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在标准C语言的的教材中，对于位运算的操作是基本不涉及的，但是在单片机系统的程序中，需要经常操作各类以字节为单位的寄存器，而这些寄存器通常都是以二进制中的位为控制单位的数据组合。往往一个8位寄存器中的每一位都有各自的控制对象，例如端口B的方向寄存器DDRB，如下图所示
它实际上控制着PB口的8个端口PB0-PB7的方向，也就是说它的每一位都控制一个端口的方向，如果我们要把端口PB0-PB3设置为输出口，而把PB4-PB7设置为输入口，在不用位运算符的情况下，我们可以直接使用赋值语句DDRB=0x0f来实现，这样是完全可以实现的。
但是如果出现下面的情况：在程序中PB口的8位端口的状态本来是1、3、5、7为输入。0、2、4、6为输出（即DDRB=0x55),接下来要将PB口的第1位设置为输出，其它端口的状态不变，然后又要将第2位设置为输入，其它端口的状态不变。该怎么实现？也许我们依旧可以使用赋值语句来实现，比如DDRB=0x55;接下来设置DDRB=0x57;然后再设置DDRB=0x53;首先要肯定的是，这种做法是绝对正确的。但是我们可能有没有注意到，在改变其中一位的值的时候，我们同时还要考虑其它7位的状态，并且要小心翼翼的避免不小心改变了其它位的值。
那么有没有一种方法，可以简单的实现修改某一位的状态，同时不会改变其它位的状态呢？
这就牵出了单片机C语言程序设计中的位运算的概念。
我们来看这个语句：DDRE |= (1 << PE5); 这个语句实现的功能是将PE口的第5位设置为输出口，其余口的状态不变。它是怎么实现的？首先我们来看1 << PE5这个表达式，我们前面已经介绍了，AVR各寄存器的宏定义是在头文件io.h中定义好的，我们可以直接调用，现在我们就来看看在io.h中PE5是如何定义的（在WINAVR的安装目录下查找iom64.h）,我们可以看到PE口的8位分别定义如下：
/* Port E Data Register - PORTE */
#define PE7 7
#define PE6 6
#define PE5 5
#define PE4 4
#define PE3 3
#define PE2 2
#define PE1 1
#define PE0 0
可以看出，实际上PE5=5；那么1 << PE5，就很容易理解了，它的作用是把1左移5位，最后的结果按照二进制表示就是0b00100000，而DDRE |= (1 << PE5);实际上是DDRE= DDRE | (1 << PE5）；首先“|”表示的是“或”操作DDRE是端口E的方向寄存器，在iom64.h中定义为：#define DDRE _SFR_IO8(0x02)；它实际上是定义了一个标识符，这个标识符对应数据存储区RAM中的某个地址，这个我们暂且不去深究。我们还是回过头来看DDRE= DDRE | (1 << PE5）；这句话实现的功能，这句话实际上是将寄存器DDRE中的内容（数据）跟二进制数0b00100000进行或操作，我们知道两个数的或操作的结果是：只要有一个是1，结果就是1.那么假如DDRE中本来的值是0b10001010(0x8a),它和0b00100000进行“或”操作以后的结果变成了0b10101010（0xaa）。我们可以看出，相或以后DDRE中的第5位以外的各位的值都没有改变，而第5位变成了1，我们的目的就是要将第5位设为输出口（即将第5位设置为1）。
现在我们来看一下从语言中有几种位运算符：
移位运算符：左移<<，右移>>
与运算符：&
或运算符：|
取反运算符：~
异或运算符：^
就这些了，总共只有6中位运算符。现在我们来看一下这些运算符都起什么作用；
左移运算符：表达形式为x<<n,意思是将数据x向左移动n位，在这里x和n都必须是无符号整形数据（所有的位运算符的操作对象都是无符号整形）；
例如，x是一个unsigned char类型的数据（即x是一个单字节数据，共有8位），设x的初值为0x00000001，执行x<<n的操作：
n=0时，x<<n表示x左移0位，实际就是不移动，x的值不改变
n=1时，x<<n表示x左移1位，运算结果为0b00000010
n=2时，x<<n表示x左移2位，运算结果为0b00000100
...
n=7时，x<<n表示x左移7位，运算结果为0b10000000
n=8时，x<<n表示x左移8位，运算结果为0b00000000
从结果来看，当n在1-7之间取值时，运算的结果总是1依次向左移动一位，但是当n>=8以后，x的值就一直是0了，这是因为x是一个只有8位的整形变量，它的最大二进制长度是8位，当n超过8以后，移位操作的结果已经超出8位的范围了，产生了溢出现象。
右移的原理跟左移相似，只是它的运算结果跟左移刚好相反。
在单片机C语言编程中，经常使用移位操作来实现将数据乘以（左移）或除以（右移）2的n次方的乘除运算，利用移位操作实现乘除运算可以显著提高单片机的运算速度和效率。其详细原理我们可以翻阅相关的C语言书籍来进行更深了解。
“取反”、“与”、“或”、“非”运算经常用于对寄存器的某一位进行操作，
例如，使端口B的第二位输出高电平，同时不改变其余端口的状态，我们可以采用如下方法：
PORTB |= (1<<PB2),
实际上，想将一个8位寄存器的某一位设置为1，可以采用这样的语句：寄存器名（如PORTB） |= （1 << X)，式中X表示第X位。
相反的，如果想将一个8位寄存器的某一位设置为0，可以采用这样的语句：寄存器名（如PORTB） &= ~（1 << X)，式中X表示第X位。
写着的时候，总感觉心里清楚，但是表达不出来，本来是相结合单片机来讲解如何用C语言来开发单片机程序的，但总是没有办法将两者的结合很直观的表达出来。有些困惑！
这或许就是现在市面上相当多的讲解单片机C语言开发的书为什么总是将C语言的讲解和具体的程序设计分开来讲的原因吧。大家都没有更好的办法在讲解具体的单片机开发的同时把C语言的知识逐步融合到实例中 |
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发表于 2024-2-1 19:55:55
