C语言编程开发中用好位操作符

2012-07-31 06:31 ⁄ 工业·编程 ⁄ 共 5677字 ⁄ 字号小中大 ⁄ 暂无评论

1. C语言中的位操作符

因为C语言的设计目的是取代汇编语言，所以它必须支持汇编语言所具有的运算能力，所以C语言支持全部的位操作符(Bitwise Operators)。位操作是对字节或字中的位(bit)进行测试、置位或移位处理，在对微处理器的编程中，特别适合对寄存器、I/O端口进行操作。因而本节将对此作比较详细地介绍。

6种位操作符的形式与含义如下：

& ：按位“与”(AND)；

| ：按位“或”(OR)；

^ ：按位“异或”(XOR)；

~ ：“取反” (NOT)；

>> ：数据右移；

<< ：数据左移；

1) 按位“与”运算

按位“与”运算符 & 的作用是对运算符两侧以二进制表达的操作数按位分别进行“与”运算，而这一运算是以数中相同的位(bit)为单位的。操作的规则是：仅当两个操作数都为1时，输出的结果才为1，否则为0。

例如：

a = 0x88，b = 0x81，则a & b 的运算结果如下：

0x88 1000 1000 a数

& 0x81 1000 0001 b数

= 1000 0000

其中，& 运算符让a数0x88与B数0x81的1位与1位、2位与2位……7位与7位分别相“与”。由于“与”运算的操作规则是，两个操作数中各位只要有1个为0，其结果中对应的位就为0。而a数与b数中只有最高位(第7位)均为1，因而该位结果为1，其它各位结果都为0。

通常我们可把按位“与”操作 & 作为关闭某位(即将该位置0)的手段，例如我们想要关闭a数中的第3位，而又不影响其它位的现状，可以用一个数0xF7，即二进制数1111 0111去与a数作按位“与”运算：

0x88 1000 1000 a数

& 0xF7 1111 0111 屏蔽数

= 1000 0000

注意，这个数除第3位为0外，其它各位均为1，操作的结果只会将a数中的第3位置0，而a数的其它位不受影响。也就是说，若需要某个数的第n位关闭，只需要将该数与另一个数按位相与，另一个数除了相应的第n位为0外，其它各位都为1，以起到对其它各位的屏蔽作用。

上面的运算可以用a = a &(0xF7) 来表示，也可以用a & =(0xF7) 来表达。这两个表达式功能是相同的(见上节“复合赋值运算符”部分)，但在源程序代码中常常见到的以第二种形式为多。

2) 按位“或”运算

按位“或” 运算符 | 的作用是对运算符两侧以二进制表达的操作数按位分别进行“或”运算，而这一运算是以数中相同的位(bit)为单位的。操作的规则是：仅当两个操作数都为0时，输出的结果才为0，否则为1。

例如：

a = 0x88，b = 0x81，则a | b 的运算结果如下：

0x88 1000 1000 a数

| 0x81 1000 0001 b数

= 1000 1001

通常我们可把按位“与”操作 & 作为置位(即将该位置1)的手段，例如我们想要将a数中的第0位和1位置1，而又不影响其它位的现状，可以用一个数0x03，即二进制数00000011去与a数作按位“或”运算：

0x88 1000 1000 a数

| 0x03 0000 0011 屏蔽数

= 1000 1011

注意，这个数除第0、1位为1外，其它各位均为0，操作的结果只会将a数中的第0、1位置0，而a数的其它位不受影响。也就是说，若需要某个数的第n位置1，只需要将该数与另一个数按位相“或”，另一个数除了相应的第n位为1外，其它各位都为0，以起到对其它各位的屏蔽作用。上面的运算可以用a = a | (0xF7) 来表示，也可以用a | =(0xF7) 来表达。

3) 按位“异或”运算

按位“异或”运算符 ^ 的作用是对运算符两侧以二进制表达的操作数按位分别进行“异或”运算，而这一运算是以数中相同的位(bit)为单位的。异或运算操作的规则是：仅当两个操作数不同时，相应的输出结果才为1，否则为0。

例如：

a = 0x88，b = 0x81，则a ^ b 的运算结果如下：

0x88 1000 1000 a数

^ 0x81 1000 0001 屏蔽数

= 0000 1001

按位“异或”运算 ^ 具有一些特殊的应用，介绍如下：

① 按位“异或”运算可以使特定的位取反

例如：我们想让a数中的最低位和最高位取反，只要用0x81，即二进制数10000001去与它作按位“异或”运算，其运算结果同上式。经过操作后，最高位的值已经由1变0，而最低位的值也已经由0变1，起到了使这两位翻转的效果。其它位的状态保持不变。

