嵌入式知识点总结 C/C++ 专题提升(七)-位操作
针对于嵌入式软件杂乱的知识点总结起来，提供给读者学习复习对下述内容的强化。
目录
1.位操作基础
2.如何求解整型数的二进制表示中1的个数 ?
3.如何求解二进制中0的个数
4.交换两个变量的值，不使用第三个变量。即a=3,b=5,交换之后a=5,b=3:
5.给定一个整型变量a，写两段代码，第一个设置a的bit3，第二个清除a 的bit 3。在以上两个操作中，要保持其它位不变。
1.位操作基础
位操作（Bitwise Operations）是直接对二进制位进行操作的一类运算，广泛应用于嵌入式开发、系统编程、算法设计等领域。以下是常用的位操作及其作用、示例。
按位与 (&)
将两个数的每个位进行与运算。
规则：1 & 1 = 1，其余为 0。
作用：用于清零某些位，提取特定位。
示例：清除一个数的低 4 位
int x = 0b11010101; // 213
int result = x & 0b11110000; // 清除低4位
printf("Result: 0x%x\n", result); // 输出: 0xd0
按位或 (|)
将两个数的每个位进行或运算。
规则：0 | 0 = 0，其余为 1。
作用：用于设置某些位为 1。
示例：设置某数的第 3 位为 1
int x = 0b11000001; // 193
int result = x | 0b00000100; // 设置第3位
printf("Result: 0x%x\n", result); // 输出: 0xc5
按位异或 (^)
将两个数的每个位进行异或运算。
规则：相同为 0，不同为 1。
作用：用于翻转特定位，或无进位加法。
示例：翻转某数的第 3 位
int x = 0b11000001; // 193
int result = x ^ 0b00000100; // 翻转第3位
printf("Result: 0x%x\n", result); // 输出: 0xc5
按位取反 (~)
将每个位取反，0 变 1，1 变 0。
作用：用于生成补码、求反值。
示例：取反某数
int x = 0b00001111; // 15
int result = ~x; // 取反
printf("Result: 0x%x\n", result); // 输出: 0xfffffff0 (补码表示)
左移 (<<)
将二进制位左移，低位补 0。
作用：快速乘以 2 的幂。
示例：将某数左移 2 位
int x = 5; // 0b0101
int result = x << 2; // 左移2位
printf("Result: %d\n", result); // 输出: 20
右移 (>>)
将二进制位右移，高位补符号位（算术右移）或 0（逻辑右移）。
作用：快速除以 2 的幂。
示例：将某数右移 2 位
int x = 20; // 0b00010100
int result = x >> 2; // 右移2位
printf("Result: %d\n", result); // 输出: 5
在嵌入式开发中，位操作非常常见，以下是一些典型应用场景和代码示例：
1. 控制寄存器的位操作
设置某些位
设置寄存器中某些位为 1，比如配置 GPIO 为输出模式。
#define GPIO_DIR_REG (*(volatile unsigned int *)0x40020000) // 假设寄存器地址
#define GPIO_PIN_3 (1 << 3) // 第3位表示GPIO3void set_gpio_output() {GPIO_DIR_REG |= GPIO_PIN_3; // 设置第3位为1
}
清除某些位
清除寄存器中某些位为 0，比如禁用某外设功能。
void disable_feature() {GPIO_DIR_REG &= ~GPIO_PIN_3; // 清除第3位
}
2. 检测某个位的状态
判断某引脚状态
检测某引脚的高低电平。
#define GPIO_INPUT_REG (*(volatile unsigned int *)0x40020010) // 输入寄存器int is_pin_high() {return (GPIO_INPUT_REG & GPIO_PIN_3) ? 1 : 0; // 检查第3位是否为1
}
3. 翻转某个位
翻转 LED 状态
嵌入式中控制 LED 灯时，经常需要翻转某 GPIO 的状态。
#define GPIO_OUTPUT_REG (*(volatile unsigned int *)0x40020004) // 输出寄存器void toggle_led() {GPIO_OUTPUT_REG ^= GPIO_PIN_3; // 翻转第3位
}
4. 提取寄存器的特定位
获取外设状态
从状态寄存器中提取某外设的状态位。
#define STATUS_REG (*(volatile unsigned int *)0x40020020) // 状态寄存器
#define DEVICE_READY_BIT (1 << 7) // 第7位表示设备准备好int is_device_ready() {return (STATUS_REG & DEVICE_READY_BIT) >> 7; // 提取第7位
}
5. 多位配置操作
设置多位
一次性设置多个位，比如配置多个 GPIO 为输出模式。
#define GPIO_OUTPUT_MASK (GPIO_PIN_3 | GPIO_PIN_4 | GPIO_PIN_5)void configure_multiple_gpio() {GPIO_DIR_REG |= GPIO_OUTPUT_MASK; // 设置GPIO3、GPIO4、GPIO5为1
}
清除多位
清除多个位。
void clear_multiple_gpio() {GPIO_DIR_REG &= ~GPIO_OUTPUT_MASK; // 清除GPIO3、GPIO4、GPIO5
}
6. 数据压缩与解压
压缩数据
将多个小数据合并到一个 32 位变量中。
unsigned int pack_data(unsigned char a, unsigned char b, unsigned char c, unsigned char d) {return (a << 24) | (b << 16) | (c << 8) | d;
}
解压数据
从一个变量中提取多个字段。
void unpack_data(unsigned int packed, unsigned char *a, unsigned char *b, unsigned char *c, unsigned char *d) {*a = (packed >> 24) & 0xFF;*b = (packed >> 16) & 0xFF;*c = (packed >> 8) & 0xFF;*d = packed & 0xFF;
}
2.如何求解整型数的二进制表示中1的个数 ?
