C语言——位运算

位运算

针对数据的二进制位进行的相关操作，位运算在嵌入式开发领域有着非常重要的应用。

位运算常用的运算符

注意：参与位运算的运算量只能是整型或者字符型，不能是实型。

位运算符的运算规则

&：按位与

**运算规则：**对于左右操作数，只有相应二进制位数据都为1时，结果数据对应位数据为1。简单来说：

你为1，我为1，结果就是1，否则0来凑

作用:

1.获取某二进制位数据

2.将指定二进制位数据清零

3.保留指定位

|：按位或

**运算规则:**对于左右操作数，只要相应二进制位数据有一个为1，结果数据对应为数据为1。简单来说:

你为1，或者我为1，结果就是1

作用:

1.置位某二进制位数据

^:按位异或

**运算规则:**对于左右操作数，只要相应二进制位数据相同，结果数据对应位数据为0，不同为1。简单来说:

你我相同，结果为8;你我不同，结果为1

作用:

1.翻转

2.值交换

~：按位取反

**运算规则:**原操作数据将相应二进制位数据:

0变1,1变0

按位左移（<<）

**运算规则:**原操作数所有的二进制位数向左移动指定位:移出的数据舍弃，右边用0补全

注意:

1.如果移出的高位都是0，我们可以这样理解:

a<<n，可以看做:a * 2^n2. 如果移出的高位包含1，我们是不能使用以上计算方式的。

按位右移（>>）。

**运算规则:**原操作数所有的二进制位数据向右移动指定位，移出的数据舍弃:

如果操作数是无符号数，左边用0补全;

如果操作数是有符号数，左边用什么去补全，取决于计算机系统:

逻辑右移:用0补全

算数右移:用1补全

大部分情况下，系统采用算数右移。

位运算赋值符

运算符：&=, |=, >>=,<<=,^=

举例：

a &= b 相当于 a = a & b2

a <<= 2相当于 a = a << 2

不同长度数据进行位运算

如果两个数据长度不同(例如long型和short型)，进行位运算时(如a & b,而a为long型,b为short型),系统会将二者按右端对齐。

如果b为正数,则左侧16位补满0；

如果b为负数,左端应补满1；

如果b为无符号整数型,则左侧添满0。

位运算符的应用场景

注意：以下所有场景的n都是从右侧开始计数，从0开始

将某个数据从右侧（低位）指定的二进制位（n1,n2,n3...）清零

公式：

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a &= ~(1(n1-1) | 1(n2-1) | 1(n3-1),...);

案例：

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char a = 1011 0110;// 将它的1,3,5位清零；结果为：a = 1010 0010
// 可以通过公式运算得到
a &= ~(1(1-1) | 1(3-1) | 1(5-1)); // 此刻 a的值就是1010 0010

获取某个数据指定的二进制位（n）上的数据是0还是1

公式：

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(a & (1 n)) >> n

将某个数据从右侧指定的二进制位（n1,n2,n3）设置为1

公式：

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a |= (1 n1 | 1 n2 | 1 n3,...);

举例：

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a = 1010 1010; // 2,4,6设置为1，1111 1110
a |= (1 << 2 | 1 << 4 | 1 << 6);

将某个数据指定的二进制位（n）翻转

公式：

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a ^= (1 n)

举例：

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a = 1010 1010; // 将第2位进行翻转，1010 11102a ^= (1 2);

位段/位域

概念

在结构体中，以位（bit）为单位的成员，称为位段或位域

位段本质是结构体的成员，可以通过数字指明它所占内存空间的大小(以bit为单位)

说明

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// eg: STM32中电源控制寄存器(PWR_CR)
struct PWR
{
 unisgned int ldps : 1;
 unsigned int pdds : 1;
 unsigned int cwuf : 1;
 unsigned int csbf : 1;
 unsigned int pvde : 1;
 unsigned int pls : 3;
 unsigned int pvde : 1;
 unsigned short d ;
};
struct Stu stu = {1,0,1,1,1,7,1};
// 应用:
// 方便给寄存器中的某些数据位设置数据

注意

位段不能取地址

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struct S
{
    char a : 2;
    unsigned char b : 4;
};
struct S s;
printf("%p\n", &s);   //s是结构体变量，可以取地址
printf("%p\n", &(s.a)); //s.a是结构体成员位段a，不能对它取地址

给位段成员赋值时，不能超出成员所占内存

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struct S
{
    char a : 2;
    unsigned char b : 4;
    unsigned char c : 5;
};
struct S s = {1, 3};
s.a = 1; //a占两个bit位，并且是有符号数，它能被赋值为-2， -1， 0， 1，2, 3； 除此之外的都会报错
s.b = 10; //b占4个bit位，并且是无符号数，它的取值范围为：[0,15]; 如果取值是[-8,15]编译正常，只是-8
在输出是值为15
s.c = 20; //c占5个bit位，并且是无符号数，它的取值范围为：[0,31]；如果取值是[-16,31]编译正常，只
是-16在输出是值为31

位段成员定义时不能是浮点数；只能是整型和字符型或者他们的无符号形式

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struct A
{
    int a:2;
    unsigned char b:4;
    float c:4;  //错误，位段成员不能定义成float或者double6};

一个位段必须存放在一个内存单元中，不能跨两个单元

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struct A
{
    char a:7;   //a在一个内存单元中，剩余一个bit位
    char b:7;   //b得从下一个内存单元开始，因为上一个内存单元剩余一个bit，放不下7个bit
    char c:3;   //c得从下一个内存单元开始，因为上一个内存单元剩余一个bit, 放不下3个bit
    char d:3;   //d和c可以在同一个内存单元中，因为c只占了3个还剩余5个bit,能够放下d的3个bit不用跨内存单元
};

位段的长度不能大于存储单元的长度

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struct A
{
    char a:1;
    char b:8; //一个char占一个字节，最大分配8个bit位
    char c:9; //一个char占一个字节，最大分配8个bit位，如果分配9个就是错误的，无法通过编译   
};

如果一个位段要从另一个存储单元开始，可以在它前面定义一个匿名成员占0个字节

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struct A
{
    char a:1;
    char b:2;   //a,b总共占3个字节，在一个内存单元中就可以存放，所以不用跨内存单元
    char :0;    //匿名成员，占0个字节
    char c:2;   //c不和a,b在一个字节(内存单元)中，而是在另外一个字节(内存单元)中
};

说明：

如果成员c上面没有匿名成员，c就和a,b在同一个字节(同一个内存单元中)