什麼是GAL（通用數組邏輯）？基本結構，功能，優勢
2024-07-25 639

通用陣列邏輯（GAL）是一種用於創建靈活有效的電子設計的技術。GAL從稱為可編程陣列邏輯（PAL）的較舊技術開發，使用先進的技術是環保且更適合適應性的。本文探討了什麼是GAL，它的構建方式，它可以做什麼及其好處。它還將GALS與其他類似技術（例如FPGAS＆CPLD）進行比較，顯示了GALS在哪里工作的位置以及它們可能還不夠的地方。目的是展示GALS如何適合現代電子產品，並使設備更聰明，更有效。

目錄

圖1：通用數組邏輯（GAL）設備

通用陣列邏輯（GAL）解釋了

通用數組邏輯（GAL）是基於可編程數組邏輯（PAL）的可編程邏輯設備。GALS使用可擦除的CMOS（EECMOS）技術，改善了可編程性和簡化編程。這使GALS在電子產品方面具有多功能性。

GAL設備具有輸出邏輯宏單元（OLMC）。該組件在設置和修改邏輯門時增強了靈活性和易度性。它比PAL設備提供了更大的適應性，因為快速設計會更改加速產品的發布並增強功能。

GALS中的EECMOS技術通過允許電氣刪除和重新編程的設備來支持環境可持續性，從而減少了電子廢物。廣泛的測試可確保GALS穩健且高效，滿足對高性能和可持續電子組件的需求。

通用數組邏輯（GAL）基本結構

圖2：GAL16V8設備的表示

通用數組邏輯（GAL），例如GAL16V8模型，展示了現代可編程邏輯設備的複雜性和適應性。GAL16V8的結構旨在通過其模塊化但集成的組件滿足各種複雜的數字需求。每個組件在設備的功能和靈活性中都起著戰略作用。

輸入終端設計 - GAL16V8具有一個精製的輸入系統，帶有第2至9個指定為輸入端子的引腳。這八個輸入中的每一個都與緩衝區配對，該緩衝區將傳入的信號分成兩個互補輸出。這種雙輸出方法在進入和數組時增強了信號的忠誠度和完整性。通過保持信號完整性，GAL16V8確保了依賴精確信號操作的系統的邏輯函數的可靠和準確處理。

和數組配置 - 和數組是GAL架構中的核心組成部分。旨在有效處理複雜的邏輯操作。它由八個輸入和輸出組成，每個輸入和輸出產生兩個互補輸出，形成32列的矩陣。這些進食八個輸入或大門的次級階段，導致64行的網格。該結構創建一個具有2048個潛在節點的可編程矩陣，每個節點可配置以執行特定的邏輯函數。這種擴展的矩陣可以高靈活地編程設備執行各種邏輯操作，從簡單的門控函數到復雜的計算算法。

輸出宏單元的多功能性 - 連接到第12至19的八個輸出宏單元中的每個單元中的每個單元都突出了GAL的適應性和功能性豐富。可以對這些單元進行編程以匹配PAL設備的典型輸出配置，並具有增強的自定義選項。這種可編程性使設計人員可以量身定制邏輯輸出以滿足其電路的特定需求。

系統時鐘的精確時機 - 通過引腳1連接的專用系統時鐘對於需要同步順序電路的應用是必需的。該系統時鐘直接進出每個輸出宏單元的D觸發器時鐘輸入。因此，確保所有操作都具有精確和一致性的計時。儘管此功能強調了GAL16V8在同步操作中的功能，但缺乏對異步電路的支持可能會限制其在需要定時靈活性的環境中的應用。

有效的輸出狀態管理 - 輸出三態控制終端位於引腳11，管理GAL16V8的輸出狀態。此功能允許將輸出放置在高阻抗狀態，從信號干擾的風險。這種控制機制在多芯片設置中很有價值，在這些設置中，各種組件必須在沒有衝突的情況下進行交互。

高級功能

高級可編程邏輯陣列 - GAL技術的核心是其可編程邏輯陣列，將可編程和門與固定或門結合在一起。這使設計人員可以調整連接，並為特定的邏輯功能量身定制設備。這種適應性支持各種各樣的數字功能。使其多功能並能夠處理各種邏輯要求。

