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2011-12-21 20:19:47
原文地址:单片机的C语言中位操作用法 作者:hbhuanggang
一、前言
在对单处机进行编程的过程中,对位的操作是经常遇到的。C51对位的操控能力是非常强大的。从这一点上,就可以看出C不光具有高级语言的灵活性,又有低级语言贴近硬件的特点。这也是在各个领域中都可以看到C的重要原因。在这一节中将详细讲解C51中的位操作及其应用。
二、位运算符
C提供了几种位操作符,如下表所示:
运算符 |
含义 |
运算符 |
含义 |
& |
按位与 |
~ |
取反 |
| |
按位或 |
<< |
左移 |
^ |
按位异或 |
>> |
右移 |
三、位操作运算
1. “按位与”运算符(&)
参加运算的两个数据,按二进位进行“与”运算。原则是全1为1,有0为0,即:0&0=0; 0&1=0; 1&0=0; 1&1=1; 如下例:
a=5&3; //a=(0b 0101) & (0b 0011) =0b 0001 =1
那么如果参加运算的两个数为负数,又该如何算呢?会以其补码形式表示的二进制数来进行与运算。
a=-5&-3; //a=(0b 1011) & (0b1101) =0b 1001 =-7
在实际的应用中与操作经常被用于实现特定的功能:
1)清零
“按位与”通常被用来使变量中的某一位清零。如下例:
a=0xfe; //a=0b 11111110
a=a&0x55; //使变量a的第1位、第3位、第5位、第7位清零 a= 0b 01010100
2)检测位
要知道一个变量中某一位是‘1’还是‘0’,可以使用与操作来实现。
a=0xf5; //a=0b 11110101
result=a&0x08; //检测a的第三位,result=0
3)保留变量的某一位
要屏蔽某一个变量的其它位,而保留某些位,也可以使用与操作来实现。
a=0x55; //a=0b 01010101
a=a&0x0f; //将高四位清零,而保留低四位 a=0x05
2. “按位或”运算符(|)
参与或操作的两个位,只要有一个为‘1’,则结果为‘1’。即有‘1’为‘1’,全‘0’为‘0’。0|0=0; 0|1=1; 1|0=1; 1|1=1;例如:
a=0x30|0x0f; //a=(0b00110000)|(0b00001111)=(0b00111111)=0x3f
“按位或”运算最普遍的应用就是对一个变量的某些位置‘1’。如下例:
a=0x00; //a=0b 00000000
a=a|0x7f; //将a的低7位置为1,a=0x7f
3. “异或”运算符(^)
异或运算符^又被称为XOR运算符。当参与运算的两个位相同(‘1’与‘1’或‘0’与‘0’)时结果为‘0’。不同时为‘1’。即相同为0,不同为1。 0^0=0; 0^1=1; 1^0=1;1^1=0;例如:
a=0x55^0x3f; //a=(0b01010101)^(0b00111111)=(0b01101010)=0x6a
异或运算主要有以下几种应用:
1)翻转某一位:当一个位与‘1’作异或运算时结果就为此位翻转后的值。如下例:
a=0x35; //a=0b00110101
a=a^0x0f; //a=0b00111010 a的低四位翻转
关于异或的这一作用,有一个典型的应用,即取浮点的相反数,具体的实现如下:
f=1.23; //f为浮点型变量 值为1.23
f=f*-1; //f乘以-1,实现取其相反数,要进行一次乘运算
f=1.23;
((unsigned char *)&f)[0]^=0x80; //将浮点数f的符号位进行翻转实现取相反数
2)保留原值:当一个位与‘0’作异或运算时,结果就为此位的值。如下例:
a=0xff; //a=0b11111111
a=a^0x0f; //a=0b11110000 与0x0f作异或,高四位不变,低四位翻转
3)交换两个变量的值,而不用临时变量,要交换两个变量的值,传统的方法都需要一个临时变量。实现如下:
void swap(unsigned char *pa,unsigned char *pb)
{
unsigned char temp=*pa;//定义临时变量,将pa指向的变量值赋给它
*pa=*pb;
*pb=temp; //变量值对调
}
而使用异或的方法来实现,就可以不用临时变量,如下:
void swap_xor(unsigned char *pa,unsigned char *pb)
{
*pa=*pa^*pb;
*pb=*pa^*pb;
*pa=*pa^*pb; //采用异或实现变量对调
}
从上例中可以看到异或运算在开发中是非常实用和神奇的。
4. “取反”运算符(~)
与其它运算符不同,“取反”运算符为单目运算符,即它的操作数只有一个。它的功能就是对操作数按位取反。也就是是‘1’得‘0’,是‘0’得‘1’。~1=0; ~0=1;如下例:
