在数字电子技术的发展历程中，可编程逻辑器件（PLD）扮演了举足轻重的角色。它们允许设计者在芯片制造完成后，通过编程来定义或修改芯片的功能，极大地缩短了开发周期，降低了成本。在众多PLD家族成员中，通用阵列逻辑（Generic Array Logic, GAL）芯片以其独特的优势，在一段时间内成为数字系统设计中的主流选择。GAL芯片不仅继承了其前辈PAL（可编程阵列逻辑）器件的优点，更通过引入可擦除、可重复编程的特性，为工程师们提供了前所未有的灵活性。

1. GAL芯片的起源与发展

GAL芯片由Lattice Semiconductor公司于1985年推出，它的出现是对早期可编程逻辑器件的一次重大革新。在GAL诞生之前，PAL器件已经广泛应用于数字电路设计中。PAL器件的核心思想是“与或阵列”结构，其中“与”阵列是可编程的，而“或”阵列是固定的。这种结构使得PAL器件能够实现“乘积项之和”的逻辑表达式。然而，PAL器件通常采用一次性可编程（OTP）技术，一旦编程完成，其内部逻辑功能就无法更改。这意味着如果设计有误或需要修改，就必须更换新的芯片，这无疑增加了开发成本和时间。

为了克服PAL器件的这一局限性，Lattice Semiconductor公司创新性地引入了E2CMOS®（电可擦除CMOS）技术，并将其应用于GAL芯片中。E2CMOS技术使得GAL芯片的内部存储单元能够通过电信号进行擦除和重新编程，从而实现了可重复编程的功能。这一特性使得GAL芯片在原型开发、设计迭代和教育领域具有了巨大的吸引力。

GAL的出现不仅仅是技术的进步，它也促进了PLD市场的多元化发展。在GAL之后，更复杂的可编程逻辑器件，如复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）也相继问世，它们在逻辑容量和功能灵活性上都超越了GAL。然而，GAL芯片因其相对简单的结构、易于编程的特点以及较低的成本，在一些中小型逻辑电路设计中仍然保持着一席之地。

2. GAL芯片的核心架构与工作原理

GAL芯片的内部架构是其实现可编程逻辑功能的基础。虽然不同型号的GAL芯片在具体细节上可能有所差异，但它们普遍遵循一种典型的“可编程AND阵列 + 固定OR阵列 + 输出逻辑宏单元（OLMC）”的结构。

2.1 可编程AND阵列

这是GAL芯片的核心部分，由大量的可编程交叉点构成。这些交叉点连接着输入信号线和AND门的输入端。每个交叉点都对应一个可编程熔丝（或等效的E2CMOS存储单元）。在初始状态下，所有熔丝都是“断开”的。通过编程，设计者可以选择性地“连接”或“断开”这些熔丝，从而决定哪些输入信号将被送入特定的AND门。每个AND门输出一个“乘积项”，这个乘积项是由其连接的输入信号的逻辑AND运算结果。例如，如果一个AND门连接了输入A和输入B的非（NOT B），那么它的输出就是A AND (NOT B)。

2.2 固定OR阵列

与可编程的AND阵列不同，OR阵列通常是固定的。它将来自AND阵列的多个乘积项进行逻辑OR运算，生成“乘积项之和”的形式。例如，如果OR阵列连接了两个AND门的输出（乘积项P1和乘积项P2），那么它的输出就是P1 OR P2。这种“乘积项之和”的结构是实现任意组合逻辑函数的基础。

2.3 输出逻辑宏单元（Output Logic Macrocell, OLMC）

OLMC是GAL芯片的一个关键创新，也是其相对于早期PAL器件更具灵活性的体现。每个OLMC通常包含以下几个重要组成部分：

• D型触发器（D-type Flip-Flop）： 用于实现时序逻辑功能，例如寄存器、计数器和状态机。通过D型触发器，GAL芯片可以将组合逻辑的输出存储起来，并在时钟边沿触发时更新其状态。这使得GAL能够实现具有记忆功能的电路，而不仅仅是纯粹的组合逻辑。

• 多路复用器（Multiplexer）： OLMC中通常包含一个或多个多路复用器，用于选择不同的信号路径。例如，一个多路复用器可能允许选择直接将组合逻辑输出作为输出，或者将其通过D型触发器后作为输出。这种灵活性使得同一个GAL芯片能够配置成实现纯组合逻辑或时序逻辑。

• 可编程极性控制（Programmable Polarity Control）： 允许用户选择输出信号是正极性（非反相）还是负极性（反相）。这进一步增加了设计的灵活性，减少了对外部反相器的需求。