動態和或或結構 - GAL具有一個結構，具有多個通向固定或門的大門。這些和門的配置確定複雜的邏輯函數gal可以執行。設計人員使用硬件說明語言（例如VHDL或Verilog）進行精確編程。它促進了可編程框架內復雜的邏輯電路開發。

廣泛的可編程性 - GAL通過和 /或門之間的內部連接的廣泛可編程性使設計人員可以設置特定的邏輯操作。高級HDLS輔助這種靈活性，實現了詳細且準確的電路功能定義，適用於一系列數字電路。

組合邏輯實現 - GAL在實現組合邏輯電路方面表現出色，其中輸出直接取決於沒有內存元素的當前輸入。這有利於需要快速和直接處理的應用程序，並確保在實時任務中的快速響應時間和可靠的性能。

系統內編程功能 - GALS支持系統編程，允許在發育階段直接在電路中進行更新和修改。此功能增強了設計靈活性，減少開發時間並加速了產品市場的介紹。

在應用程序之間的多功能性 - GALS適用於各種應用，從原型到中小型生產。它們在需要特定邏輯功能的項目中特別有用 - 設計自定義集成電路（IC）是不可行的。它們的多功能性使汽車，消費電子和電信等領域有益。

處理低至中距離複雜性 - 與FPGA等密集的設備相比，GAL對低至中端的複雜性有效，但適合高度複雜的系統。對於基於項目複雜性和性能需求的設計師來說，這是一個重要的考慮因素。

全面的開發工具 - GALS配備了一系列開發工具和HDL，這些工具和基於GAL系統的編程，仿真和驗證所需。這些工具簡化了開發過程。因此，確保電子設備生產的精度和效率。

低功耗 - 以較低的功耗而聞名，GAL在功率敏感的應用中是有利的。它們可以促進節能並延長電池供電設備中的操作壽命。

常見應用

圖3：使用GAL16V8可編程邏輯設備的數字邏輯電路

通用數組邏輯（GAL）設備在以下應用程序中很明顯：

高級數字電路設計

GAL用於數字電路設計和執行複雜的邏輯功能，該功能先前需要多個固定邏輯設備。這種功能可以進行更緊湊，高效的電路設計，減少設備足跡並增強性能。GALS的可編程性使得在沒有大量庫存，降低成本並提高設計靈活性的情況下可以在多個項目中使用。設計人員可以快速實施修改。

原型開發

在原型開發中，GALS具有重編程性提供了優勢。這種靈活性加速了原型開發週期，從而可以快速測試功能和更快的市場引入新技術。GALS的適應性對於不斷迭代和改進設計的開發人員很有價值。

控制系統

GAL用於控制管理機械，車輛和其他復雜設備的系統。這種精度和可靠性在製造業和汽車等行業中是有利的，即使是輕微的錯誤也會產生後果。

正時電路

GALS對於需要精確的定時序列（例如電信和專業工業設備）的扇區的定時電路很有用。它們保持正時精度的能力提高了系統的完整性，這對於精確的同步是必不可少的。

汽車應用

在汽車領域，GALS管理從發動機控制系統到照明和車輛娛樂的功能。他們處理複雜邏輯操作的能力適合汽車電子設備的嚴格需求，需要耐用性和高性能。GALS提高了車輛功能和乘客體驗。

消費類電子產品

GALS廣泛用於消費電子產品，包括家用電器和遊戲機。他們通過管理各種功能來改善設備性能。因此，保證最佳效率並合併高級功能。GALS的適應性和功能推動了消費電子產品的連續創新。

電信

在電信中，GALS有效地路由信號並管理數據流量。它們的可編程性允許適應不同的協議和信號處理要求，支持穩健和靈活的通信網絡。

工業自動化

在工業自動化中，GALS控制和優化生產線，機器人臂和其他自動化過程。它們的可靠性提高了生產率並提高了製造環境的效率。

對比分析

現場編程的門陣列（FPGA）

圖4：FPGA基礎知識

FPGA比通用數組邏輯（GAL）設備更複雜。它具有廣泛的邏輯門和可配置選項。這使FPGA可以處理高度複雜的設計和大規模集成，這是GALS的簡單結構不支持的功能。另外，FPGA通過可編程互連和邏輯塊提供了卓越的靈活性，能夠執行各種功能。相比之下，GALS具有固定的體系結構和有限的可重編程單元格，非常適合直接任務。與GALS的功能較慢相比，FPGA的先進結構還可以提高高速應用的性能和適用性。但是，FPGA通常具有更高的成本和更大的功耗，這反映了它們增強的功能。儘管GALS為需要考慮成本和權力的更簡單應用提供了一種更經濟和節能的選擇。

