单片机C51语言的位操作及其应用详细说明

在对单片机进行编程的过程中，对位的操作是经常遇到的。C51对位的操控能力是非常强大的。从这一点上，就可以看出C不光具有高级语言的灵活性，又有低级语言贴近硬件的特点。这也是在各个领域中都可以看到C的重要原因。在这一节中将详细讲解C51中的位操作及其应用。

1、位运算符

C51提供了几种位操作符，如下表所示：

1）“按位与”运算符（&）

参加运算的两个数据，按二进位进行“与”运算。原则是全1为1，有0为0，即：

0&0=0; 0&1=0; 1&0=0; 1&1=1;

如下例：

a=5&3; //a=（0b 0101） & （0b 0011） =0b 0001 =1

那么如果参加运算的两个数为负数，又该如何算呢？会以其补码形式表示的二进制数来进行与运算。

a=-5&-3; //a=（0b 1011） & （0b1101） =0b 1001 =-7

在实际的应用中与操作经常被用于实现特定的功能：

1.清零

“按位与”通常被用来使变量中的某一位清零。如下例：

a=0xfe; //a=0b 11111110

a=a&0x55;

//使变量a的第1位、第3位、第5位、第7位清零 a= 0b 01010100

2.检测位

要知道一个变量中某一位是‘1’还是‘0’，可以使用与操作来实现。

a=0xf5; //a=0b 11110101

result=a&0x08; //检测a的第三位，result=0

3.保留变量的某一位

要屏蔽某一个变量的其它位，而保留某些位，也可以使用与操作来实现。

a=0x55; //a=0b 01010101

a=a&0x0f; //将高四位清零，而保留低四位 a=0x05

2）“按位或”运算符（｜）

参与或操作的两个位，只要有一个为‘1’，则结果为‘1’。即有‘1’为‘1’，全‘0’为‘0’。

0|0=0; 0|1=1; 1|0=1; 1|1=1;

例如：

a=0x30|0x0f; //a=（0b00110000）|（0b00001111）=（0b00111111）=0x3f

“按位或”运算最普遍的应用就是对一个变量的某些位置‘1’。如下例：

a=0x00; //a=0b 00000000

a=a|0x7f; //将a的低7位置为1，a=0x7f

3）“异或”运算符（＾）

异或运算符＾又被称为XOR运算符。当参与运算的两个位相同（‘1’与‘1’或‘0’与‘0’）时结果为‘0’。不同时为‘1’。即相同为0，不同为1。

0^0=0; 0^1=1; 1^0=1;1^1=0;

例如：

a=0x55^0x3f; //a=（0b01010101）^（0b00111111）=（0b01101010）=0x6a

异或运算主要有以下几种应用：

1.翻转某一位

当一个位与‘1’作异或运算时结果就为此位翻转后的值。如下例：

a=0x35; //a=0b00110101

a=a^0x0f; //a=0b00111010 a的低四位翻转

关于异或的这一作用，有一个典型的应用，即取浮点的相反数，具体的实现如下：

f=1.23; //f为浮点型变量值为1.23

f=f*-1; //f乘以-1，实现取其相反数，要进行一次乘运算

f=1.23;

（（unsigned char *）&f）［0］^=0x80; //将浮点数f的符号位进行翻转实现取相反数

2.保留原值

当一个位与‘0’作异或运算时，结果就为此位的值。如下例：

a=0xff; //a=0b11111111

a=a^0x0f; //a=0b11110000 与0x0f作异或，高四位不变，低四位翻转

3.交换两个变量的值，而不用临时变量

要交换两个变量的值，传统的方法都需要一个临时变量。实现如下：

void swap（unsigned char *pa，unsigned char *pb）

{

unsigned char temp=*pa;//定义临时变量，将pa指向的变量值赋给它

*pa=*pb;

*pb=temp;//变量值对调

}

而使用异或的方法来实现，就可以不用临时变量，如下：

void swap_xor（unsigned char *pa，unsigned char *pb）

{

*pa=*pa^*pb;

*pb=*pa^*pb;

*pa=*pa^*pb; //采用异或实现变量对调

}

从上例中可以看到异或运算在开发中是非常实用和神奇的。

4）“取反”运算符（~）

与其它运算符不同，“取反”运算符为单目运算符，即它的操作数只有一个。它的功能就是对操作数按位取反。也就是是‘1’得‘0’，是‘0’得‘1’。

~1=0; ~0=1;

如下例：

a=0xff; //a=0b11111111

a=~a; //a=0b00000000

1.对小于0的有符号整型变量取相反数

d=-1;

