Arduino位操作.docx

因为C语言的设计目的是取代汇编语言，所以它必须支持汇编语言所具有的运算能力，所以C语言支持全部的位操作符
(Bitwise Operators)。位操作是对字节或字中的位(bit)进行测试、置位或移位处理，在对微处理器的编程中，特别适
合对寄存器、I/O端口进行操作。因而本节将对此作比较详细地介绍。
6种位操作符的形式与含义如下：
& ：按位“与”(AND)；
| ：按位“或”(OR)；
^ ：按位“异或”(XOR)；
~ ：“取反” (NOT)；
>> ：数据右移；
<< ：数据左移；
1) 按位“与”运算
通常我们可把按位“与”操作 & 作为关闭某位(即将该位置0)的手段。
例如我们想要关闭a数中的第3位，而又不影响其它位的现状，可以用一个数0xF7，即二进制数1111 0111去与a数作按位“与”运算：
    0x88 1000 1000 a数& 0xF7 1111 0111 屏蔽数   =  1000 0000
若需要某个数的第n位关闭，只需要将该数与另一个数按位相与，另一个数除了相应的第n位为0外，其它各位都为1，以起到对其它各位的屏蔽作用。
上面的运算可以用a = a &(0xF7) 来表示，也可以用a & =(0xF7) 来表达。这两个表达式功能是相同的(见上节“复合赋值运算符”部分)，但在源程序代码中常常见到的以第二种形式为多。
2) 按位“或”运算
通常我们可把按位“与”操作 & 作为置位(即将该位置1)的手段。
例如我们想要将a数中的第0位和1位置1，而又不影响其它位的现状，可以用一个数0x03，即二进制数00000011去与a数作按位“或”运算：
0x88 1000 1000 a数| 0x03 0000 0011 屏蔽数   =     1000 1011
若需要某个数的第n位置1，只需要将该数与另一个数按位相“或”，另一个数除了相应的第n位为1外，其它各位都为0，以起到对其它各位的屏蔽作用。
上面的运算可以用a = a | (0xF7) 来表示，也可以用a | =(0xF7) 来表达。
3) 按位“异或”运算
按位“异或”运算符 ^ 的作用是对运算符两侧以二进制表达的操作数按位分别进行“异或”运算，而这一运算是以数中相同的位(bit)为单位的。异或运算操作的规则是：仅当两个操作数不同时，相应的输出结果才为1，否则为0。

按位“异或”运算 ^ 具有一些特殊的应用，介绍如下：
① 按位“异或”运算可以使特定的位取反
例如：我们想让a数中的最低位和最高位取反，只要用0x81，即二进制数10000001去与它作按位“异或”运算，其运算结果同上式。经过操作后，最高位的值已经由1变0，而最低位的值也已经由0变1，起到了使这两位翻转的效果。其它位的状态保持不变。可以看到，这个数除最低位、最高位为1外，其它各位均为0，操作的结果只会将a数中的第0、7位取反，而a数的其它位不受影响。
若需要某个数的第n位取反，只需要将该数与另一个数按位相“异或”，另一个数除了相应的第n位为
1外，其它各位都为0，以起到对其它各位的屏蔽作用。
上面的运算可以用a = a ^ (0x81) 来表示，也可以用a ^ =(0x81) 来表达。
② 直接交换两个变量的值
例如，若有变量a = 3，b = 4，想要交换它们的值，可以做如下一组操作：
a ^ = b
b ^ = a
a ^ = b
首先，a ^ = b:    a 0000 0011^ b 0000 0100 a =     0000 0111
其次，b ^ = a:    b 0000 0100^ a 0000 0111 b =     0000 0011
最后，a ^ = b:    a 0000 0111^ b 0000 0011 a =     0000 0100
这样，a、b两个变量中的值就进行了对调。
4)“取反”运算
“取反”运算符 ~ 的作用是将各位数字取反：所有的0置为1，1置为0。例如：
1001 0110 取反后为0110 1001。
5) 数据右移
数据右移操作符 > > 将变量的各位按要求向右移动若干位。右移语句的通常形式是：
variable >>右移位数
如：
a = 1111 0000；
进行 a = a >> 2 操作后，a = 0011 1100。
6) 数据左移
数据左移操作符 < < 将变量的各位按要求向左移动若干位。左移语句的通常形式是：
variable < <左移位数
如：
a = 1111 0000；
进行 a = a << 2 操作后，a =1100 0000。
