C语言基本笔记（6）—— 位操作

在单片机软件开发中，位操作是硬件寄存器控制和资源优化的核心手段。

一、常用位操作

1. 基本位操作

• 置位（Set Bit）：将某位设为1

  PORT |= (1 << PIN);   // 将PORT寄存器的第PIN位置1（例如：PIN=3 → 0b00001000）
  

• 清零（Clear Bit）：将某位设为0

  PORT &= ~(1 << PIN);  // 将PORT寄存器的第PIN位清零（掩码取反后按位与）
  

• 取反（Toggle Bit）：翻转某位的值

  PORT ^= (1 << PIN);   // 异或操作：0→1，1→0
  

• 判断位状态（Check Bit）：检查某位是否为1

  if (PORT & (1 << PIN)) { /* PIN位为1时的逻辑 */ }
  

2. 多比特操作

• 设置多个位：同时置位多个位

  REG |= (BIT0 | BIT2 | BIT5);  // 置位第0、2、5位
  

• 清除多个位：同时清零多个位

  REG &= ~(BIT1 | BIT3);        // 清零第1、3位
  

• 掩码替换值：替换某几位的值（如设置寄存器模式）

  // 将REG的第2~4位（共3位）替换为0b101
  REG = (REG & ~(0x7 << 2)) | (0x5 << 2); 
  

3. 移位操作

• 左移/右移：用于位域提取或合并

  uint8_t value = (data >> 3) & 0x0F; // 提取data的第3~6位（共4位）
  

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二、代码技巧

1. 使用宏定义寄存器地址和位掩码

// 定义寄存器地址（假设PORTB地址为0x25）
#define PORTB (*(volatile uint8_t*)0x25)
// 定义位掩码
#define LED_PIN  (1 << 5)  // PB5
#define BUTTON_PIN (1 << 2) // PB2

// 使用示例
PORTB |= LED_PIN;     // 点亮LED
if (PORTB & BUTTON_PIN) { /* 按钮按下 */ }

2. 位域结构体（用于寄存器映射）

typedef struct {
    uint8_t mode  : 2;  // 低2位：模式配置
    uint8_t enable : 1;  // 第2位：使能位
    uint8_t        : 3;  // 匿名位域填充（保留未用）
    uint8_t error  : 2;  // 高2位：错误码
} ControlReg;

volatile ControlReg* pReg = (volatile ControlReg*)0x4000;
pReg->enable = 1;  // 直接操作寄存器位

3. 联合体（Union）与位操作

结合联合体和结构体，实现灵活的数据访问：

typedef union {
    uint16_t value;       // 整体值
    struct {
        uint8_t low;      // 低字节
        uint8_t high;     // 高字节
    };
    struct {
        uint8_t bit0 : 1;  // 按位访问
        // ... 其他位定义
    };
} DataReg;

DataReg reg;
reg.value = 0x1234;
reg.high = 0xAB;  // 修改高字节
if (reg.bit0) {   // 检查第0位
    // ...
}

4. 内联函数或宏封装常用操作

// 宏封装置位和清零
#define SET_BIT(reg, bit)   ((reg) |= (1 << (bit)))
#define CLEAR_BIT(reg, bit) ((reg) &= ~(1 << (bit)))

// 内联函数判断位状态
static inline bool IsBitSet(volatile uint8_t* reg, uint8_t bit) {
    return (*reg & (1 << bit)) != 0;
}

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三、注意事项

1. 原子操作

• 问题：在中断或多任务环境中，位操作可能被中断打断，导致数据不一致。
• 解决：
  • 关闭中断保护关键操作：
  • 使用原子操作指令（如C11的_Atomic，但需编译器支持）。

2. 可移植性

• 位域顺序：不同编译器对位域的存储顺序（大端/小端）可能不同，跨平台代码需谨慎。
• 寄存器映射：硬件寄存器地址可能因单片机型号不同而变化，需通过头文件统一管理。

3. 位域的内存布局

• 填充位：编译器可能在位域间插入填充位，导致结构体大小不符合预期。
• 示例：

  struct {
      uint8_t a : 2;
      uint8_t b : 3;
  }; // 可能占用1字节（5位+3填充位）而非按预期紧凑排列。
  

4. 位序问题

• 硬件寄存器位序：某些外设的寄存器位序可能与直觉相反（如高位在前），需仔细查阅手册。
• 示例：SPI控制寄存器中，数据位可能从高位（MSB）开始传输。

5. 性能优化

• 频繁位操作：过多的位操作可能降低效率，可合并多次操作为一个整型赋值。
• 示例：

  // 低效写法
  PORT |= BIT0;
  PORT |= BIT1;
  // 高效写法
  PORT |= (BIT0 | BIT1);
  

6. 硬件限制

• 只读/只写位：某些寄存器位可能只读或只写，误操作会导致未定义行为。
• 保留位：未使用的寄存器位通常需保持默认值，避免随意修改。

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四、典型应用场景

1. GPIO控制

// 配置PB5为输出，并输出高电平
DDRB |= (1 << DDB5);  // 设置方向为输出
PORTB |= (1 << PB5);   // 输出高电平

2. 状态标志管理

// 使用uint8_t的每一位表示一个状态
uint8_t flags = 0;
#define FLAG_ERROR  (1 << 0)
#define FLAG_READY  (1 << 1)

flags |= FLAG_READY;          // 设置就绪标志
if (flags & FLAG_ERROR) { ... } // 检查错误标志

3. 数据打包与解包

// 将温度（10位）和湿度（6位）打包为2字节
uint16_t pack_data(uint16_t temp, uint8_t humidity) {
    return (temp & 0x3FF) | ((humidity & 0x3F) << 10);
}

合理使用位操作可显著提升单片机代码的效率和可维护性，但需结合硬件手册和实际场景谨慎设计。