C語言編程開發中用好位操作符

1. C語言中的位操作符

因為C語言的設計目的是取代組合語言，所以它必須支援組合語言所具有的運算能力，所以C語言支援全部的位操作符(Bitwise Operators)。位操作是對位元組或字中的位(bit)進行測試、置位或移位處理，在對微處理器的編程中，特別適合對寄存器、I/O連接埠進行操作。因而本節將對此作比較詳細地介紹。

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)；

>> ：資料右移；

1) 按位“與”運算

按位“與”運算子 & 的作用是對運算子兩側以二進位表達的運算元按位分別進行“與”運算，而這一運算是以數中相同的位(bit)為單位的。操作的規則是：僅當兩個運算元都為1時，輸出的結果才為1，否則為0。

例如：

a = 0x88，b = 0x81，則a & b 的運算結果如下：

0x88  1000 1000  a數

&  0x81  1000 0001  b數

=  1000 0000

其中，& 運算子讓a數0x88與B數0x81的1位與1位、2位與2位……7位與7位分別相“與”。由於“與”運算的操作規則是，兩個運算元中各位只要有1個為0，其結果中對應的位就為0。而a數與b數中只有最高位(第7位)均為1，因而該位結果為1，其它各位結果都為0。

通常我們可把按位“與”操作 & 作為關閉某位(即將該位置0)的手段，例如我們想要關閉a數中的第3位，而又不影響其它位的現狀，可以用一個數0xF7，即位元1111 0111去與a數作按位“與”運算：

0x88  1000 1000  a數

&  0xF7  1111 0111  屏蔽數

=  1000 0000

注意，這個數除第3位為0外，其它各位均為1，操作的結果只會將a數中的第3位置0，而a數的其它位不受影響。也就是說，若需要某個數的第n位關閉，只需要將該數與另一個數按位相與，另一個數除了相應的第n位為0外，其它各位都為1，以起到對其它各位的屏蔽作用。

上面的運算可以用a = a &(0xF7) 來表示，也可以用a & =(0xF7) 來表達。這兩個運算式功能是相同的(見上節“複合賦值運算子”部分)，但在來源程式代碼中常常見到的以第二種形式為多。

2) 按位“或”運算

按位“或” 運算子 | 的作用是對運算子兩側以二進位表達的運算元按位分別進行“或”運算，而這一運算是以數中相同的位(bit)為單位的。操作的規則是：僅當兩個運算元都為0時，輸出的結果才為0，否則為1。

例如：

a = 0x88，b = 0x81，則a | b 的運算結果如下：

0x88  1000 1000  a數

|  0x81  1000 0001  b數

=  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數中的第0位和1位置1，而又不影響其它位的現狀，可以用一個數0x03，即位元00000011去與a數作按位“或”運算：

0x88  1000 1000  a數

|  0x03  0000 0011  屏蔽數

=  1000 1011

注意，這個數除第0、1位為1外，其它各位均為0，操作的結果只會將a數中的第0、1位置0，而a數的其它位不受影響。也就是說，若需要某個數的第n位置1，只需要將該數與另一個數按位相“或”，另一個數除了相應的第n位為1外，其它各位都為0，以起到對其它各位的屏蔽作用。上面的運算可以用a = a | (0xF7) 來表示，也可以用a | =(0xF7) 來表達。

3) 按位“異或”運算

按位“異或”運算子 ^ 的作用是對運算子兩側以二進位表達的運算元按位分別進行“異或”運算，而這一運算是以數中相同的位(bit)為單位的。異或運算操作的規則是：僅當兩個運算元不同時，相應的輸出結果才為1，否則為0。

例如：

a = 0x88，b = 0x81，則a ^ b 的運算結果如下：

0x88  1000 1000  a數

^  0x81  1000 0001  屏蔽數

=  0000 1001

按位“異或”運算 ^ 具有一些特殊的應用，介紹如下：

① 按位“異或”運算可以使特定的位取反

例如：我們想讓a數中的最低位和最高位取反，只要用0x81，即位元10000001去與它作按位“異或”運算，其運算結果同上式。經過操作後，最高位的值已經由1變0，而最低位的值也已經由0變1，起到了使這兩位翻轉的效果。其它位的狀態保持不變。

可以看到，這個數除最低位、最高位為1外，其它各位均為0，操作的結果只會將a數中的第0、7位取反，而a數的其它位不受影響。也就是說，若需要某個數的第n位取反，只需要將該數與另一個數按位相“異或”，另一個數除了相應的第n位為1外，其它各位都為0，以起到對其它各位的屏蔽作用。上面的運算可以用a = a ^ (0x81) 來表示，也可以用a ^ =(0x81) 來表達。

② 直接交換兩個變數的值

例如，若有變數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

最後，a ^ = b:

a  0000 0111

^ b  0000 0011

a =  0000 0100

這樣，a、b兩個變數中的值就進行了對調。

4)“取反”運算

“取反”運算子 ~ 的作用是將各位元字取反：所有的0置為1，1置為0。例如：

1001 0110 取反後為0110 1001。

5) 資料右移

資料右移操作符 >> 將變數的各位按要求向右移動若干位。右移語句的通常形式是：

variable >>右移位元

如：a = 1111 0000；進行 a = a >> 2 操作後，a = 0011 1100。

6) 資料左移

資料左移操作符

variable

如：a = 1111 0000；進行 a = a

無論是左移還是右移，當某位從一端移出時，另一端出現的空白將以從外面移入的0（某些電腦是送1，詳細內容請查閱相應C編譯器使用者手冊）來補充。這說明，移位不同於迴圈，從一端移出的位並不送回到另一端去，移去的位永遠丟失了，同時在另一端只能補上相應位元的0。