无论是左移还是右移，当某位从一端移出时，另一端出现的空白将以从外面移入的0（某些计算机是送1，详细内容请查阅相应C编译程序用户手册）来补充。这说明，移位不同于循环，从一端移出的位并不送回到另一端去，移去的位永远丢失了，同时在另一端只能补上相应位数的0。
移位操作可用于整数的快速乘除运算，左移一位等效于乘2，而右移一位等效于除以2。
如：x = 7， 二进制表达为：0000 0111，
x < < 1             0000 1110，相当于： x =2*7=14，
x < < 3             0111 0000，相当于： x=14*2*2*2=112
x < < 2             1100 0000，          x= 192
在作第三次左移时，其中一位为1的位移到外面去了，而左边只能以0补齐，因而便不等于112*2*2=448，而是等于192了
。当x按刚才的步骤反向移动回去时，就不能返回到原来的值了，因为左边丢掉的一个1，再也不能找回来了：
x > > 2              0011 0000，       x=48
x > > 3              0000 0110          x=48/8=6
x > > 1              0000 0011          x=6/2=3
移位操作还可以配合其它位操作夫对寄存器或者数据I/O接口的各个位进行设置、检测，具体方法见下一节。
2.位操作符的一些实用方法介绍
1) 学会应用复合运算符
如前面所介绍的，位操作运算符可以和赋值运算符“=”一起组成复合运算符。即如下5个：
<<= 、>>=、&=、^=、|=
其中，x << = y，相当于x = x << y；
x >> = y，相当于x = x >> y；
x & = y， 相当于x = x & y；
x ^ = y， 相当于x = x ^ y；
x | = y，   相当于x = x | y；
学会在C语言中使用复合运算符，可以简化源程序，优化目标程序。
2) C 语言中一些常见的位操作方法
由于我们此处学习C 语言的目的主要是为了开发微控制器的控制程序，为此我们特别关注一下对MPU的寄存器、I/O中某一位的操作语句。假如要对PORTA(端口A)的某些位进行赋值、置0、置1、取反、测试，可能会用到如一下一些语句：
① PORTA = 0x87
给整个PORTA赋值，作用是将1000 0111这个数赋予PORTA，即让PORTA的第0、1、2和7位置1，其它位清0。
② PORTA = (1<<7)
给整个PORTA赋值，作用等价于PORTA = 0x80，将1000 0000这个数赋予PORTA，将指定的第7位置1，其余各位置0。只不过这里包括了两个步骤，即先是括号中的1<<7操作，表示将0x01这个数左移7位，其值变成0x80，再将它赋予PORTA。
③ PORTA = (1<<7) | (1<< 3) | (1<< 2)
给整个PORTA赋值，作用与②中的操作相同，但是是分别对7、3、2位置1，而将其它各位均置0。它先要分别对三个括号中
给定的值进行移位操作，再将它们按位“或”，最后将值赋予PORTA。即：
                1000 0000 (1<< 7)
                0000 1000 (1<< 3)
          |     0000 0100 (1<< 2)
   PORTA =   1000 1100
④ PORTA & = 0x80
使PORTA中的指定位清0，等价于PORTA =PORTA & (0x80)。由于0x80的二进制表达形式为1000 0000，利用其最高位为1
，其它各位均为0的特性，作为一个模板将其等于1的那些位(如本例中的第7位)屏蔽起来，使之保持不变，而将其它位清
0(不管原来为0还是为1)。因为PORTA与0x80按位“与”的结果如下：
PORTA   = 0x87 1000 0111
&          0x80 1000 0000
            =       1000 0000
操作后，第7位的原来值1被保留，其它各个位被清0，其中最低的3位原来为1，现在均为0了。
⑤ PORTA & = (1<<7)
它也等价于PORTA & = 0x80：这里也包括了两个步骤，即先执行括号中的1<<7操作，将0x01左移7位，其值变成0x80，再将它与PORTA做按位“与”。该操作将除指定的第7位以外的各个位清0。
⑥PORTA & = ~ (1 << 7)
该指令在等号后面加了取反符号 ~ 。与上一条操作的区别是，在与PORTA做按位“与”前，还将0x80先行取反，将10000000转换成0111 1111，再做按位“与”操作。这样的操作结果是将指定的第7位清零，其它各位保持不变。
