单片机 - 位运算详解（`&`、`|`、`~`、`^`、`＞＞`、`＜＜`）

单片机中的位运算详解（&、|、~、^、>>、<<）

位运算是单片机编程（C/C++）中经常使用的技巧，用于高效地操作寄存器、I/O 端口和数据。以下是各位运算符的详细解析，并结合单片机实际应用举例。

1. 按位与（&）：用于位清零、检测某个位是否为 1

特点：

• 两个二进制位都为 1，结果才为 1，否则为 0。

单片机应用场景：

• 用于屏蔽特定位（清零特定位）。
• 检测某个位是否为 1。

示例：

假设 P1 代表某个 I/O 端口，我们想要清除 P1 端口的第 3 位（保留其他位不变）。

P1 = P1 & 0b11110111; // 清除 P1 端口的第 3 位（从 0 开始编号）

示例：检测某个位是否为 1

if (P1 & (1 << 3)) {  
    // 第 3 位为 1，执行某些操作
}

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2. 按位或（|）：用于位设为 1

特点：

• 只要有一个二进制位为 1，结果就是 1。

单片机应用场景：

• 用于设置某个位为 1（打开某个功能）。

示例：

假设 P2 端口连接了 LED，我们要点亮 LED（假设 LED 连接在 P2 的第 2 位）。

P2 = P2 | 0b00000100; // 设置 P2 端口的第 2 位为 1

或使用移位操作

P2 |= (1 << 2);

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3. 按位取反（~）：对所有位取反

特点：

• 0 变 1，1 变 0。

单片机应用场景：

• 用于翻转数据，例如按键检测、反向输出。

示例：

如果 P3 端口是某个设备的控制信号，我们想要翻转它：

P3 = ~P3; // 让所有位取反

示例：只翻转 P3 端口的第 5 位

P3 ^= (1 << 5);

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4. 按位异或（^）：用于翻转某个位

特点：

• 1 ^ 1 = 0
• 0 ^ 1 = 1
• 1 ^ 0 = 1
• 0 ^ 0 = 0

单片机应用场景：

• 用于翻转（取反）某一位。

示例：

如果 P4 端口的第 1 位用于指示 LED，我们想要让它每次调用时反转：

P4 ^= (1 << 1); // 让 P4 端口的第 1 位取反

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5. 取反再异或（~^）：等价于按位 XNOR（同或）

特点：

• ~(a ^ b)，即两个相同位为 1，不同位为 0。

单片机应用场景：

• 用于比较两位是否相等。

示例：

判断 A 和 B 是否相等（所有位均相同）。

if (~(A ^ B) == 0xFF) {  
    // A 和 B 完全相同
}

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6. 左移运算（<<）：用于乘 2 的幂次方

特点：

• a << n 相当于 a × (2^n)。

单片机应用场景：

• 快速计算 2 的倍数。
• 控制某个位的移位。

示例：

假设 P5 连接了一个 8 段 LED，我们希望轮流点亮 LED：

for (int i = 0; i < 8; i++) {
    P5 = 1 << i; // 依次点亮 LED
}

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7. 右移运算（>>）：用于除 2 的幂次方

特点：

• a >> n 相当于 a / (2^n)。

单片机应用场景：

• 用于快速除法。
• 数据解码时提取某几位。

示例：

假设 sensorData 是一个 16 位的传感器数据，我们想提取高 8 位：

uint8_t highByte = sensorData >> 8;

举例应用：按键消抖

单片机中按键输入可能会因机械抖动导致错误读取，我们可以结合位运算实现按键消抖：

#define KEY_PIN P3_0  // 假设按键连接 P3.0 端口

void delay() {
    for (volatile int i = 0; i < 5000; i++);  // 简单延时
}

uint8_t readKey() {
    if ((P3 & (1 << 0)) == 0) {  // 检测按键是否按下
        delay();
        if ((P3 & (1 << 0)) == 0) {  // 再次检测，确认消抖
            return 1;  // 按键按下
        }
    }
    return 0;  // 按键未按下
}

总结

运算符	作用	单片机应用
& (按位与)	清零某个位，检测某个位	读取 I/O 端口状态
按位或	设置某个位为 1	控制 LED、使能外设
~ (按位取反)	取反所有位	翻转 I/O 信号
^ (按位异或)	仅翻转某个位	翻转 LED 状态
~^ (XNOR)	比较两数据是否相同	数据校验
<< (左移)	乘 2 的幂	快速计算、移位
>> (右移)	除 2 的幂	提取高位数据

(完)