移位操作可用於整數的快速乘除運算，左移一位等效於乘2，而右移一位等效於除以2。

如：x = 7， 二進位表達為：0000 0111，

x

x

x

在作第三次左移時，其中一位為1的位移到外面去了，而左邊只能以0補齊，因而便不等於112*2*2=448，而是等於192了。當x按剛才的步驟反向移動回去時，就不能返回到原來的值了，因為左邊丟掉的一個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對寄存器或者資料I/O介面的各個位進行設定、檢測，具體方法見下一節。

2.位操作符的一些實用方法介紹

1) 學會應用複合運算子

如前面所介紹的，位操作運算子可以和賦值運算子“=”一起組成複合運算子。即如下5個：

>=、&=、^=、|=

其中，x

x >> = y，相當於x = x >> y；

x & = y， 相當於x = x & y；

x ^ = y， 相當於x = x ^ y；

x | = y， 相當於x = x | y；

學會在C語言中使用複合運算子，可以簡化來源程式，最佳化目標程式。

2) C 語言中一些常見的位操作方法

由於我們此處學習C 語言的目的主要是為了開發微控制器的控製程序，為此我們特別關注一下對MPU的寄存器、I/O中某一位的動作陳述式。假如要對PORTA(連接埠A)的某些位進行賦值、置0、置1、取反、測試，可能會用到如一下一些語句：

① PORTA = 0x87

給整個PORTA賦值，作用是將1000 0111這個數賦予PORTA，即讓PORTA的第0、1、2和7位置1，其它位清0。

② PORTA = (1

給整個PORTA賦值，作用等價於PORTA = 0x80，將1000 0000這個數賦予PORTA，將指定的第7位置1，其餘各位置0。只不過這裡包括了兩個步驟，即先是括弧中的1

③ PORTA = (1

給整個PORTA賦值，作用與②中的操作相同，但是是分別對7、3、2位置1，而將其它各位均置0。它先要分別對三個括弧中給定的值進行移位操作，再將它們按位“與”，最後將值賦予PORTA。即：

1000 0000  (1

0000 1000  (1

|  0000 0100  (1

PORTA = 1000 1100

④ PORTA & = 0x80

使PORTA中的指定位清0，等價於PORTA =PORTA & (0x80)。由於0x80的二進位表達形式為1000 0000，利用其最高位為1，其它各位均為0的特性，作為一個模板將其等於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)。因為PORTA與0x80按位“與”的結果如下：

PORTA = 0x87  1000 0111

&  0x80  1000 0000

=  1000 0000

操作後，第7位的原來值1被保留，其它各個位被清0，其中最低的3位原來為1，現在均為0了。

⑤ PORTA & = (1

它也等價於PORTA & = 0x80：這裡也包括了兩個步驟，即先執行括弧中的1

該操作將除指定的第7位以外的各個位清0。

⑥PORTA & = ~ (1

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

⑦ PORTA | = (1

等價於PORTA = PORTA | (1

若操作前PORTA的初始值為0x07，則：

PORTA  0000 0111

| 0x80  1000 0000

PORTA  =  1000 0111

該操作將最高位置1，其它各位保持不變。

要注意的是，這條指令與PORTA = (1

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

在實際應用中，經常利用 PORTA | = (1

在實際應用中，經常利用 PORTA & = ~ (1

在啟動nRF905晶片向空中發送資料時，採用以下函數：

void nrf905_TxSend(void)

{

PORTD|=(1

DelayUs(1);//>10us

PORTD &= ~(1

}

其中讓PORTD中控制TRX_CE訊號的那一位先置1，再清0，輸出一高一低的脈衝訊號，就在一個脈衝周期內，完成了一次資料發送。因為在程式的開頭已經定義TRX_CE訊號為PD6位，即TRXCE = 6，因而上面兩行程式等價於：

PORTD|=(1

PORTD &= ~(1

② 測試寄存器指定位的狀態

nRF905在接收資料過程中，要分別發出CD、AM和DR訊號，而MPU也要分別對這些位進行檢測，看它們是否變高，若變高，就執行下一步，否則就跳出分支，返回主程式。下面就是對這些位進行檢測的一段函數：

void nrf905_RxRecv(void)

{

while ((PIND&(1

while ((PIND&(1

while ((PIND&(1

//nrf905已經接收到資料

nrf905_ReadData(0);//讀出nrf905中的資料

}

其中有：

while ((PIND&(1

if ((PIND&(1

括弧中是一個等式，我們將其拆分開介紹它的作用：

1

DR在程式的開始已經被定義為2，(1

PIND& (1

PIND為PORTD連接埠的8位引腳的值，PIND& (1

PIND  xxx x1xx

&  0000 0100

結果  =  0000 0100

結果的第二位的狀態為1，也就是整個運算式 (PIND&(1

若DR為低，則有：

PIND  xxxx x0xx

&  0000 0100

結果 =  0000 0000

也就是整個運算式的結果為0，(PIND&(1