C語言編程開發(fā)中用好位操作符

作者：中國IT實(shí)驗(yàn)室 2011-04-12 15:03:26

位操作，在C語言編程中算是基礎(chǔ)知識(shí)。但是，如果位操作能夠用好的話，可以有效地提高程序運(yùn)行的效率。下面讓我們一起來看。

在C語言編程中，數(shù)據(jù)的位是可以操作的最小數(shù)據(jù)單位，理論上可以用“位運(yùn)算”來完成所有的運(yùn)算和操作。一般的位操作是用來控制硬件的，或者做數(shù)據(jù)變換使用，但是，靈活的位操作可以有效地提高程序運(yùn)行的效率。

1. C語言中的位操作符

因?yàn)镃語言的設(shè)計(jì)目的是取代匯編語言，所以它必須支持匯編語言所具有的運(yùn)算能力，所以C語言支持全部的位操作符(Bitwise Operators)。位操作是對(duì)字節(jié)或字中的位(bit)進(jìn)行測試、置位或移位處理，在對(duì)微處理器的編程中，特別適合對(duì)寄存器、I/O端口進(jìn)行操作。因而本節(jié)將對(duì)此作比較詳細(xì)地介紹。

6種位操作符的形式與含義如下：

& ：按位“與”(AND);

| ：按位“或”(OR);

^ ：按位“異或”(XOR);

~ ：“取反” (NOT);

》：數(shù)據(jù)右移;

《：數(shù)據(jù)左移;

1) 按位“與”運(yùn)算

按位“與”運(yùn)算符 & 的作用是對(duì)運(yùn)算符兩側(cè)以二進(jìn)制表達(dá)的操作數(shù)按位分別進(jìn)行“與”運(yùn)算，而這一運(yùn)算是以數(shù)中相同的位(bit)為單位的。操作的規(guī)則是：僅當(dāng)兩個(gè)操作數(shù)都為1時(shí)，輸出的結(jié)果才為1，否則為0。

例如：

a = 0x88，b = 0x81，則a & b 的運(yùn)算結(jié)果如下：

0x88 1000 1000 a數(shù)

& 0x81 1000 0001 b數(shù)

= 1000 0000

其中，& 運(yùn)算符讓a數(shù)0x88與B數(shù)0x81的1位與1位、2位與2位……7位與7位分別相“與”。由于“與”運(yùn)算的操作規(guī)則是，兩個(gè)操作數(shù)中各位只要有1個(gè)為0，其結(jié)果中對(duì)應(yīng)的位就為0。而a數(shù)與b數(shù)中只有***位(第7位)均為1，因而該位結(jié)果為1，其它各位結(jié)果都為0。

通常我們可把按位“與”操作 & 作為關(guān)閉某位(即將該位置0)的手段，例如我們想要關(guān)閉a數(shù)中的第3位，而又不影響其它位的現(xiàn)狀，可以用一個(gè)數(shù)0xF7，即二進(jìn)制數(shù)1111 0111去與a數(shù)作按位“與”運(yùn)算：

0x88 1000 1000 a數(shù)

& 0xF7 1111 0111 屏蔽數(shù)

= 1000 0000

注意，這個(gè)數(shù)除第3位為0外，其它各位均為1，操作的結(jié)果只會(huì)將a數(shù)中的第3位置0，而a數(shù)的其它位不受影響。也就是說，若需要某個(gè)數(shù)的第n位關(guān)閉，只需要將該數(shù)與另一個(gè)數(shù)按位相與，另一個(gè)數(shù)除了相應(yīng)的第n位為0外，其它各位都為1，以起到對(duì)其它各位的屏蔽作用。

上面的運(yùn)算可以用a = a &(0xF7) 來表示，也可以用a & =(0xF7) 來表達(dá)。這兩個(gè)表達(dá)式功能是相同的(見上節(jié)“復(fù)合賦值運(yùn)算符”部分)，但在源程序代碼中常常見到的以第二種形式為多。

2) 按位“或”運(yùn)算

按位“或” 運(yùn)算符 | 的作用是對(duì)運(yùn)算符兩側(cè)以二進(jìn)制表達(dá)的操作數(shù)按位分別進(jìn)行“或”運(yùn)算，而這一運(yùn)算是以數(shù)中相同的位(bit)為單位的。操作的規(guī)則是：僅當(dāng)兩個(gè)操作數(shù)都為0時(shí)，輸出的結(jié)果才為0，否則為1。