複雜的可編程邏輯設備（CPLD）

圖5：CPLDS功能塊

CPLD彌合了GALS和FPGA之間的差距，比GALS提供的複雜性更複雜，但小於FPGA。它們在結構化但靈活的體系結構中提供了更多的邏輯資源。CPLD可以以比GALS更快的速度同時管理多個複雜的邏輯功能 - 使其適合更苛刻的應用程序。儘管它們比GALS消耗更多的功率，但CPLD比FPGA更節能，在能源使用方面提供了平衡的選擇。這使得CPLD非常適合超過GAL的能力但不需要FPGA典型的資源投資的項目理想，從而舒適地適合中間複雜性。

可編程陣列邏輯（PAL）

圖6：可編程數組邏輯（PAL）

可編程陣列邏輯（PAL）設備通常是一次性編程，可以限制其靈活性，因為一旦編程就無法重新配置。這使PALS適用於不需要修改電路設計的簡單應用。相比之下，GALS，使用硬件說明語言進行編程，提供通過多個重編程實現和更新更複雜的邏輯電路的能力。這可以增強其在必須滿足不斷發展需求的動態設計環境中的可用性。因此，最好在需要簡單的靜態邏輯更換的應用中使用，而GALS由於可重編程的性質而可以處理更複雜的設計。這使他們能夠隨著應用要求而發展。

可編程邏輯陣列（PLA）

圖7：可編程邏輯陣列（PLA）

可編程邏輯陣列（PLA）提供了高靈活性，並且可編程的可編程和 /或門的可編程超過固定，配置以及可編程和可編程或架構，或者在GALS中看到的類似結構。像朋友一樣，PLA通常是一次性的可編程，可以限制其可重複性。相比之下，可以多次編程GAL，隨著項目需求的發展提供更大的靈活性。PLA對於需要高度定制的邏輯操作和連接的應用程序是最佳的。雖然比PLA較不靈活，但GAL仍然適用於較不復雜但可編程的邏輯電路要求。在許多情況下，GALS提供了一種實用的解決方案，而不需要最高的定制水平。

使用通用數組邏輯的優點

通用陣列邏輯（GAL）設備在數字電路設計方面具有許多優勢。與傳統的可編程陣列邏輯（PAL）相比，GAL設備具有先進的技術和出色的功能。

與僅允許單一使用的較舊的基於Fuse的技術不同，GAL設備可以被電擦除和重新編程。GAL設備以可擦除的CMOS技術為基礎，可以進行100多個編程週期，並為開發人員提供明顯的靈活性。這種能力可以使電子設計的迭代改進和演變無需物理硬件變化而無需更改。因此，降低廢物和開發成本。這種重編程性在具有經常變化的技術要求的動態行業中是有益的。

GAL設備的可配置輸出宏觀核糖結構允許量身定制的電子設計解決方案。該結構可以模擬PAL設備輸出的不同配置，從而使單個GAL可以替換複雜系統中的多個芯片。這種可配置性簡化了硬件要求，降低庫存成本，並簡化設計複雜性。系統設計人員可以動態優化性能和成本效益，並輕鬆適應不同的項目要求。這種靈活性對於要求特定功能的自定義電路設計和應用非常寶貴。

GAL設備具有加密功能，可保護知識產權並防止未經授權的訪問或設計重複。在競爭激烈的行業中，需要此安全功能來保持市場優勢。通過將安全直接嵌入設備中，GALS幫助公司保護其發展投資並確保其創新保持專有。

GAL設備結合了用於電子標籤的專用存儲區域，該存儲區域可以存儲標識標記和其他必要數據。此功能可用於管理整個大規模生產和分銷過程中的大型庫存和跟踪設備。電子標籤通過使設備信息易於訪問和可驗證，提高後勤效率，提高安全協議並確保遵守行業標準。

