‘B)：我们需要编程 PAL，使得连接到 A 的反相线路和连接到 B 的原相线路的熔丝保持完好，而断开所有其他输入（如 C, A原相）的连接。
- 对于 AND 门 2 (AC)：我们保持 A 和 C 的原相连接，断开其他所有连接。
- OR 门：这两个 AND 门的输出被硬连线到输出 X 的 OR 门。因为 X = A‘B + AC。
通过这种方式，我们通过物理连接实现了逻辑函数。当你按下按钮（改变输入电平），电流流过特定的 AND 门，触发 OR 门，最终点亮指示灯。
高级应用：从组合逻辑到时序逻辑
虽然上述例子主要展示了组合逻辑，但实际的 PAL 器件（如 16V8, 22V10）远不止于此。它们通常包含“输出逻辑宏单元”（OLMC）。
OLMC 的魔法
OLMC 就像是一个变形金刚。我们可以通过配置它，让 PAL 的输出引脚不仅仅只是作为输出，而是可以：
- 组合输出：就像我们之前的例子一样。
- 寄存器输出：在 OR 门之后添加一个 D 触发器。这使得 PAL 能够“记住”状态，从而实现计数器、状态机等时序逻辑。
- 反馈：输出信号（无论是组合的还是寄存的）可以被反馈回 AND 阵列。这意味着当前的输出状态可以作为下一次逻辑运算的输入。
这极大地扩展了 PAL 的应用范围。你不仅仅是在计算逻辑表达式，你是在构建一个简单的中央处理单元（CPU）的核心状态机。
PAL 的设计优势与权衡
作为开发者，我们在选择工具时必须权衡利弊。
为什么我们选择 PAL？
- 设计灵活性：相比于硬连线的 TTL 电路，PAL 允许你在不改变电路板布局的情况下修改逻辑。只需重新编程即可。
- 性能与速度：由于逻辑是在硅片内部并行发生的，PAL 的传播延迟非常短且可预测。这对于高速接口协议的实现至关重要。
- 成本效益：对于中小规模的逻辑功能，使用一片 PAL 替代十几片普通的 74 系列芯片，可以显著降低 PCB 面积、功耗和元器件清单（BOM）成本。
- 安全性：一旦编程完成，许多 PAL 允许你熔断保密熔丝，从而防止他人读取或复制你的设计逻辑。这对于保护知识产权非常有价值。
PAL 的局限性
没有什么是完美的，PAL 也有它的阿喀琉斯之踵：
- 一次性编程：大多数传统的 PAL 是基于熔丝或反熔丝技术的。这意味着一旦你写错了逻辑，这一片芯片就报废了。这使得它在原型开发阶段的风险较高（除非你拥有丰富的经验）。
- 资源限制：PAL 的逻辑资源（乘积项数量、输入输出引脚）是固定的。如果你的设计稍微复杂一点，多出一个输入或一个乘积项，你就不得不升级到更大、更昂贵的器件，甚至转向 FPGA。
- 淘汰趋势：随着 CPLD（复杂可编程逻辑器件）和 FPGA（现场可编程门阵列）的普及，纯 PAL 的使用场景正在减少。现代 CPLD 本质上就像是把很多 PAL 块放在了一起，并且支持无限次擦写，因此在现代设计中，我们通常会更倾向于使用 CPLD。
常见误区与最佳实践
在基于 PAL 的设计过程中，有几个陷阱是初学者经常遇到的。
1. 忽视乘积项限制
你可能写出了一个完美的布尔方程，包含 8 个乘积项（例如 F = ABC + A‘BC + ...）。但是，如果你选用的 PAL 器件每个 OR 门只支持 7 个乘积项，你的设计就无法通过编译。最佳实践：在编写代码前，仔细阅读数据手册，确认器件的“扇入”限制，并尽量优化你的逻辑方程以减少乘积项。
2. 时钟信号的滥用
如果你正在使用带有寄存器的 PAL，务必确保时钟信号的纯净。不要试图在 AND 阵列中生成时钟信号（这会产生毛刺）。最佳实践：始终使用专用的外部全局时钟引脚（GCK）来驱动触发器。
3. 忘记输出极性配置
许多 PAL 允许你配置输出是高电平有效还是低电平有效（输出端是否有一个反相器）。如果你代码里写的是 INLINECODEdd953b81，但硬件配置成了低电平有效，实际输出就是 INLINECODEe6d6ed61。最佳实践：检查 OLMC 配置，确保逻辑极性与你的代码意图一致。
总结与展望
通过这篇文章，我们一起从底层原理出发，深入探讨了可编程阵列逻辑（PAL）的世界。我们了解了它“可编程 AND + 固定 OR”的独特架构，分析了它与 PLA 和 ROM 的区别，并通过具体的布尔代数推导演示了如何将逻辑思维转化为硬件连接。
虽然随着技术的发展，FPGA 和 CPLD 已经成为了现代逻辑设计的主流，但 PAL 所蕴含的“逻辑综合”和“硬件可编程”的思想，依然是每一位硬件工程师必须掌握的基石。理解 PAL 的工作原理，不仅有助于你维护旧的遗留系统，更能让你在面对更复杂的 FPGA 设计时，对底层逻辑资源的利用有更深刻的直觉。
接下来，如果你对这项技术感兴趣，建议你尝试下载像 WinCUPL 这样的现代 PLD 开发软件，找一款便宜的 CPLD 开发板，亲手写一段 ABEL 或 VHDL 代码，体验一下将逻辑烧录进芯片的快感。你会发现，硬件编程，其实比想象中更有趣。
准备好动手试试了吗？让我们一起在代码与电流的交汇处，创造奇迹。