例如：

a = 0x88，b = 0x81，則a | b 的運(yùn)算結(jié)果如下：

0x88 1000 1000 a數(shù)

| 0x81 1000 0001 b數(shù)

= 1000 1001

通常我們可把按位“與”操作 & 作為置位(即將該位置1)的手段，例如我們想要將a數(shù)中的第0位和1位置1，而又不影響其它位的現(xiàn)狀，可以用一個(gè)數(shù)0x03，即二進(jìn)制數(shù)00000011去與a數(shù)作按位“或”運(yùn)算：

0x88 1000 1000 a數(shù)

| 0x03 0000 0011 屏蔽數(shù)

= 1000 1011

注意，這個(gè)數(shù)除第0、1位為1外，其它各位均為0，操作的結(jié)果只會(huì)將a數(shù)中的第0、1位置0，而a數(shù)的其它位不受影響。也就是說，若需要某個(gè)數(shù)的第n位置1，只需要將該數(shù)與另一個(gè)數(shù)按位相“或”，另一個(gè)數(shù)除了相應(yīng)的第n位為1外，其它各位都為0，以起到對(duì)其它各位的屏蔽作用。上面的運(yùn)算可以用a = a | (0xF7) 來表示，也可以用a | =(0xF7) 來表達(dá)。

3) 按位“異或”運(yùn)算

按位“異或”運(yùn)算符 ^ 的作用是對(duì)運(yùn)算符兩側(cè)以二進(jìn)制表達(dá)的操作數(shù)按位分別進(jìn)行“異或”運(yùn)算，而這一運(yùn)算是以數(shù)中相同的位(bit)為單位的。異或運(yùn)算操作的規(guī)則是：僅當(dāng)兩個(gè)操作數(shù)不同時(shí)，相應(yīng)的輸出結(jié)果才為1，否則為0。

例如：

a = 0x88，b = 0x81，則a ^ b 的運(yùn)算結(jié)果如下：

0x88 1000 1000 a數(shù)

^ 0x81 1000 0001 屏蔽數(shù)

= 0000 1001

按位“異或”運(yùn)算 ^ 具有一些特殊的應(yīng)用，介紹如下：

① 按位“異或”運(yùn)算可以使特定的位取反

例如：我們想讓a數(shù)中的***位和***位取反，只要用0x81，即二進(jìn)制數(shù)10000001去與它作按位“異或”運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果同上式。經(jīng)過操作后，***位的值已經(jīng)由1變0，而***位的值也已經(jīng)由0變1，起到了使這兩位翻轉(zhuǎn)的效果。其它位的狀態(tài)保持不變。

可以看到，這個(gè)數(shù)除***位、***位為1外，其它各位均為0，操作的結(jié)果只會(huì)將a數(shù)中的第0、7位取反，而a數(shù)的其它位不受影響。也就是說，若需要某個(gè)數(shù)的第n位取反，只需要將該數(shù)與另一個(gè)數(shù)按位相“異或”，另一個(gè)數(shù)除了相應(yīng)的第n位為1外，其它各位都為0，以起到對(duì)其它各位的屏蔽作用。上面的運(yùn)算可以用a = a ^ (0x81) 來表示，也可以用a ^ =(0x81) 來表達(dá)。

② 直接交換兩個(gè)變量的值

例如，若有變量a = 3，b = 4，想要交換它們的值，可以做如下一組操作：

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

***，a ^ = b:

a 0000 0111

^ b 0000 0011

a = 0000 0100

這樣，a、b兩個(gè)變量中的值就進(jìn)行了對(duì)調(diào)。

4)“取反”運(yùn)算

“取反”運(yùn)算符 ~ 的作用是將各位數(shù)字取反：所有的0置為1，1置為0。例如：

1001 0110 取反后為0110 1001。

5) 數(shù)據(jù)右移

數(shù)據(jù)右移操作符》將變量的各位按要求向右移動(dòng)若干位。右移語句的通常形式是：

variable 》右移位數(shù)

