PLA

Ein Programmable Logic Array (PLA) ist ein Halbleiterbauteil, das kombinatorische Logik durch Routing von Stromsignalen über ein Gitter aus verschmolzenen oder programmierten Verbindungen umsetzt. Anders als ein fest verdrahteter Logikbaustein für eine einzige Funktion ermöglicht ein PLA, die inneren Signalpfade nach der Fertigung zu konfigurieren und eigene Logikoperationen auszuführen. Die Grundstruktur besteht aus einer AND-Ebene gefolgt von einer OR-Ebene, wobei jede Verschaltungsstelle selektiv aktiviert oder deaktiviert werden kann, um Boolesche Ausdrücke in der Form von Produktsummen aufzubauen.

PLAs enthalten typischerweise 10 bis 100 Ein- und Ausgänge, wobei Abweichungen vorkommen. Jede Eingangsleitung verzweigt sich über die AND-Ebene, wo mehrere Eingänge mittels AND-Gattern kombiniert werden können. Die Ausgänge dieser AND-Gatter speisen dann die OR-Ebene, wo die Ausgänge durch Verknüpfung ausgewählter AND-Ergebnisse erzeugt werden. Die Programmierung erfolgt nach der Herstellung und kann mit Schmelzsicherungen (einmalig programmierbar), Antischmelzsicherungen, Floating-Gate-Transistoren oder SRAM-Zellen je nach Bautyp realisiert werden. Frühe PLAs aus den 1970er und 1980er Jahren verwendeten Schmelzsicherungstechnik mit Bipolartransistoren und benötigten spezielle Programmierwerkzeuge; moderne Varianten nutzen häufig SRAM- oder Flash-basierte Verfahren.

Der Vergleich eines PLA mit einem universellen Mikroprozessor oder einem feldprogrammierbaren Gatterarray (FPGA) zeigt die engere Einsatzbreite des PLA. Ein PLA glänzt bei reiner kombinatorischer Logik ohne sequenzielle Zustände und ist dadurch leicht und deterministisch. Es verbraucht weniger Leistung als ein vollständig programmierbarer Baustein und benötigt kein Taktsignal. Allerdings kann es ohne zusätzliche Komponenten keine sequenziellen Schaltungen, Speicher oder komplexe arithmetische Operationen realisieren. Dies macht PLAs geeignet für Dekodernetzwerke, Adressumsetzung, Zustandsverschlüsselung und Steuerungssignalerzeugung in mittelständischen Industrieanwendungen.

Praktische Einsatzbereiche und Grenzen

Praktisch sind PLAs am nützlichsten, wenn eine feste Menge von Eingängen auf eine feste Menge von Ausgängen abgebildet wird und weder Rückkopplung noch Speicher nötig sind. Ein klassisches Beispiel ist die Umsetzung einer binär codierten Adresse in Chip-Aktivierungssignale oder die Realisierung von Prioritätsverschlüsselung für Interrupt-Verarbeitung. Sie integrieren sich direkt in größere Platinen ohne zusätzliche Logikbausteine, was die Bauteilzahl und den Stromverbrauch reduziert. Wenn die Logik jedoch komplex genug wird, um die Kapazität der AND-Ebene auszuschöpfen, müssen mehrere PLAs hintereinander geschaltet oder auf ein FPGA ausgewichen werden, das flexibler ist, aber größer ausfällt und länger zur Realisierung braucht.

Der Begriff "Array" spiegelt die Gitterstruktur programmierbarer Zellen wider; "Logik-Array" unterscheidet es von Speicher-Arrays. Die heutige Verwendung von PLAs ist rückläufig, da FPGAs billiger und zugänglicher geworden sind, doch PLAs bleiben in manchen Mikrocontrollern und anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) für stromsparende Logiksynsthese eingebaut. Bei der Wahl zwischen PLA, PAL (Programmable Array Logic mit fest verdrahteter OR-Ebene) und FPGA sollten Logiktiefe, Strombudget und die Notwendigkeit sequenzieller Funktionen berücksichtigt werden.