位运算符：C语言中的6种常用操作方法

时间：2023-10-19 理论教育 版权反馈

【摘要】：C语言提供了位运算的功能，它是以二进制位为单位进行运算的。标准C语言提供了6种位运算符。例如，两个字符型数30&9的运算过程如下。读者会发现PORTD只有VT3亮了，说明PORTD的值是0b00001000，这是因为Data1的二进制形式为00011110，Data2的二进制形式为00001001，两者按位运算的结果为00001000。

位运算符：C语言中的6种常用操作方法

在单片机系统中，对于开关量的控制和信号量的读取而言，最佳的操作就是位操作。C语言提供了位运算的功能，它是以二进制位为单位进行运算的。位运算符只有逻辑运算和移位运算两类，这使得C语言也能像汇编语言一样用来编写高效的位操作程序。标准C语言提供了6种位运算符（见表4-6）。

表4-6 C语言位运算符表

1.按位与运算

按位与运算符“&”是双目运算符。其功能是参与运算的两数从右到左各对应的二进位进行与操作。只有对应的两个二进位均为1时，结果位才为1，否则为0。参与运算的数以其内存存储形式（即补码形式）为准。例如，两个字符型数30&9的运算过程如下。

00011110 （30的二进制形式，由于是字符型，所以用8位二进制表示）

& 00001001 （9的二进制形式，由于是字符型，所以用8位二进制表示）

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00001000 （8的二进制形式，字符型数据按位与的结果还是字符型）

下面通过实例的运行效果来理解按位与运算符的使用方法。

【例4-7】编程实现把字符型变量Data1和Data2初始化为0x1E和9，然后对Data1和Data2进行按位与运算并把结果赋值给Data1，然后把Data1送D口输出。所用硬件电路图为图4-1。

设计过程

1）修改S041项目中的main.c的内容，改为如下所示。

2）将以上代码编译后用Proteus VSM运行一次，查看PORTD的值。读者会发现PORTD只有VT3亮了，说明PORTD的值是0b00001000，这是因为Data1的二进制形式为00011110，Data2的二进制形式为00001001，两者按位运算的结果为00001000。

按位与运算在实际应用中通常用来对变量的某一位清零（bitClear）或者用来屏蔽某些无关位。

●清零的例子：要把某特殊寄存器Data的最低位置为1但还不想影响Data其他位的值。读者可以使用“Data=Data&0b11111110；”来实现。这样按位与之后，Data的其他7位都不会变化，只有最低位被变成0，达到了把最低位清零并且不影响其他位的目的。

●屏蔽无关位的例子：要读取D口低4位的值作乘3运算并把结果送到字符变量Data中，为了防止读取数据时D口高4位的干扰，读者可以用“Data=3*（PORTD&0x0F）；”来获得正确结果，这样无论PORTD此时高4位为何值都不会干扰运算结果。这里0x0F术语被称为掩码。

2.按位或运算

按位或运算符“|”是双目运算符。其功能是参与运算的两数从右到左各对应的二进位进行或操作。只有对应的两个二进位有一个为1时，结果位才为1，否则为0。参与运算的数以其内存存储形式（即补码形式）为准。例如，两个字符型数30&-3的运算过程如下。

00011110 （30的二进制形式，由于是字符型，所以用8位二进制表示）

|11111101 （-3的二进制形式，由于-3是负数，所以内存存储的是其补码）

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11111111 （255的二进制形式）

下面通过实例的运行效果来学习按位或运算符的使用方法。

【例4-8】编程实现把字符型变量Data1和Data2初始化为30和-3，然后对Data1和Data2进行按位或运算并把结果赋值给Data1，然后把Data1送D口输出。所用硬件电路图为图4-1。

设计过程

1）修改S041项目中的main.c的内容，改为如下所示。

2）将以上代码编译后用Proteus VSM运行一次，查看PORTD的值。读者会发现PORTD控制的LED全亮了，这说明PORTD的值是0b11111111，原理请读者自行分析。