如：a = 1111 0000;進(jìn)行 a = a 》 2 操作后，a = 0011 1100。

6) 數(shù)據(jù)左移

數(shù)據(jù)左移操作符《將變量的各位按要求向左移動(dòng)若干位。左移語句的通常形式是：

variable 《左移位數(shù)

如：a = 1111 0000;進(jìn)行 a = a 《 2 操作后，a =1100 0000。

無論是左移還是右移，當(dāng)某位從一端移出時(shí)，另一端出現(xiàn)的空白將以從外面移入的0(某些計(jì)算機(jī)是送1，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)查閱相應(yīng)C編譯程序用戶手冊(cè))來補(bǔ)充。這說明，移位不同于循環(huán)，從一端移出的位并不送回到另一端去，移去的位永遠(yuǎn)丟失了，同時(shí)在另一端只能補(bǔ)上相應(yīng)位數(shù)的0。

移位操作可用于整數(shù)的快速乘除運(yùn)算，左移一位等效于乘2，而右移一位等效于除以2。

如：x = 7，二進(jìn)制表達(dá)為：0000 0111，

x 《 1 0000 1110，相當(dāng)于： x =2*7=14，

x 《 3 0111 0000，相當(dāng)于： x=14*2*2*2=112

x 《 2 1100 0000， x= 192

在作第三次左移時(shí)，其中一位為1的位移到外面去了，而左邊只能以0補(bǔ)齊，因而便不等于112*2*2=448，而是等于192了。當(dāng)x按剛才的步驟反向移動(dòng)回去時(shí)，就不能返回到原來的值了，因?yàn)樽筮厑G掉的一個(gè)1，再也不能找回來了：

x 》 2 0011 0000， x=48

x 》 3 0000 0110 x=48/8=6

x 》 1 0000 0011 x=6/2=3

移位操作還可以配合其它位操作夫?qū)拇嫫骰蛘邤?shù)據(jù)I/O接口的各個(gè)位進(jìn)行設(shè)置、檢測，具體方法見下一節(jié)。

#p#

2.位操作符的一些實(shí)用方法介紹

1) 學(xué)會(huì)應(yīng)用復(fù)合運(yùn)算符

如前面所介紹的，位操作運(yùn)算符可以和賦值運(yùn)算符“=”一起組成復(fù)合運(yùn)算符。即如下5個(gè)：

《= 、》=、&=、^=、|=

其中，x 《 = y，相當(dāng)于x = x 《 y;

x 》 = y，相當(dāng)于x = x 》 y;

x & = y，相當(dāng)于x = x & y;

x ^ = y，相當(dāng)于x = x ^ y;

x | = y，相當(dāng)于x = x | y;

學(xué)會(huì)在C語言中使用復(fù)合運(yùn)算符，可以簡化源程序，優(yōu)化目標(biāo)程序。

2) C 語言中一些常見的位操作方法

由于我們此處學(xué)習(xí)C 語言的目的主要是為了開發(fā)微控制器的控制程序，為此我們特別關(guān)注一下對(duì)MPU的寄存器、I/O中某一位的操作語句。假如要對(duì)PORTA(端口A)的某些位進(jìn)行賦值、置0、置1、取反、測試，可能會(huì)用到如一下一些語句：

① PORTA = 0x87

給整個(gè)PORTA賦值，作用是將1000 0111這個(gè)數(shù)賦予PORTA，即讓PORTA的第0、1、2和7位置1，其它位清0。

② PORTA = (1《7)

給整個(gè)PORTA賦值，作用等價(jià)于PORTA = 0x80，將1000 0000這個(gè)數(shù)賦予PORTA，將指定的第7位置1，其余各位置0。只不過這里包括了兩個(gè)步驟，即先是括號(hào)中的1《7操作，表示將0x01這個(gè)數(shù)左移7位，其值變成0x80，再將它賦予PORTA。

③ PORTA = (1《7) | (1《 3) | (1《 2)