可以看到，这个数除最低位、最高位为1外，其它各位均为0，操作的结果只会将a数中的第0、7位取反，而a数的其它位不受影响。也就是说，若需要某个数的第n位取反，只需要将该数与另一个数按位相“异或”，另一个数除了相应的第n位为1外，其它各位都为0，以起到对其它各位的屏蔽作用。上面的运算可以用a = a ^ (0x81) 来表示，也可以用a ^ =(0x81) 来表达。

② 直接交换两个变量的值

例如，若有变量a = 3，b = 4，想要交换它们的值，可以做如下一组操作：

a ^ = b

b ^ = a

a ^ = b

首先，a ^ = b:

a 0000 0011

^ b 0000 0100

a = 0000 0111

其次，b ^ = a:

b 0000 0100

^ a 0000 0111

b = 0000 0011

最后，a ^ = b:

a 0000 0111

^ b 0000 0011

a = 0000 0100

这样，a、b两个变量中的值就进行了对调。

4)“取反”运算

“取反”运算符 ~ 的作用是将各位数字取反：所有的0置为1，1置为0。例如：

1001 0110 取反后为0110 1001。

5) 数据右移

数据右移操作符 >> 将变量的各位按要求向右移动若干位。右移语句的通常形式是：

variable >>右移位数

如：a = 1111 0000；进行 a = a >> 2 操作后，a = 0011 1100。

6) 数据左移

数据左移操作符 << 将变量的各位按要求向左移动若干位。左移语句的通常形式是：

variable << 左移位数

如：a = 1111 0000；进行 a = a << 2 操作后，a =1100 0000。

无论是左移还是右移，当某位从一端移出时，另一端出现的空白将以从外面移入的0（某些计算机是送1，详细内容请查阅相应C编译程序用户手册）来补充。这说明，移位不同于循环，从一端移出的位并不送回到另一端去，移去的位永远丢失了，同时在另一端只能补上相应位数的0。

移位操作可用于整数的快速乘除运算，左移一位等效于乘2，而右移一位等效于除以2。

如：x = 7，二进制表达为：0000 0111，

x << 1 0000 1110，相当于： x =2*7=14，

x << 3 0111 0000，相当于： x=14*2*2*2=112

x << 2 1100 0000， x= 192

在作第三次左移时，其中一位为1的位移到外面去了，而左边只能以0补齐，因而便不等于112*2*2=448，而是等于192了。当x按刚才的步骤反向移动回去时，就不能返回到原来的值了，因为左边丢掉的一个1，再也不能找回来了：

x >> 2 0011 0000， x=48

x >> 3 0000 0110 x=48/8=6

x >> 1 0000 0011 x=6/2=3

移位操作还可以配合其它位操作夫对寄存器或者数据I/O接口的各个位进行设置、检测，具体方法见下一节。

2.位操作符的一些实用方法介绍

1) 学会应用复合运算符

如前面所介绍的，位操作运算符可以和赋值运算符“=”一起组成复合运算符。即如下5个：

<<= 、>>=、&=、^=、|=

其中，x << = y，相当于x = x << y；

x >> = y，相当于x = x >> y；

x & = y，相当于x = x & y；

x ^ = y，相当于x = x ^ y；

x | = y，相当于x = x | y；

学会在C语言中使用复合运算符，可以简化源程序，优化目标程序。

2) C 语言中一些常见的位操作方法

由于我们此处学习C 语言的目的主要是为了开发微控制器的控制程序，为此我们特别关注一下对MPU的寄存器、I/O中某一位的操作语句。假如要对PORTA(端口A)的某些位进行赋值、置0、置1、取反、测试，可能会用到如一下一些语句：

① PORTA = 0x87

给整个PORTA赋值，作用是将1000 0111这个数赋予PORTA，即让PORTA的第0、1、2和7位置1，其它位清0。

② PORTA = (1<<7)

给整个PORTA赋值，作用等价于PORTA = 0x80，将1000 0000这个数赋予PORTA，将指定的第7位置1，其余各位置0。只不过这里包括了两个步骤，即先是括号中的1<<7操作，表示将0x01这个数左移7位，其值变成0x80，再将它赋予PORTA。

③ PORTA = (1<<7) | (1<< 3) | (1<< 2)

给整个PORTA赋值，作用与②中的操作相同，但是是分别对7、3、2位置1，而将其它各位均置0。它先要分别对三个括号中给定的值进行移位操作，再将它们按位“与”，最后将值赋予PORTA。即：

1000 0000 (1<< 7)