这里有一点需要说明的是，对于负数而言，在进行位运算前要先通过计算得到其内存存储结果（相应的补码）后方能进行位运算。不能直接运算，否则得到的结果是错误的。

3.按位取反运算

取反运算符“～”是单目运算符，具有右结合性。其功能是对参与运算的数的各对应的二进位进行取反操作。例如，～9（设9是字符型数据）的运算如下。

此运算符的实验例子请读者自行设计并验证。

4.按位异或运算

按位异或运算符“^”是双目运算符。其功能是参与运算的两数从右到左各对应的二进位进行异或或操作。当两个对应的二进位不同时，结果为1，否则为0。参与运算的数以其内存存储形式（即补码形式）为准。例如，两个字符型数30&-3的运算过程如下。

00011110 （30的二进制形式，由于是字符型，所以用8位二进制表示）

^ 11111101 （-3的二进制形式，由于-3是负数，所以内存存储的是其补码）

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11100011 （227的二进制形式）

【例4-9】编程实现把字符型变量Data1和Data2初始化为30和-3，然后对Data1和Data2进行按位异或运算并把结果赋值给Data1，然后把Data1送D口输出。所用硬件电路图为图4-1。

设计过程

1）修改S041项目中的main.c的内容，改为如下所示。

2）将以上代码编译后用Proteus VSM运行一次，查看PORTD的值。读者会发现PORTD控制的VT2、VT3、VT4灭，其他的亮了，这说明PORTD的值是0b11100011，原理请读者自行分析。

5.左移运算

左移运算符“＜＜”是双目运算符。其一般形式为a＜＜b，其功能为把a对应的二进位全部左移b位，在左移过程中，a的最高位左移后就丢弃了，低位自动补0。例如：

表示把Data对应的二进位0b00000011（十进制数3）向左移动1位，左移1位后为00000110（十进制数6）。细心的读者会发现左移一位相当于算数运算中的×2运算。同理左移两位相当于算数运算中的×4运算。但是注意这种等价关系在左移时只有要左移的最高位不是1时才有效。例如，当Data=0b10000001（对应无符号十进制数是129）时，左移1位后结果是0b00000010（对应无符号十进制数是2，左侧最高位的1在左移时超出了字符型的存储范围被CPU自动丢弃了），此时就不是×2运算了。

此运算符的实验例子请读者自行设计并验证。

6.右移运算

右移运算符“＞＞”是双目运算符。其一般形式为a＞＞b，其功能为把a对应的二进位全部右移b位，在右移过程中，a的最低位右移后就丢弃了，最高位自动补0（正数）或1（负数）。例如：

表示把0b000001000（十进制数8）右移为0b00000100（十进制数4）。读者会发现当右移过程移出的位没有1时，右移1位相当于算数运算的除以2，右移两位相当于除以4。

应该说明的是，对于有符号数，在右移时，符号位将随同移动。当正数右移时，最高位补0，而负数右移时，符号位为1，最高位是补0或是补1取决于所用编译系统的规定。PICC中规定为补1。

此运算符的实验例子请读者自行设计并验证。

7.位运算的使用例子：压缩BCD码解码

压缩BCD码是在某些通信系统中使用的一种数据存储格式。BCD码英文全称为Binary-CodedDecimal‎，是一种用二进制编码的十进制代码。这种编码形式利用了4个二进制位来储存一个十进制的数码，使二进制和十进制之间的转换得以快捷地进行。非压缩BCD码用一个字节表示一位十进制数，高4位总是0000，低4位的0000～1001表示0～9。例如，0b00001000表示十进制数8。压缩BCD码中分别用一个字节的高低4位各表示一个十进制数。这样一个字节就能表示两位十进制数。例如，0b10010110表示十进制数96。

【例4-10】在某通信系统中，通信用的数字是以一个字节的压缩BCD码存储的，用EnCode表示。请编程将其解码为一个十进制普通数字。例如，传来的数据是0x89（十六进制），则其对应的十进制数应该是89，对应十六进制数应该是0x59。所用硬件电路图为图4-1。

设计过程

1）修改S041项目中的main.c的内容，改为如下所示。