給整個(gè)PORTA賦值，作用與②中的操作相同，但是是分別對(duì)7、3、2位置1，而將其它各位均置0。它先要分別對(duì)三個(gè)括號(hào)中給定的值進(jìn)行移位操作，再將它們按位“與”，***將值賦予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，等價(jià)于PORTA =PORTA & (0x80)。由于0x80的二進(jìn)制表達(dá)形式為1000 0000，利用其***位為1，其它各位均為0的特性，作為一個(gè)模板將其等于1的那些位(如本例中的第7位)屏蔽起來，使之保持不變，而將其它位清0(不管原來為0還是為1)。因?yàn)镻ORTA與0x80按位“與”的結(jié)果如下：

PORTA = 0x87 1000 0111

& 0x80 1000 0000

= 1000 0000

操作后，第7位的原來值1被保留，其它各個(gè)位被清0，其中***的3位原來為1，現(xiàn)在均為0了。

⑤ PORTA & = (1《7)

它也等價(jià)于PORTA & = 0x80：這里也包括了兩個(gè)步驟，即先執(zhí)行括號(hào)中的1《7操作，將0x01左移7位，其值變成0x80，再將它與PORTA做按位“與”。

該操作將除指定的第7位以外的各個(gè)位清0。

⑥PORTA & = ~ (1 《 7)

該指令在等號(hào)后面加了取反符號(hào) ~ 。與上一條操作的區(qū)別是，在與PORTA做按位“與”前，還將0x80先行取反，將1000 0000轉(zhuǎn)換成0111 1111，再做按位“與”操作。這樣的操作結(jié)果是將指定的第7位清零，其它各位保持不變。

⑦ PORTA | = (1《7)

等價(jià)于PORTA = PORTA | (1《7)，這里也是先執(zhí)行括號(hào)中的1《7操作，將0x01左移7位，其值變成0x80，再將它與PORTA做按位“或”。

若操作前PORTA的初始值為0x07，則：

PORTA 0000 0111

| 0x80 1000 0000

PORTA = 1000 0111

該操作將***位置1，其它各位保持不變。

要注意的是，這條指令與PORTA = (1《7) 相比，雖然都可以使指定的某一位置1，但它們有著不同之處。PORTA = (1《7) 執(zhí)行后，雖然某一位被置1了，但其它的位卻被修改了，即不管PORTA的初始值為什么，原來為1的位都會(huì)被0覆蓋，執(zhí)行的結(jié)果總是為1000 0000。而本條指令卻可以將其它位屏蔽起來，在改變要設(shè)置的那一位的同時(shí)，并不改變其它位的狀態(tài)。

3) 巧用C語言中的位操作方法

① 將寄存器的指定位置1或清0

在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常利用 PORTA & = ~ (1《 n) 這條指令將寄存器的任意位清0，而又不影響其它位的現(xiàn)有狀態(tài)。比如說，你如果想將第4位清0，就使用 PORTA & = ~ (1《 4) 就行了。

在啟動(dòng)nRF905芯片向空中發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，采用以下函數(shù)：

void nrf905_TxSend(void)

{

PORTD|=(1《TRXCE);

DelayUs(1);//>10us

PORTD &= ~(1《TRXCE);

}

其中讓PORTD中控制TRX_CE信號(hào)的那一位先置1，再清0，輸出一高一低的脈沖信號(hào)，就在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，完成了一次數(shù)據(jù)發(fā)送。因?yàn)樵诔绦虻拈_頭已經(jīng)定義TRX_CE信號(hào)為PD6位，即TRXCE = 6，因而上面兩行程序等價(jià)于：

PORTD|=(1《 6);

PORTD &= ~(1《 6);

② 測試寄存器指定位的狀態(tài)

nRF905在接收數(shù)據(jù)過程中，要分別發(fā)出CD、AM和DR信號(hào)，而MPU也要分別對(duì)這些位進(jìn)行檢測，看它們是否變高，若變高，就執(zhí)行下一步，否則就跳出分支，返回主程序。下面就是對(duì)這些位進(jìn)行檢測的一段函數(shù)：

void nrf905_RxRecv(void)

{

while ((PIND&(1《CD))==0); //CD引腳置1,檢測到載波信號(hào)

while ((PIND&(1《AM))==0); //一般先AM=1指示地址匹配對(duì)

while ((PIND&(1《DR))==0); //DR=1時(shí)表示數(shù)據(jù)接收對(duì)而且Crc正確

//nrf905已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)

nrf905_ReadData(0);//讀出nrf905中的數(shù)據(jù)

}