嵌入式C语言位操作的几种常见用法

作为一名老单片机工程师，我承认，当年刚入行的时候，最怕的就是看那些密密麻麻的寄存器定义，以及那些让人眼花缭乱的位操作。

尤其是遇到那种“明明改了寄存器，硬件就是不听话”的情况，简直想把示波器砸了！那时心里默默吐槽：这谁设计的寄存器，就不能给个明确的开关按钮吗，非要让我扭来扭去？

其实，每个单片机工程师都经历过这段“痛苦”的旅程。在第一家公司，我特别佩服那个把NXP单片机寄存器玩得溜溜转的大佬，同时又对那些藏在代码深处的位操作充满恐惧。毕竟，一个不小心，就可能让你的程序跑飞，硬件罢工。

如果你也正为位操作而苦恼，那么恭喜你，找到了组织！这篇文章不会教你背诵晦涩的位操作定义，而是会用最通俗易懂的语言，带你掌握嵌入式C语言中位操作的几种常见用法。

学完之后，你不仅能轻松应对各种硬件控制任务，还能在代码优化方面更上一层楼。告别抓耳挠腮，让你也能在位操作的世界里“横着走”！

记得有一次做消费类产品，我负责一个资源非常紧张的51单片机项目，Flash和RAM都快要爆炸了。当时，我想尽各种办法优化代码，最后发现，使用位操作可以极大地压缩数据存储空间，提高程序的运行效率。

通过巧妙地运用位操作，我成功盘下了这个项目，节省了硬件成本，还赢得了老板欢心，后面我离职了几年，又以技术入股的方式把我请回去，从此踏入更大的坑，算了，血泪史，不说也罢。。。从那以后，我就也深刻体会到，掌握位操作，真的是单片机工程师的必备技能。

1.位操作，其实没那么可怕！

1.1 位操作的基石：二进制世界

在深入位操作之前，我们需要先回到二进制的世界。

单片机本质上就是处理二进制数据的机器，一切指令、数据，最终都会转化为0和1。所以，理解二进制是掌握位操作的基础。

举个例子，我们常说的“8位单片机”，指的是它的数据总线宽度是8位，也就是一次可以处理8个二进制位的数据。比如，0xAA（十六进制）在二进制中表示为10101010。而位操作，就是对这些二进制位进行各种各样的操作。

1.2 位与（&）：提取信息的过滤器

位与操作符（&）的作用是，将两个操作数的对应位进行“与”运算。只有当两个位都为1时，结果才为1，否则为0。

uint8_t a = 0b10101010; 
uint8_t b = 0b00001111; 
uint8_t result = a & b; // result 的值为 0b00001010

位与操作最常见的应用场景是清除特定位和提取特定位。

清除特定位：假设我们需要清除一个寄存器reg的第3位（从0开始计数），我们可以使用以下代码：

reg = reg & (~(1 << 3)); // 将第3位清零

这里，(1 << 3) 会生成一个掩码0b00001000，然后取反得到0b11110111。再与reg进行位与操作，就可以将第3位清零，而其他位保持不变。

提取特定位：假设我们需要提取reg的第4位到第7位，可以使用以下代码：
```
uint8_t extracted = (reg >> 4) & 0x0F; // 提取第4位到第7位
```

这里，(reg >> 4) 会将reg右移4位，使得第4位到第7位移动到最低位。然后与0x0F（0b00001111）进行位与操作，就可以提取出第4位到第7位的值。

1.3 位或（|）：设置信息的开关

位或操作符（|）的作用是，将两个操作数的对应位进行“或”运算。只要两个位中有一个为1，结果就为1，否则为0。

uint8_t a = 0b10101010; 
uint8_t b = 0b00001111; 
uint8_t result = a | b; // result 的值为 0b10101111

位或操作最常见的应用场景是设置特定位。

设置特定位：假设我们需要设置reg的第2位为1，可以使用以下代码：

reg = reg | (1 << 2); // 将第2位设置为1

这里，(1 << 2) 会生成一个掩码0b00000100。然后与reg进行位或操作，就可以将第2位设置为1，而其他位保持不变。

1.4 位异或（^）：翻转信息的魔法棒

位异或操作符（^）的作用是，将两个操作数的对应位进行“异或”运算。当两个位不同时，结果为1，相同时为0。

uint8_t a = 0b10101010; 
uint8_t b = 0b00001111; 
uint8_t result = a ^ b; // result 的值为 0b10100101

位异或操作最常见的应用场景是翻转特定位和简单加密。

翻转特定位：假设我们需要翻转reg的第5位，可以使用以下代码：
```
reg = reg ^ (1 << 5); // 翻转第5位
```

这里，(1 << 5) 会生成一个掩码0b00100000。然后与reg进行位异或操作，就可以将第5位翻转（0变1，1变0）。

简单加密：位异或操作可以用于简单的加密和解密。同一个数据与同一个密钥进行两次位异或操作，就可以恢复原始数据。

uint8_t data = 0x5A; 
uint8_t key = 0x3C; 
uint8_t encrypted = data ^ key; // 加密 
uint8_t decrypted = encrypted ^ key; // 解密，恢复为 data

1.5 位取反（~）：反转世界的钥匙

位取反操作符（~）的作用是，将操作数的每一位取反。

uint8_t a = 0b10101010; 
uint8_t result = ~a; // result 的值为 0b01010101

位取反操作通常用于生成掩码，配合其他位操作实现更复杂的功能。比如，前面清除特定位的例子中，我们就用到了位取反。

1.6 左移（<<）和右移（>>）：移形换影的魔术

左移操作符（<<）的作用是，将操作数的每一位向左移动指定的位数，右边补0。

右移操作符（>>）的作用是，将操作数的每一位向右移动指定的位数，左边补0（无符号数）或补符号位（有符号数）。

uint8_t a = 0b00000011; 
uint8_t result_left = a << 2; // result_left 的值为 0b00001100 
uint8_t result_right = a >> 1; // result_right 的值为 0b00000001

左移和右移操作最常见的应用场景是**乘以或除以2的幂**、**提取特定位**和**组合数据**。

乘以或除以2的幂：左移n位相当于乘以2的n次方，右移n位相当于除以2的n次方。这比直接使用乘除法运算更快。
提取特定位：就像前面提取reg的第4位到第7位的例子。
组合数据：假设我们有两个8位数据，需要将它们组合成一个16位数据：

uint8_t high = 0x12; 
uint8_t low = 0x34; 
uint16_t combined = (high << 8) | low; // combined 的值为 0x1234

2. 实战演练：GPIO控制

说了这么多，我们来一个实战演练：使用位操作控制GPIO。

假设我们需要控制一个LED的亮灭，LED连接到GPIO的第5个引脚。

#define LED_PIN (1 << 5) // 定义LED引脚对应的掩码

// 点亮LED
void led_on() {
  GPIO_PORT |= LED_PIN; // 设置GPIO引脚为高电平
}

// 熄灭LED
void led_off() {
  GPIO_PORT &= ~LED_PIN; // 设置GPIO引脚为低电平
}

// 翻转LED状态
void led_toggle() {
  GPIO_PORT ^= LED_PIN; // 翻转GPIO引脚状态
}

这个例子清晰地展示了位操作在控制硬件方面的简洁和高效。

3. 注意事项：别踩这些坑！