與更複雜的可編程邏輯設備相比，GALS提供了提高的功率效率。它們的較低功耗會使能源敏感的應用有益於較長的便攜式設備電池壽命，並減少系統組件的熱應力。這種效率改善了GAL設備的環境證書，並改善了所使用的產品的整體壽命。

挑戰和局限性

儘管通用陣列邏輯（GAL）設備為各種應用提供了好處，但它們還面臨某些限制，可能會影響其對複雜或高性能項目的適用性。

有限的複雜性和可伸縮性 - GAL設備具有固定數量的邏輯單元和輸入/輸出引腳，從而限制了它們可以管理的電路的複雜性。這種架構限制限制了它們在需要廣泛的邏輯操作或可擴展性的高級數字系統中的使用。對於需要強大邏輯解決方案的複雜設計，設計人員可能必須使用多個GAL設備或切換到CPLD或FPGA等功能更強大的設備。隨著組件的複雜性和數量的增長，這會使設計過程變得複雜並增加成本和開發時間。

速度限制 - GAL設備通常不匹配更先進的可編程邏輯設備的運行速度，因為結構性限制和可編程元素中的延遲問題。在視頻處理或高頻交易等高速應用中，GALS的性能較慢可能會迫使設計師選擇更快的替代方案，這可能更昂貴，但可以達到所需的處理速度。

功耗問題 - 儘管GALS比FPGA更強大，但它們可能不如一些針對功率敏感應用優化的新型，低功率CPLD或專用邏輯電路的能源效率。

在諸如便攜式或電池操作的設備之類的應用中，GALS的更高功率使用可能是一個缺點，並且可能影響功能和操作成本。

重編程限制 - 儘管GAL是可重編程的，但在重新編程的磨損之前，它們具有有限數量的重編程週期，這會損害其功能。

在需要持續更新和修改的動態扇區中，例如研發，GALS的重編程能力有限會導致更高的替代頻率和相關成本。降低GALS的實際壽命和成本效益。

過時的風險 - CPLD和FPGA等PLD技術的快速發展，不斷提高性能和成本效率，威脅到GAL技術的相關性。這種趨勢可能導致對GAL技術的可用性和支持降低，在採購硬件，確保技術支持並找到兼容工具和軟件方面面臨挑戰。這可以阻止潛在的新用戶，並推動現有的用戶過渡到更現代的技術。

縮放設計的挑戰 - 由於其集成功能有限，GALS在擴展設計時可以提出挑戰，以滿足較大，更集成的系統的要求。對於需要高擴展性的項目，設計人員可能會更喜歡FPGAS或System-Chip（SOC）技術等解決方案，這些解決方案可以提供更多集成，並且可以在沒有GALS帶來的後勤和技術約束的情況下更有效地處理複雜的任務。

結論

通用陣列邏輯（GAL）設備非常適合許多電子項目，因為它們可以多次編程，具有成本效益，並且對環境有益。儘管它們對於各種任務非常有用，但它們在處理非常複雜的系統方面有一些限制。但是，GALS對於製作從簡單的計時器到復雜的汽車系統和通信設備的所有內容仍然非常重要。即使技術不斷變化，GALS仍在當今仍發揮關鍵作用，尤其是在需要降低成本和節省能源時。知道GALS可以和無法做的東西可以幫助設計師在電子項目中做出更好的選擇。

常見問題[常見問題]

1.是什麼區別於GAL與傳統的固定邏輯電路？

通用數組邏輯（GAL）設備提供了可編程性，這與限於特定功能的傳統固定邏輯電路不同。此可編程性使一個GAL能夠替換幾個固定的邏輯設備。因此，節省空間並降低電子設計中的硬件複雜性。

2. GAL編程如何工作？

編程GAL設備涉及使用硬件說明語言，例如VHDL或Verilog。程序員編寫代碼來定義GAL所需的邏輯功能。然後通過編程設備將該代碼編譯並上傳到GAL。該過程將配置GAL內的內部和 /或門以執行指定的操作。

3. GAL設備可以用於模擬應用嗎？

GAL設備用於數字應用，不適合模擬任務。他們通過可編程邏輯門管理數字信號，這些邏輯門無法處理模擬應用程序所需的連續值範圍。

4. GALS如何處理安全問題？

GAL設備採用加密來確保編程的邏輯免受未經授權的訪問或重複。加密確保只有授權的個人才能訪問或修改GAL的配置，從而保護設計。