嵌入式linux C语言——位运算的使用

Posted 2020-07-15

   嵌入式linux C语言（一）——位运算的使用

    ARM是内存与IO统一编址，SoC中有很多控制寄存器，通过对这些寄存器进行位运算对这些控制寄存器进行设置，进而控制外设功能。在修改寄存器某些位的过程中不能修改其他的位。

一、位运算基础

C语言基本的位操作符有与、或、异或、取反、左移、右移六种位运算符。如下表所示：

符号	描述	运算规则
&	与	两个位都为1时，结果才为1
|	或	两个位都为0时，结果才为0
^	异或	两个位相同为0，相异为1
~	取反	0变1，1变0
<<	左移	各二进位全部左移若干位，高位丢弃，低位补0
>>	右移	各二进位全部右移若干位，对无符号数，高位补0，有符号数，各编译器处理方法不一样，有的补符号位（算术右移），有的补0（逻辑右移）

位运算使用说明：

1、六种位运算只能用于整型数据，对float和double类型进行位操作会被编译器报错。

2、逻辑运算与位运算的区别：逻辑运算是将参与运算的两个表达式整体的结果进行逻辑运算，而位运算是将参与运算的两个数据，按对应的二进制数逐位进行逻辑运算。逻辑运算符有逻辑与&&、逻辑或||、逻辑非！，位运算则有六种运算符，位与&、位或|、位异或^、位取反~、位左移<<、位右移>>。

3、如果左移位数>=类型长度，在GCC环境下，GCC编译器会报警告，但实际左移位数为左移位数%(8 * sizeof(int))。例如：

int i = 1, j = 0x80000000; //设int为32位

i = i << 33;   // 33 % 32 = 1 左移1位,i变成2

j = j << 33;   // 33 % 32 = 1 左移1位,j变成0,最高位被丢弃

 

4、在C语言中,左移是逻辑/算术左移(两者完全相同),右移是算术右移,会保持符号位不变。左移时总是移位和补零。右移时无符号数是移位和补零，此时称为逻辑右移;而有符号数大多数情况下是移位和补最左边的位（也就是补最高有效位），移几位就补几位,此时称为算术右移。 算术移位是相对于逻辑移位，它们在左移操作中都一样，低位补0即可，但在右移中逻辑移位的高位补0而算术移位的高位是补符号位。

右移对符号位的处理和左移不同,对于有符号整数来说,比如int类型,右移会保持符号位不变。符号位向右移动后,正数的话补0,负数补1,也就是汇编语言中的算术右移。当移动的位数超过类型的长度时,会取余数,然后移动余数个位。

int i = 0x80000000;

i = i >> 1;  //i的值不会变成0x40000000,而会变成0xc0000000

5、位操作符的运算优先级比较低，因为尽量使用括号来确保运算顺序，否则很可能会得到莫明其妙 的结果。比如要得到像1，3，5，9这些2^i+1的数字。写成int a = 1 << i + 1;是不对的，程序会先执行i + 1，再执行左移操作。应该写成int a = (1 << i) + 1。

二、位运算的使用

1、位与运算&

    位与运算的实质是将参与运算的两个数据，按对应的二进制数逐位进行逻辑与运算。典型应用如下：

A、特定数据段清零

快速对某一段数据单元的数据清零

unsigned int a = 0x00FF1278;

a &= 0xFFFF0FFF;//对a的bit12--bit15位进行清零，a=0x00FF0278

//a &= ~(0xF<<12) ;//对a的bit12--bit15位进行清零，a=0x00FF0278

 

B、保留数据区的特定位

unsigned int a = 0x00FF1278;

a &= (0xF<<12);//保留a的bit12--bit15位，其他清零，a=0x00001000

 

C、判断奇偶数

    只要根据最未位是0还是1来决定，为0就是偶数，为1就是奇数。因此可以用if ((a & 1) == 0)代替if (a % 2 == 0)来判断a是不是偶数

 

2、位或运算符|

位或运算的实质是将参与运算的两个数据，按对应的二进制数逐位进行逻辑或运算。典型应用如下：

A、对数据位置1

unsigned int a = 0x00FF0278;

a |= 0x0000F000;//对a的第12-15位置1，a=0x00FFF278

//a |= (0xF<<12);//对a的第12-15位置1，a=0x00FFF278

 