#include <stdio.h>int func(int x) {int countx = 0; // 计数器初始化while (x) {countx++;x = x & (x - 1); // 清除最低位的1}return countx;
}int main() {printf("%d\n", func(9999)); // 调用函数并打印结果return 0;
}
func 函数：
用于计算输入整数 x 的二进制表示中有多少个 1。
x = x & (x - 1) 的作用是清除 x 中最低位的 1，直到 x 变为 0。
每次清除一个 1 时，countx 增加 1。
main 函数：
调用 func(9999)，计算 9999 的二进制表示中有多少个 1。
使用 printf 输出结果。
输出结果：
9999 的二进制表示为 10011100001111，其中有 8 个 1。
3.如何求解二进制中0的个数还有1的个数
#include <stdio.h>void count_ones_and_zeros(int x) {int count_ones = 0, count_zeros = 0;while (x) {if (x & 1) {count_ones++; // 如果最低位是 1} else {count_zeros++; // 如果最低位是 0}x >>= 1; // 右移一位，检查下一位}// 如果 x 最后的结果为 0，还需要考虑 x 可能有零填充的位// 假设我们处理的整数位数为 32 位int total_bits = sizeof(x) * 8; // 通常为 32 位（对于 32 位整数）count_zeros = total_bits - count_ones - count_zeros;printf("1's: %d, 0's: %d\n", count_ones, count_zeros);
}int main() {int numbers[] = {25, 15, 5};for (int i = 0; i < 3; i++) {printf("For %d: ", numbers[i]);count_ones_and_zeros(numbers[i]);}return 0;
}
4.交换两个变量的值，不使用第三个变量。即a=3,b=5,交换之后a=5,b=3:
#include <stdio.h>int main() {int a = 3, b = 5;printf("Before swap: a = %d, b = %d\n", a, b);a = a + b; // a 变为 8 (3 + 5)b = a - b; // b 变为 3 (8 - 5)a = a - b; // a 变为 5 (8 - 3)printf("After swap: a = %d, b = %d\n", a, b);return 0;
}
a = a + b：a 保存了 a 和 b 的和。
b = a - b：b 通过从 a 的和中减去原来的 b 值，得到原来的 a 值。
a = a - b：a 通过从和中减去新的 b 值，得到原来的 b 值。
#include <stdio.h>int main() {int a = 3, b = 5;// a 0011 b 0101printf("Before swap: a = %d, b = %d\n", a, b);a = a ^ b; // a 变为 6 (3 ^ 5) 0011 0101 - 0110b = a ^ b; // b 变为 3 (6 ^ 5) 0110 0101 - 0011a = a ^ b; // a 变为 5 (6 ^ 3) 0110 0011 - 0101printf("After swap: a = %d, b = %d\n", a, b);return 0;
}
a = a ^ b：a 变成了 a 和 b 的异或值。
b = a ^ b：b 通过异或 a（当前是 a ^ b）得到原来的 a 值。
a = a ^ b：a 通过异或 b（当前是原来的 a 值）得到原来的 b 值。
5.给定一个整型变量a，写两段代码，第一个设置a的bit3，第二个清除a 的bit 3。在以上两个操作中，要保持其它位不变。
#include <stdio.h>
#define BIT3 (1<<3)
static int a=5;
void Set_Bit3(void){a |= BIT3;
}
void Clear_Bit3(void){a &= ~BIT3;
}
int main() {Set_Bit3();Clear_Bit3();printf("%d",a);return 0;
}
假设 a 的初始值为 5，其二进制为 00000101：
初始值打印：5
设置第3位后：
BIT3 = 1 << 3 = 00001000
a | BIT3 = 00000101 | 00001000 = 00001101，结果为 13
打印：13
清除第3位后：
~BIT3 = ~00001000 = 11110111
a & ~BIT3 = 00001101 & 11110111 = 00000101，结果为 5
打印：5