4.4操作符

4.4　操作符

在VHDL中共有4类操作符，可以分别进行逻辑运算（LOGICAL）、关系运算（RELATIONAL）、算术运算（ARITHMETIC）和并置运算（CONCATENATION）。操作符是有优先级的，例如，逻辑运算符“NOT”在所有操作符中其优先级最高。如表4.3所示列出了所有操作符的优先次序。

表4.3　操作符的优先级

1．逻辑运算符

在VHDL中逻辑运算符共有6种，它们分别是：

NOT——取反；

AND——与；

OR——或；

NAND——与非；

NOR——或非；

XOR——异或。

运算符的左边和右边，以及代入的信号的数据类型必须相同。在预定义包STANDARD中，这6种逻辑运算符只可以对“BIT”型的逻辑数据进行逻辑运算。

当一个语句中存在两个以上的逻辑表达式时，在C语言中运算有自左至右的优先级顺序的规定，而在VHDL中，左右没有优先级差别。例如，在下例中，如去掉式中的括号，那么从语法上来说是错误的：

当然也有例外，如果一个逻辑表达式中只有“AND”，“OR”，“XOR”运算符，那么改变运算顺序将不会导致逻辑的变化。此时，括号是可以省略的。例如：

在所有逻辑运算符中NOT的优先级最高。

2．算术运算符

VHDL有10种算术运算符，它们分别是：

+——加；

－——减；

*——乘；

/——除；

MOD——求模；

REM——取余；

+——正；（一元运算）

－——负；（一元运算）

**——指数；

ABS——取绝对值。

被操作符所操作的对象是操作数，需要注意的是，操作数的类型应该和操作符所要求的类型相一致。在STANDARD中，算术运算符只对整数有效，但一些厂家设计的程序包的扩展，算术运算符可操作的操作数类型也增加了。例如，“+”和“−”在STANDARD中仅可对整数进行操作，但经过IEEE库中的程序包STD_LOGIC_UNSIGNED对“+”、“−”的再次定义，使得“+”、“−”运算对STD_LOGIC及STD_LOGIC_VECTOR类型也可以操作。

程序包STD_LOGIC_UNSIGNED对“+”、“−”运算的定义，以下截取了一部分：

在程序包的支持下，设计者可以方便地对STD_LOGIC类型的数据进行运算，如例4-11所示。

【例4-11】STD_LOGIC数据类型的使用

在例4-11中，只有将std_logic_unsigned设为参考程序包，才可以实现“a+b”的运算，否则程序在编译过程中，编译器会提示错误：“Operator"+"is not defined for such operands”。

若对“STD_LOGIC_VECTOR”进行“+”（加）、“−”（减）运算时，两边的操作数和所代入变量的位长如不同，则会产生语法错误。另外，“*”运算符两边的位长相加后的值和要代入的数据对象的位长不相同时，同样也会出现语法错误。

实际上，能够真正综合逻辑电路的算术运算符只有“+”、“−”、“*”。在数据位较长的情况下，若要使用算术运算符进行电路设计，特别是使用乘法运算符“*”，应特别慎重。因为对于16位的乘法运算，综合时逻辑门电路会超过2000个门。对于算术运算符“/”、“MOD”、“REM”，分母的操作数为2乘方的常数时，逻辑电路综合是可能的。

3．关系运算符

VHDL中有6种关系运算符，它们分别是：

=——等于；

/=——不等于；

＜——小于；

＜=——小于等于；

＞——大于；

＞=——大于等于。

在关系运算符的左右两边是运算操作数，不同的关系运算符对两边的操作数的数据类型有不同的要求。在进行关系运算时，左右两边的操作数的数据类型必须相同，但是位长却不一定相同。

在利用关系运算符对位矢量数据进行比较时，比较过程是从最左边的位开始，自左至右按位进行比较的。在数据位长不同的情况下，只能按自左至右的比较结果作为关系的结果。例如，对3位和4位的位矢量进行比较：

上例a的值为10，而b的值为7，a应该比b大。但是，由于位矢量是从左至右按位比较的，当比较到次高位时，a的次高位为“0”而b的次高位为“1”，故比较结果b比a大。这样的比较结果显然是不符合实际情况的。

为了能使位矢量进行关系运算，在程序包“STD_LOGIC_UNSIGNED”中对“STD_LOGIC_VECTOR”关系运算重新作了定义，使其可以正确地进行关系运算。注意在使用时必须首先说明调用该程序包。位矢量还可以和整数进行关系运算。

4．并置运算符

并置运算符“＆”或“，”用于位的连接。例如，将4个位用并置运算符“＆”连接起来就可以构成一个具有4位长度的位矢量。两个4位的位矢量用并置运算符“＆”连接起来就可以构成8位长度的位矢量。

有三个信号a、b、c定义如下：

若c(5)='0'，c(4)='0'，c(3)=b(1)，c(2)=b(0)，c(1)='1'，c(0)=a，则有

若c(5)～c(0)均为“0”，还可写为：