⑦ PORTA | = (1<<7)
等价于PORTA = PORTA | (1<<7)，这里也是先执行括号中的1<<7操作，将0x01左移7位，其值变成0x80，再将它与PORTA做按位“或”。
若操作前PORTA的初始值为0x07，则：
   PORTA 0000 0111
| 0x80     1000 0000
PORTA =   1000 0111
该操作将最高位置1，其它各位保持不变。
要注意的是，这条指令与PORTA = (1<<7) 相比，虽然都可以使指定的某一位置1，但它们有着不同之处。PORTA =
(1<<7) 执行后，虽然某一位被置1了，但其它的位却被修改了，即不管PORTA的初始值为什么，原来为1的位都会被0覆盖
，执行的结果总是为1000 0000。而本条指令却可以将其它位屏蔽起来，在改变要设置的那一位的同时，并不改变其它位
的状态。

3) 巧用C语言中的位操作方法
① 将寄存器的指定位置1或清0
在实际应用中，经常利用：
PORTA | = (1<< n) 这条指令将寄存器的任意位置1，而又不影响其它位的现有状态。比如说，你如果想将第4位置1，就
使用：
PORTA | = (1<< 4) 就行了。当然，也可以使用：
PORTA | = (1<< 7) | (1<< 4 ) | (1<< 0) 这样的指令一次将设第8、5和1位置1，但又不影响到其它位的状态。
在实际应用中，经常利用：
PORTA & = ~ (1<< n) 这条指令将寄存器的任意位清0，而又不影响其它位的现有状态。比如说，你如果想将第4位清0，
就使用：
PORTA & = ~ (1<< 4) 就行了。
在启动nRF905芯片向空中发送数据时，采用以下函数：
/* ShockBurst 发射数据 */
void nrf905_TxSend(void)
{
   PORTD|=(1<<TRXCE);
   DelayUs(1);//>10us
   PORTD &= ~(1<<TRXCE);
}
其中让PORTD中控制TRX_CE信号的那一位先置1，再清0，输出一高一低的脉冲信号，就在一个脉冲周期内，完成了一次数
据发送。因为在程序的开头已经定义TRX_CE信号为PD6位，即TRXCE = 6，因而上面两行程序等价于：
PORTD|=(1<< 6);
PORTD &= ~(1<< 6);
② 测试寄存器指定位的状态
nRF905在接收数据过程中，要分别发出CD、AM和DR信号，而MPU也要分别对这些位进行检测，看它们是否变高，若变高，
就执行下一步，否则就跳出分支，返回主程序。下面就是对这些位进行检测的一段函数：
/*检查接收情况*/
void nrf905_RxRecv(void)
{
while ((PIND&(1<<CD))==0); //CD引脚置1,检测到载波信号
while ((PIND&(1<<AM))==0); //一般先AM=1指示地址匹配对
while ((PIND&(1<<DR))==0); //DR=1时表示数据接收对而且Crc正确
//nrf905已经接收到数据
       nrf905_ReadData(0);//读出nrf905中的数据
}
其中有：
while   ((PIND&(1<<DR))= =0); 或者：
if   ((PIND&(1<<DR))= =0); 语句，其功能就是对寄存器指定的位进行测试。
括号中是一个等式，我们将其拆分开介绍它的作用：
1<<DR：
DR在程序的开始已经被定义为2，(1<<DR)也就是(1<< 2)，表示将0x01左移2位，结果为0000 0100；
PIND& (1<<DR)：
PIND为PORTD端口的8位引脚的值，PIND& (1<<DR)表示让它和(1<<DR) 亦即和0000 0100按位相“与”。不管PIND的其它
位为何值，由于和0相与，这些位的结果都为0，我们关心的只有第2位的状态。由于该位与1相与，只要DR为高，就会有：
   PIND     xxx x1xx
&          0000 0100
   结果   =   0000 0100
结果的第二位的状态为1，也就是整个表达式：
(PIND&(1<<DR))= = 0不成立，语句的逻辑值为0。
若DR为低，则有：
PIND     xxxx x0xx
&          0000 0100
   结果   =   0000 0000
也就是整个表达式的结果为0，(PIND&(1<<DR))= = 0成立，语句的逻辑值为1。
根据括号中逻辑值的情况，while 或者if 语句再决定程序的流向。