C语言编程开发中用好位操作符
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C语言程序设计 | 发表日期:2011-3-7 8:51:40
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置1，而又不影响其它位的现有状态。比如说，你如果想将第4位置1，就使用 PORTA | = （1《 4） 就行了。当然，也可以使用 PORTA | = （1《 7） | （1《 4 ） | （1《 0） 这样的指令一次将设第8、5和1位置1，但又不影响到其它位的状态。
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：
PIND xxx x1xx
& 0000 0100
结果 = 0000 0100
结果的第二位的状态为1，也就是整个表达式 （PIND&（1《DR））= = 0不成立，语句的逻辑值为0。
若DR为低，则有：
PIND xxxx x0xx
& 0000 0100
结果 = 0000 0000
也就是整个表达式的结果为0，（PIND&（1《DR））= = 0成立，语句的逻辑值为1。根据括号中逻辑值的情况，while 或者if 语句再决定程序的流向。
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