我如何在Python中进行按位操作？

Question

为了测试使用更多基本构建块构建Xor操作(在我的例子中使用Nand,Or和And),我需要能够执行Not操作.内置not似乎只用单位做这个.如果我做:

x = 0b1100
x = not x

我应该得到,0b0011但我得到了0b0.我究竟做错了什么？或者Python只是缺少这个基本功能？

我知道Python有一个内置的Xor函数,但我一直在使用Python来测试HDL项目/课程的内容,我需要构建一个Xor门.我想用Python测试这个,但我不能没有相当于Not门.

Answer 1

~在Python中使用的问题在于它适用于有符号整数.这也是唯一真正有意义的方法,除非你将自己限制在特定的位数.它可以通过按位数学运行,但是它可能很难解释中间结果.

对于4位逻辑,您应该从中减去 0b1111

0b1111 - 0b1100  # == 0b0011

对于8位逻辑,从中减去0b11111111等.

一般形式是

def bit_not(n, numbits=8):
    return (1 << numbits) - 1 - n

Answer 2

Python 按位运算~符反转整数的所有位，但我们看不到本机结果，因为 Python 中的所有整数都有符号表示。

我们可以间接地检查：

>>> a = 65
>>> a ^ ~a
-1

或者相同：

>>> a + ~a
-1

结果 -1 表示所有位均已设置。但前面的减号不允许我们直接检查这个事实：

>>> bin(-1)
'-0b1'

解决方案很简单：我们必须使用无符号整数。第一种方法是导入numpy或ctypes均支持无符号整数的模块。但 numpy 比 ctypes 使用更简单（至少对我来说）：

import numpy as np
a = np.uint8(0b1100)
y = ~x

检查结果：

>>> bin(x)
'0b1100'
>>> bin(y)
'0b11110011'

最后检查：

>>> x + y
255

8 位整数（字节）的无符号整数“255”与“-1”含义相同，因为所有位均设置为 1。请确保：

>>> np.uint8(-1)
255

还有另一个最简单的解决方案，不太正确，但如果您想包含其他模块，您可以使用 XOR 运算反转所有位，其中第二个参数将所有位设置为 1：

a = 0b1100
b = a ^ 0xFF

此操作还将删除有符号整数的最高有效位，我们可以看到如下结果：

>>> print('{:>08b}'.format(a))
00001100
>>> print('{:>08b}'.format(b))
11110011

最后，解决方案还包含一项操作，因此不是最佳的：

>>> b = ~a & 0xFF
>>> print('{:>08b}'.format(b))
11110011

Answer 3

实现此目的的另一种方法是分配这样的掩码（应该全为 1）：

mask = 0b1111

然后与您的号码进行异或，如下所示：

number = 0b1100
mask = 0b1111
print(bin(number ^ mask))

您可以参考异或真值表以了解其工作原理。