可编程逻辑阵列PLA

一、集成电路的发展和现状

随着电子技术的发展，人类社会已进入数字时代，数字系统广泛应用于计算机、数据处理、通信与测量等领域，在我们日常生活中起着越来越重要的作用。由于数字系统比模拟系统有更高的精确度和可靠性，以前用模拟系统完成的许多任务现在都采用数字系统完成。

数字电路是数字计算机和自动控制系统的基础，它的发展是以电子器件的发展为基础的。

电子器件的发展经历了电子管、晶体管、中小规模集成电路和大规模集成电路的发展历程。以计算机为例，20 世纪初，电子管的诞生引起了人们的极大兴趣，用电子管构成的自动化设备逐渐在工业上得到应用，从而推动了电子学的快速发展。1946年美国宾夕法尼亚大学研制出世界上第一台电子数字积分计算机（ENIAC）。1947 年贝尔实验室的巴丁、布拉顿及肖克菜共同发明了晶体管之后，人们逐渐开始用晶体管取代电子管构成数字系统，50年代出现的第二代计算机是用分立的晶体管和磁芯存储器构成的。1959年美国德州仪器（TI）公司的杰克•基尔比研制出世界上第一个集成电路（包括4个双极性晶体管，三个电阻和一个电容器）。此后，随着生产工艺的改进，集成电路产量增大且集成度（芯片上包含的晶体管数目）提高，价格大幅度降低。在2000年，基尔比获得了诺贝尔物理学奖以表彰他在集成电路领域的贡献。由于集成电路的发展非常迅速，很快占据了主导地位，因此，现在数字电路的主流形式是数字集成电路。

从20 世纪60 年代开始，各种不同型号的逻辑门、触发器以及能完成一些特定功能的集成电路（如译码器、加法器、寄存器、计数器、乘法器等）不断涌现，到70 年代，包含200-200000个等效逻辑门的大规模集成（LSI）电路得以发展，出现了微处理器、小型存储器、可编程逻辑器件和定制器件。80年代以后，各种不同类型的简单可编程逻辑器件得到快速发展，在90 年代初，已经可以制造包含几百万个晶体管的微处理器，如今的芯片已经可以集成超过十亿个晶体管，可以将复杂的电子系统全部集成在一个芯片上，使集成电路设计向集成系统设计转变，这就是片上系统（SoC）。

相对于使用分立器件组装的电路，集成电路（IC）是把构成具有一定功能电路所需的品体管、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内，其封装外壳有圆壳式、双列直插式、扁平式或球形栅格阵列式等多种形式。这样提高了电路可靠性，减小了体积和功耗。

20世纪60年代，TI等公司推出TTL，有54/74两个逻辑系列。54系列为军用型产品，74系列为商用型。1968年，第一个CMOS集成电路研发成功，到90年代后期，CMOS逐渐取代TTL电路，成为数字集成电路的主流产品。

二、可编程逻辑阵列PLA

图1 PLA的内部逻辑结构

图1是PLA内部逻辑结构示意图，有3个输入端和2个输出端。图1中与阵列实现的逻辑函数为：

$P_{1}=\overline{A}BC,P_{2}=A\overline{B}C,P_{3}=\overline{A}B\overline{C},P_{4}=BC$

或阵列实现的逻辑函数为：

$F_{0}=P_{1}+P_{3}+P_{4}=\overline{A}BC+\overline{A}B\overline{C}+BC$

$F_{1}=P_{1}+P_{2}+P_{3}=\overline{A}BC+A\overline{B}C+\overline{A}B\overline{C}$

通过异或门后，得到的逻辑函数为：

$L_{0}=F_{0}\oplus 0=F_{0}=\overline{A}BC+\overline{A}B\overline{C}+BC$

$L_{1}=F_{1}\oplus 1=\overline{F_{1}}=\overline{\overline{A}BC+A\overline{B}C+\overline{A}B\overline{C}}$

由此可见，PLA可以用来实现与-或逻辑函数表达式。在或阵列中，乘积项 $P_{1}$ 、 $P_{3}$ 为两个或门所共用，通常称之为乘积项共享。

PLA的优点是可编程，可以按照设计者的意愿来实现组合逻辑函数。

其缺点是：

（1）只能实现组合逻辑函数。

（2）从电气特性上来比较可编程连接与固定连接，信号通过可编程连接点的延时较长，在PLA中，信号要经过两个可编程的连接单元，使得电路的工作速度较低。

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