• 三态输出缓冲器（Tri-state Output Buffer）： 用于控制输出引脚是处于高电平、低电平还是高阻态。高阻态允许多个芯片共享同一条总线而不会互相干扰。三态缓冲器通常由一个单独的控制信号激活或禁用。

• 反馈路径（Feedback Path）： OLMC的输出通常会有一条反馈路径回到可编程AND阵列的输入端。这条反馈路径非常重要，它允许GAL芯片实现更复杂的时序逻辑功能，如状态机和计数器，因为当前的状态可以作为下一次逻辑运算的输入。

通过配置OLMC内部的多路复用器和D型触发器，GAL芯片能够模拟多种不同类型的逻辑门和功能，从而替代多种不同型号的PAL器件，这也是其“通用”名称的由来。例如，一个GAL16V8（一种常见的GAL芯片型号）可以通过编程配置成替代多种16输入、8输出的PAL器件。

3. GAL芯片的编程

GAL芯片的编程过程是将设计者期望的逻辑功能转换为芯片内部可识别的位模式，并将其写入芯片内部的E2CMOS存储单元。这个过程通常涉及以下几个步骤：

3.1 逻辑设计与描述

设计者首先需要使用硬件描述语言（HDL），如ABEL（Advanced Boolean Expression Language）或VHDL（VHSIC Hardware Description Language）的子集，来描述所需的逻辑功能。这些语言允许设计者以更抽象、更高级的方式来表达电路行为，例如使用布尔方程、真值表或状态机描述。

3.2 编译与综合

编写好的HDL代码需要通过专门的开发工具进行编译和综合。编译器会将HDL代码转换为逻辑表达式，并将其优化。综合工具则会将这些逻辑表达式映射到GAL芯片的内部资源（AND阵列和OLMC）。这个过程会生成一个称为JEDEC文件的标准格式文件，其中包含了具体的编程位模式。JEDEC文件是行业标准，确保了不同厂商的编程器可以识别并写入。

3.3 编程器烧录

生成JEDEC文件后，需要使用一个专门的GAL编程器将文件内容烧录到GAL芯片中。编程器通过特定的接口和协议，将JEDEC文件中的位模式写入GAL芯片内部的E2CMOS存储单元。这个过程通常涉及到对芯片施加特定的编程电压和时序。由于GAL是可重复编程的，如果需要修改设计，只需将芯片擦除，然后用新的JEDEC文件重新编程即可。

4. GAL芯片与PAL、CPLD、FPGA的比较

为了更好地理解GAL芯片的定位和特点，有必要将其与其他可编程逻辑器件进行比较：

4.1 GAL vs PAL

• 可擦除性与可重复编程性： 这是GAL相对于PAL最显著的优势。PAL通常是OTP（一次性可编程），而GAL是E2CMOS技术，可擦除和重复编程，极大地提高了设计灵活性和降低了开发成本。

• 灵活性： GAL的OLMC设计使其比PAL更具通用性。一个GAL芯片可以替代多种不同型号的PAL器件，因为它可以通过编程来改变输出配置（组合逻辑、时序逻辑、极性等）。PAL通常有固定的输出结构。

• 功耗： 早期PAL多为双极性工艺，功耗相对较高。GAL采用CMOS技术，功耗更低。

4.2 GAL vs CPLD

• 逻辑容量： CPLD（复杂可编程逻辑器件）在逻辑容量上远大于GAL。CPLD通常由多个类似于PAL/GAL的宏单元块（Macrocell Block）组成，这些块通过可编程的互连矩阵连接。这意味着CPLD可以实现更复杂的逻辑功能和更大的电路规模。GAL的逻辑容量相对较小，适用于几十到几百个逻辑门的简单到中等规模设计。

• 架构： CPLD通常具有两级可编程逻辑：宏单元内部的可编程AND阵列和固定OR阵列，以及宏单元之间的可编程互连。GAL主要集中在单个可编程AND阵列和OLMC的结构。

• 延时： CPLD由于其多级互连结构，内部信号传播延时可能比GAL更长，但通常可预测。GAL的延时通常更低且更可预测，因为它通常是单级或两级逻辑延时。

• 应用场景： GAL适用于简单的胶合逻辑、地址解码、简单的计数器和状态机等。CPLD适用于更复杂的控制逻辑、小型处理器外设、高频计数器和一些中等规模的数据路径。

