【C语言】宏定义实现位运算

一、常用位操作符

1.1 位与&

真值表

&	1	0
1	1	0
0	0	0

特点

有0为0，全1为1

1.2 位或|

真值表

|	1	0
1	1	1
0	1	0

特点

有1为1，全0为0

1.3 位异或^

真值表

^	1	0
1	0	1
0	1	0

特点

相同为0，相异为1

1.4 位取反~

位取反是将操作数的二进制为逐个按位取反，注意与逻辑取反区分

1.5 左位移<<与右位移>>

C语言的位移运算要取决于其数据类型

无符号数

• 左移时右侧补零，为逻辑位移
• 右移时左侧补零，为逻辑位移

有符号数

• 左移时右侧补零，为算术位移（相当于逻辑位移）
• 右移时左侧补符号位（正数补0负数补1），为算术位移

二、位运算构建特定二进制数

2.1 理论基础

2.1.1 位与、位或、位异或的运算特点

• 任何位与1位与无变化，与0位与变成0
• 任何位与1位或变成1，与0位或无变化
• 任何位与1位异或取反，与0位异或无变化

所以有：

• 特定位复位0：与0相&
• 特定位置位1：与1相|
• 特定位取反 ：与1相^

2.1.2 位移结合位取反构建特定二进制数

构建特定位为1的二进制数

(1)bit3~bit7为1，其他位为0的二进制数

    size_t ua = 0X1F << 3;

1. 0X1F说明这部分有5位，分别为bit0~bit4
2. 左移3说明这5位变成了bit3 ~ bit7

(2)bit3~bit7为1，bit23~bit25为1，其余位为0

    size_t ua = 0X1F << 3 | 0X07 << 23;

构建特定位为0的二进制数

先构建特定位为1的二进制数，再进行位取反即可

如bit3~bit7为0，bit23~bit25为0，其余位为1：

    size_t ua = ~ (0X1F << 3 | 0X07 << 23);

2.2 经典操作

先看明白2.1中的理论基础再看这个！！！

2.2.1 置位特定位

(1)给定一个无符整型数ua，置位ua的bit3，保证其他位不变

    ua |= (0X01 << 3);

(2)给定一个无符整型数ua，置位ua的bit3~bit7，保证其他位不变

    ua |= (0X1F << 3);

2.2.2 复位特定位

(1)给定一个无符整型数ua，复位ua的bit15，保证其他位不变

    ua &= ~(0X01 << 15);

(2)给定一个无符整型数ua，复位ua的bit15~bit23，保证其他位不变

    ua |= (0X1FF << 15);

2.2.3 取出特定位

给定一个无符整型数ua，置位取出ua的bit3~bit7，存放在ub中

1. 先让特定位保持不变，其他位全部复位
2. 再右移3位得到结果

    size_t ub = ua;
    ub &= (0X1F << 3);
    ub >>= 3;

2.2.4 给特定位进行赋值/加减运算

(1)给寄存器的bit7~bit20赋值845，其余位不受影响

1. 先将特定位全部清零
2. 再进行赋值

    ua &= ~(0X3FFF << 7);
    ua |= (845 << 7);

(2)给寄存器的bit7~bit20赋值845，同时给bit23~bit28赋值548，其余位不受影响

    ua &= ~ ((0X3FFF << 7) | (0X3F << 23));
    ua |= ((845 << 7) | (548 << 23));

(3)将寄存器bit7~bit20中的值加上20,其余位不受影响

1. 先读出特定位的值
2. 给读出的值加上特定数
3. 将特定位清零
4. 对特定位进行赋值

    size_t ub = ua;
    ub &= (0X3FFF << 7);
    ub >>= 7;
    ub += 20;
    ua &= ~ (0X3FFF << 7);
    ua |= (ub << 7);

三、宏定义完成位操作

3.1 单独某一位置位

将ua的第bit_number + 1位置位(第1位对应bit0，下同)

#define SET_BIT_NUMBER(UA, BIT_NUMBER)  (\
UA | ((typeof (UA))1U << BIT_NUMBER))

3.2 单独某一位复位

将ua的第bit_number + 1位复位

#define RESET_BIT_NUMBER(UA, BIT_NUMBER)(\
UA & ~ ((typeof (UA))1U << BIT_NUMBER))

3.3 连续位置位

要求

将ua的bit_m + 1位到bit_n + 1位置位

思路分析

首先需要N = bit_n - bit_m + 1个1

1. 得到一个全1的数：~ (0U)
2. 左移N位得到N个0：~ (0U) << N
3. 再进行取反即得到N个1：~ (~ (0U) << N)

再左移bit_m位再与原数位或运算即可

参考代码段

#define SET_BITS_M_N(UA, BIT_M, BIT_N)  (\
UA | (~ (~ ((typeof (UA))0U) << (\
BIT_N - BIT_M + 1)) << BIT_M))

3.4 连续位复位

要求

将ua的bit_m + 1位到bit_n + 1位复位

思路分析

这个和置位差不多，只是最后一步运算不同而已

代码段

#define RESET_BITS_M_N(UA, BIT_M, BIT_N)(\
UA & ~ (~ (~ ((typeof (UA))0U) << (\
BIT_N - BIT_M + 1)) << BIT_M))

3.5 截取部分连续位

要求

将ua的bit_m + 1位到bit_n + 1位取出

思路分析

先将其他位复位，再右移即可

1. 和3.3一样先得到N个1：
   ~ (~ (0U) << N)
2. 左移bit_m位并与ua相与
   UA & ~ (~ (0U) << N) << BIT_M
3. 再右移即可

参考代码段

#define GETBITS_N_M(UA, BIT_M, BIT_N)   (\
(UA & ~ (~ ((typeof (UA))0U) << (\
BIT_N - BIT_M + 1)) << BIT_M) >> BIT_M)

3.5 测试代码

#include 

#define SET_BIT_NUMBER(UA, BIT_NUMBER)  (\
UA | ((typeof (UA))1U << BIT_NUMBER))

#define RESET_BIT_NUMBER(UA, BIT_NUMBER)(\
UA & ~ ((typeof (UA))1U << BIT_NUMBER))

#define SET_BITS_M_N(UA, BIT_M, BIT_N)  (\
UA | (~ (~ ((typeof (UA))0U) << (\
BIT_N - BIT_M + 1)) << BIT_M))

#define RESET_BITS_M_N(UA, BIT_M, BIT_N)(\
UA & ~ (~ (~ ((typeof (UA))0U) << (\
BIT_N - BIT_M + 1)) << BIT_M))

#define GETBITS_N_M(UA, BIT_M, BIT_N)   (\
(UA & ~ (~ ((typeof (UA))0U) << (\
BIT_N - BIT_M + 1)) << BIT_M) >> BIT_M)

int main(void)
{
    size_t UA = 0XF000F000;

    printf("0X%lX\n", SET_BIT_NUMBER(UA, 3) | SET_BIT_NUMBER(UA, 4));
    printf("0X%lX\n", RESET_BIT_NUMBER(UA, 3) | RESET_BIT_NUMBER(UA, 4));
    printf("0X%lX\n", SET_BITS_M_N(UA, 0, 3) | SET_BITS_M_N(UA, 4, 7));
    printf("0X%lX\n", RESET_BITS_M_N(UA, 12, 15) | RESET_BITS_M_N(UA, 28, 33));
    printf("0X%lX\n", GETBITS_N_M(UA, 0, 15));

    return 0;
}

测试结果及分析

对bit3和 bit4进行置位如图所示：

对bit0~3 和 bit4~7进行置位如图所示：

我们可以看到程序的运行结果和上述分析结果是一致的