a=0xff; //a=0b11111111
a=~a; //a=0b00000000
1)对小于0的有符号整型变量取相反数
d=-1; //d为有符号整型变量,赋值为-1,内存表示为0b 11111111 11111111
d=~d+1; //取d的相反数,d=1,内存表示0b 00000000 00000001
此例运用了负整型数在内存以补码方式来存储的这一原理来实现的。负数的补码方式是这样的:负数的绝对值的内存表示取反加1,就为此负数的内存表示。如-23如果为八位有符号整型数,则其绝对值23的内存表示为0b00010111,对其取反则为0b11101000,再加1为0b11101001,即为0XE9,与Keil仿真结果是相吻合的。
2)增强可移植性
关于“增强可移植性”用以下实例来讲解:假如在一种单片机中unsigned char类型是八个位(1个字节),那么一个此类型的变量a=0x67,对其最低位清零。则可以用以下方法:
a=0x67; //a=0b 0110 0111
a=a&0xfe; //a=0b 0110 0110
上面的程序似乎没有什么问题,使用0xfe这一因子就可以实现一个unsigned char型的变量最低位清零。但如果在另一种单片机中的unsigned char类型被定义为16个位(两个字节),那么这种方法就会出错,如下:
b=0x6767; //假设b为另一种单片机中的unsigned char 类型变量,值为0b 0110 0111 0110 0111
b=b&0xfe; //如果此时因子仍为0xfe的话,则结果就为0b 0000 0000 0110 0110 即0x0066,而与0x6766不相吻合
上例中的问题就是因为不同环境中的数据类型差异所造成的,即程序的可移植性不好。对于这种情况可以采用如下方法来解决:
a=0x67; //a=0b 0110 0111
a=a&~1; //在不同的环境中~1将自动匹配运算因子,实现最后一位清零 a=0x66 其中~1为 0b 11111110
b=0x6767; //a=0b 0110 0111 0110 0111
b=a&~1; //~1=0b 1111 1111 1111 1110,b=0b 0110 0111 0110 0110 ,即0x6766
5. 左移运算符(<<)
左移运算符用来将一个数的各位全部向左移若干位。如:
a=a<<2
表示将a的各位左移2位,右边补0。如果a=34(0x22或0b00100010),左移2位得0b10001000,即十进制的136。高位在左移后溢出,不起作用。
从上例可以看到,a被左移2位后,由34变为了136,是原来的4倍。而如果左移1位,就为0b01000100,即十进制的68,是原来的2倍,很显然,左移N位,就等于乘以了2N。但一结论只适用于左移时被溢出的高位中不包含‘1’的情况。比如:
a=64; //a=0b 0100 0000
a=a<<2; //a=0b 0000 0000
其实可以这样来想,a为unsigned char型变量,值为64,左移2位后等于乘以了4,即64X4=256,而此种类型的变量在表达256时,就成为了0x00,产生了一个进位,即溢出了一个‘1’。
在作乘以2N这种操作时,如果使用左移,将比用乘法快得多。因此在程序中适应的使用左移,可以提高程序的运行效率。
6. 右移运算符
右移与左移相类似,只是位移的方向不同。如:
a=a>>1
表示将a的各位向右移动1位。与左移相对应的,左移一位就相当于除以2,右移N位,就相当于除以2N。在右移的过程中,要注意的一个地方就是符号位问题。对于无符号数右移时左边高位移和‘0’。对于有符号数来说,如果原来符号位为‘0’,则左边高位为移入‘0’,而如果符号位为‘1’,则左边移入‘0’还是‘1’就要看实际的编译器了,移入‘0’的称为“逻辑右移”,移入‘1’的称为“算术右移”。Keil中采用“算术右移”的方式来进行编译。如下:
d=-32; //d为有符号整型变量,值为-32,内存表示为0b 11100000
d=d>>1;//右移一位 d为 0b 11110000 即-16,Keil采用"算术逻辑"进行编译
7. 位运算赋值运算符
在对一个变量进行了位操作中,要将其结果再赋给该变量,就可以使用位运算赋值运算符。位运算赋值运算符如下:&=, |=,^=,~=,<<=, >>= 例如:
a&=b相当于a=a&b,a>>=2相当于a>>=2。
8. 不同长度的数据进行位运算
如果参与运算的两个数据的长度不同时,如a为char型,b为int型,则编译器会将二者按右端补齐。如果a为正数,则会在左边补满‘0’。若a为负数,左边补满‘1’。如果a为无符号整型,则左边会添满‘0’。
a=0x00; //a=0b 00000000
d=0xffff; //d=0b 11111111 11111111
d&=a; //a为无符号型,左边添0,补齐为0b 00000000 00000000,d=0b 00000000 00000000