0000 1000 (1<< 3)

| 0000 0100 (1<< 2)

PORTA = 1000 1100

④ PORTA & = 0x80

使PORTA中的指定位清0，等价于PORTA =PORTA & (0x80)。由于0x80的二进制表达形式为1000 0000，利用其最高位为1，其它各位均为0的特性，作为一个模板将其等于1的那些位(如本例中的第7位)屏蔽起来，使之保持不变，而将其它位清0(不管原来为0还是为1)。因为PORTA与0x80按位“与”的结果如下：

PORTA = 0x87 1000 0111

& 0x80 1000 0000

= 1000 0000

操作后，第7位的原来值1被保留，其它各个位被清0，其中最低的3位原来为1，现在均为0了。

⑤ PORTA & = (1<<7)

它也等价于PORTA & = 0x80：这里也包括了两个步骤，即先执行括号中的1<<7操作，将0x01左移7位，其值变成0x80，再将它与PORTA做按位“与”。

该操作将除指定的第7位以外的各个位清0。

⑥PORTA & = ~ (1 << 7)

该指令在等号后面加了取反符号 ~ 。与上一条操作的区别是，在与PORTA做按位“与”前，还将0x80先行取反，将1000 0000转换成0111 1111，再做按位“与”操作。这样的操作结果是将指定的第7位清零，其它各位保持不变。

⑦ PORTA | = (1<<7)

等价于PORTA = PORTA | (1<<7)，这里也是先执行括号中的1<<7操作，将0x01左移7位，其值变成0x80，再将它与PORTA做按位“或”。

若操作前PORTA的初始值为0x07，则：

PORTA 0000 0111

| 0x80 1000 0000

PORTA = 1000 0111

该操作将最高位置1，其它各位保持不变。

要注意的是，这条指令与PORTA = (1<<7) 相比，虽然都可以使指定的某一位置1，但它们有着不同之处。PORTA = (1<<7) 执行后，虽然某一位被置1了，但其它的位却被修改了，即不管PORTA的初始值为什么，原来为1的位都会被0覆盖，执行的结果总是为1000 0000。而本条指令却可以将其它位屏蔽起来，在改变要设置的那一位的同时，并不改变其它位的状态。

3) 巧用C语言中的位操作方法

① 将寄存器的指定位置1或清0

在实际应用中，经常利用 PORTA & = ~ (1<< n) 这条指令将寄存器的任意位清0，而又不影响其它位的现有状态。比如说，你如果想将第4位清0，就使用 PORTA & = ~ (1<< 4) 就行了。

在启动nRF905芯片向空中发送数据时，采用以下函数：

void nrf905_TxSend(void)

{

PORTD|=(1<<TRXCE);

DelayUs(1);//>10us

PORTD &= ~(1<<TRXCE);

}

其中让PORTD中控制TRX_CE信号的那一位先置1，再清0，输出一高一低的脉冲信号，就在一个脉冲周期内，完成了一次数据发送。因为在程序的开头已经定义TRX_CE信号为PD6位，即TRXCE = 6，因而上面两行程序等价于：

PORTD|=(1<< 6);

PORTD &= ~(1<< 6);

② 测试寄存器指定位的状态

nRF905在接收数据过程中，要分别发出CD、AM和DR信号，而MPU也要分别对这些位进行检测，看它们是否变高，若变高，就执行下一步，否则就跳出分支，返回主程序。下面就是对这些位进行检测的一段函数：

void nrf905_RxRecv(void)

{

while ((PIND&(1<<CD))==0); //CD引脚置1,检测到载波信号

while ((PIND&(1<<AM))==0); //一般先AM=1指示地址匹配对

while ((PIND&(1<<DR))==0); //DR=1时表示数据接收对而且Crc正确

//nrf905已经接收到数据

nrf905_ReadData(0);//读出nrf905中的数据

}

其中有：

while ((PIND&(1<<DR))= =0); 或者：

if ((PIND&(1<<DR))= =0); 语句，其功能就是对寄存器指定的位进行测试。

括号中是一个等式，我们将其拆分开介绍它的作用：

1<<DR：

DR在程序的开始已经被定义为2，(1<<DR)也就是(1<< 2)，表示将0x01左移2位，结果为0000 0100；

PIND& (1<<DR)：

PIND为PORTD端口的8位引脚的值，PIND& (1<<DR)表示让它和(1<<DR) 亦即和0000 0100按位相“与”。不管PIND的其它位为何值，由于和0相与，这些位的结果都为0，我们关心的只有第2位的状态。由于该位与1相与，只要DR为高，就会有：