3、位异或^

    位异或运算的实质是将参与运算的两个数据，按对应的二进制数逐位进行逻辑异或运算。只有当对应位的二进制数互斥的时候，对应位的结果才为真。典型应用如下：

A、特定位取反

    设定一个数据的指定位，将1换为0，0换为1。例如整型数a=321,，将其低八位数据进行翻位的操作为a=a^0XFF。

B、数值交换

a=a^b;

b=b^a;

a=a^b;

不使用第三方变量可以用位操作来实现交换两数

4、位非~

位非运算的实质是将参与运算的两个数据，按对应的二进制数逐位进行逻辑非运算。

A、变换符号

变换符号只需要取反后加1

5、位左移<<

左移运算的实质是将对应的数据的二进制值逐位左移若干位，并在空出的位置上填0，最高位溢出并舍弃。

6、位右移>>

位右移运算的实质是将对应的数据的二进制值逐位右移若干位，并舍弃出界的数字。如果当前的数为无符号数，高位补零。

如果当前的数据为有符号数，在进行右移的时候，根据符号位决定左边补0还是补1。如果符号位为0，则左边补0；但是如果符号位为1，则根据不同的计算机系统，可能有不同的处理方式。可以看出位右移运算，可以实现对除数为2的整除运算。

提示 将所有对2的整除运算转换为位移运算，可提高程序的运行效率。

A、求绝对值

int i = a >> 31;  

return i == 0 ? a : (~a + 1);  

或

int i = a >> 31;  

return ((a ^ i) - i); 

7、嵌入式开发中常用位操作

A、将寄存器指定位（第n位）置为1

GPXX |= (1<<n) 

GPXX |= (1<< 7) | (1<< 4 ) | (1<< 0)；//第0、4、7位置1，其他保留

B、将寄存器指定位（第n位）置为0

GPXX &= ~（1<<n )

将寄存器的第n位清0，而又不影响其它位的现有状态。

GPXX &= ~（1<<4 )

C、嵌入式开发位操作实例

    unsigned int i = 0x00ff1234;

    //i |= (0x1<<13);//bit13置1

    //i |= (0xF<<4);//bit4-bit7置1

    //i &= ~(1<<17);//清除bit17

    //i &= ~(0x1f<<12);//清除bit12开始的5位

    

    //取出bit3-bit8

    //i &= (0x3F<<3);//保留bit3-bit8，其他位清零

    //i >>= 3;//右移3位

 

    //给寄存器的bit7-bit17赋值937

    //i &= ~(0x7FF<<7);//bit7-bit17清零

    //i |= (937<<7);//bit7-bit17赋值

 

    //将寄存器bit7-bit17的值加17

   // unsigned int a = i;//将a作为i的副本，避免i的其他位被修改

   // a &= (0x7FF<<7);//取出bit7-bit17

   //a >>= 7;//

   // a += 17;//加17

   // i &= ~(0x7FF<<7);//将i的bit7-bit17清零

   // i |= (a<<7);//将+17后的数写入bit7-bit17，其他位不变

 

    //给一个寄存器的bit7-bit17赋值937，同时给bit21-bit25赋值17

    i &= ~((0x7FF<<7) | (0x1F<<21));//bit7-bit17、bit21-bit25清零

    i |= ((937<<7) | (17<<21));//bit7-bit17、bit21-bit25赋值

 

三、位操作的宏定义

//用宏定义将32位数x的第n位(bit0为第1位)置位

#define SET_BIT_N(x,n) (x | (1U<<(n-1)))

//用宏定义将32位数x的第n位(bit0为第1位)清零

#define CLEAR_BIT_N(x,n) (x & (~(1U<<(n-1))))

//用宏定义将32位数x的第n位到第m位(bit0为第1位)置位

#define SET_BITS_N_M(x,n,m) (x | (((~0U)>>(32-(m-n+1)))<<(n-1)))

//用宏定义将32位数x的第n位到第m位(bit0为第1位)清零

#define CLEAR_BITS_N_M(x,n,m) (x & (~(((~0U)>>(32-(m-n+1)))<<(n-1))))

//用宏定义获取32位数x的第n位到第m位(bit0为第1位)的部分

#define GET_BITS_N_M(x,n,m) ((x & ~(~(0U)<<(m-n+1))<<(n-1))>>(n-1))

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