4.3 GAL vs FPGA

• 逻辑容量与复杂性： FPGA（现场可编程门阵列）是所有可编程逻辑器件中逻辑容量最大、最复杂的。FPGA由大量的可编程逻辑块（通常是查找表LUT和触发器）、可编程互连资源以及输入/输出块组成。其内部结构更像一个巨大的可配置门阵列。FPGA可以实现非常复杂的数字系统，包括软核处理器、数字信号处理（DSP）算法和高速通信接口。GAL的逻辑容量非常有限，与FPGA不可同日而语。

• 编程方式： 大多数FPGA在每次上电时都需要从外部存储器加载配置数据（SRAM型FPGA）。少数FPGA内置非易失性存储器（Flash型）。GAL芯片则直接将配置信息存储在内部的E2CMOS中，上电后直接可用。

• 灵活性与资源利用率： FPGA的颗粒度更细，逻辑块更小，互连资源更丰富，使得其资源利用率更高，可以实现更优化的电路布局和布线。GAL的颗粒度相对较粗。

• 功耗： 对于相同的功能，FPGA通常会比GAL消耗更多的静态功耗，尽管现代FPGA在低功耗方面也取得了很大进展。

• 应用场景： GAL适用于简单的辅助逻辑；CPLD适用于中等复杂度的控制和接口；FPGA适用于高性能、高集成度的数字系统，如数据中心、通信设备、图像处理和人工智能加速。

5. GAL芯片的应用领域

尽管GAL芯片在逻辑容量上无法与现代CPLD和FPGA匹敌，但其独特的优势使其在某些特定应用领域仍然发挥着作用，尤其是在老旧系统维护、教育和一些对成本和简单性要求较高的场景：

• 胶合逻辑（Glue Logic）： 这是GAL芯片最经典的应用之一。在微处理器系统中，经常需要一些简单的逻辑门来连接不同的芯片，例如地址解码器、总线仲裁器、中断控制器等。GAL芯片可以方便地实现这些零散的、简单的逻辑功能，将多个离散的逻辑门芯片集成到一个GAL芯片中，从而简化电路板设计，减少元件数量。

• 地址解码： 在内存和外设寻址中，需要根据地址总线上的信号来选择特定的存储器或外设。GAL芯片可以被编程为地址解码器，根据不同的地址范围生成相应的片选信号。

• 简单的状态机（State Machine）： 对于简单的顺序逻辑控制，例如交通灯控制器、洗衣机控制器、步进电机控制器等，GAL芯片可以实现具有有限状态的逻辑。

• 计数器与移位寄存器： GAL芯片的OLMC中的触发器使其能够方便地实现各种计数器（例如二进制计数器、BCD计数器）和移位寄存器功能。

• 脉冲生成与整形： 可以用于生成特定时序的脉冲信号或对现有脉冲信号进行整形。

• 数据选择器/多路复用器： 可以根据控制信号选择不同的数据输入到输出端。

• 教育与原型开发： 由于GAL芯片价格相对便宜，且易于学习和编程，因此在大学和工程教育中仍然被广泛用于教授数字逻辑和可编程逻辑器件的基本概念。在一些小型项目的原型验证阶段，GAL芯片也因其快速迭代的优势而被青睐。

• 老旧系统维护与替代： 在一些老旧的电子设备中，可能使用了已经停产的PAL或其他早期逻辑芯片。GAL芯片由于其通用性和可编程性，有时可以作为替代品，用于修复或升级这些老系统。

6. GAL芯片的未来展望

随着半导体工艺的不断进步，以及CPLD和FPGA在性能、功耗和成本上的持续优化，GAL芯片的市场份额和应用范围已经大幅缩小。现代CPLD和FPGA不仅具有更大的逻辑容量，而且通常集成了更丰富的资源，如RAM、DSP块、高速串行收发器等，使其能够满足更广泛、更复杂的应用需求。

然而，GAL芯片并不会完全消失。它在特定的小众市场和应用场景中仍然具有一定的价值。例如，在一些对成本极其敏感、对逻辑容量要求不高、且需要简单可重复编程解决方案的领域，GAL仍然可以作为经济有效的选择。此外，对于那些正在维护或升级老旧系统的工程师来说，了解和掌握GAL芯片仍然是一项有用的技能。

总而言之，GAL芯片作为可编程逻辑器件发展史上的一个重要里程碑，其可擦除、可重复编程的特性以及通用的输出逻辑宏单元，为数字系统设计带来了革命性的便利。尽管它已经被更先进的CPLD和FPGA所超越，但其在数字逻辑基础教育、原型开发和一些特定应用中的价值依然存在，是理解现代可编程逻辑技术发展脉络不可或缺的一环。