//d为有符号整型变量，赋值为-1，内存表示为0b 11111111 11111111

d=~d+1; //取d的相反数，d=1，内存表示0b 00000000 00000001

此例运用了负整型数在内存以补码方式来存储的这一原理来实现的。负数的补码方式是这样的：负数的绝对值的内存表示取反加1，就为此负数的内存表示。如-23如果为八位有符号整型数，则其绝对值23的内存表示为0b00010111，对其取反则为0b11101000，再加1为0b11101001，即为0XE9，与Keil仿真结果是相吻合的：

2.增强可移植性

关于“增强可移植性”用以下实例来讲解：

假如在一种单片机中unsigned char类型是八个位（1个字节），那么一个此类型的变量a=0x67，对其最低位清零。则可以用以下方法：

a=0x67; //a=0b 0110 0111

a=a&0xfe; //a=0b 0110 0110

上面的程序似乎没有什么问题，使用0xfe这一因子就可以实现一个unsigned char型的变量最低位清零。但如果在另一种单片机中的unsigned char类型被定义为16个位（两个字节），那么这种方法就会出错，如下：

b=0x6767; //假设b为另一种单片机中的unsigned char 类型变量，值为0b 0110 0111 0110 0111

b=b&0xfe; //如果此时因子仍为0xfe的话，则结果就为0b 0000 0000 0110 0110 即0x0066，而与0x6766不相吻合

上例中的问题就是因为不同环境中的数据类型差异所造成的，即程序的可移植性不好。对于这种情况可以采用如下方法来解决：

a=0x67; //a=0b 0110 0111

a=a&~1; //在不同的环境中~1将自动匹配运算因子，实现最后一位清零a=0x66 其中~1为 0b 11111110

b=0x6767; //a=0b 0110 0111 0110 0111

b=a&~1; //~1=0b 1111 1111 1111 1110，b=0b 0110 0111 0110 0110 ，即0x6766

5）左移运算符（《《）

左移运算符用来将一个数的各位全部向左移若干位。如：

a=a《《2

表示将a的各位左移2位，右边补0。如果a=34（0x22或0b00100010），左移2位得0b10001000，即十进制的136。高位在左移后溢出，不起作用。

从上例可以看到，a被左移2位后，由34变为了136，是原来的4倍。而如果左移1位，就为0b01000100，即十进制的68，是原来的2倍，很显然，左移N位，就等于乘以了2N。但一结论只适用于左移时被溢出的高位中不包含‘1’的情况。比如：

a=64; //a=0b 0100 0000

a=a《《2; //a=0b 0000 0000

其实可以这样来想，a为unsigned char型变量，值为64，左移2位后等于乘以了4，即64X4＝256，而此种类型的变量在表达256时，就成为了0x00，产生了一个进位，即溢出了一个‘1’。

在作乘以2N这种操作时，如果使用左移，将比用乘法快得多。因此在程序中适应的使用左移，可以提高程序的运行效率。

6）右移运算符

右移与左移相类似，只是位移的方向不同。如：

a=a》》1

表示将a的各位向右移动1位。与左移相对应的，左移一位就相当于除以2，右移N位，就相当于除以2N。

在右移的过程中，要注意的一个地方就是符号位问题。对于无符号数右移时左边高位移和‘0’。对于有符号数来说，如果原来符号位为‘0’，则左边高位为移入‘0’，而如果符号位为‘1’，则左边移入‘0’还是‘1’就要看实际的编译器了，移入‘0’的称为“逻辑右移”，移入‘1’的称为“算术右移”。Keil中采用“算术右移”的方式来进行编译。如下：

d=-32; //d为有符号整型变量，值为-32，内存表示为0b 11100000

d=d》》1;//右移一位 d为 0b 11110000 即-16，Keil采用“算术逻辑”进行编译

7）位运算赋值运算符

在对一个变量进行了位操作中，要将其结果再赋给该变量，就可以使用位运算赋值运算符。位运算赋值运算符如下：

&=， |=，^=，~=，《《=， 》》=

例如：a&=b相当于a=a&b，a》》=2相当于a》》=2。

8）不同长度的数据进行位运算

如果参与运算的两个数据的长度不同时，如a为char型，b为int型，则编译器会将二者按右端补齐。如果a为正数，则会在左边补满‘0’。若a为负数，左边补满‘1’。如果a为无符号整型，则左边会添满‘0’。

a=0x00; //a=0b 00000000

d=0xffff; //d=0b 11111111 11111111

d&=a; //a为无符号型，左边添0，补齐为0b 00000000 00000000，d=0b 00000000 00000000