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1、第9章 位运算,教学目的：通过本章的学习，要求能理解二进制位运算操作和位段结构，能熟练使用位运算符进行程序设计，学习位操作能够为硬件平台的程序设计奠定基础，为后续课程的学习起到铺垫作用。,第9章 位运算,结构和内容,第9章 位运算,重点和难点 重点：(1)位逻辑运算(2)移位运算(3)复合赋值位运算(4)不等长数据的位运算(5)位段的结构、存储及使用 难点:(1)不等长数据的位运算(2)位段的结构、存储及使用,9.1 位运算的C程序实例,位运算引例【例9.1】一个简单的位运算C程序/*源文件名：Li9_1.c功能：从键盘输入两个整数a和b，分别对其进行位运算。*/,#include void
2、main()int a,b;int e,f,g,h,i;puts(请输入整数a和b：);/*打印输出一串字符串*/scanf(“%d%d”,9.2 二进制位运算,9.2.1 位逻辑运算,位操作是对字节或字节内的二进制位进行测试、设置或逻辑的运算。位操作可以分为两类：一类是位逻辑运算，另一类是移位运算。,位逻辑运算用来对某一个或某一对二进制位进行操作，其运算符有以下几个：表示按位取反&表示按位与 表示按位或 表示按位异或 除了是一元运算符外，&、都是二元运算符。位逻辑运算的运算对象是整数。,位逻辑运算规则与逻辑运算（&、！）一样，也可用真值表表示。设a、b分别表示一个二进制位，则按位逻辑运算的真
3、值表可表示成如表9-1所示的形式。,表9-1 逻辑运算符的运算规则,按位与运算按位或运算按位异或运算按位取反运算,9.2.1 位逻辑运算,按位与运算,按位与逻辑运算的运算规则是：只有对应的位均为1时，与运算的结果才为1，其他的情况均为0。即：0&0=0 0&1=0 1&0=0 1&1=1【例9.2】令a=10，b=8，c=a&b，求c的值。c的内容可以通过下式运算：00001010 00001000 00001000,/*源文件名：Li9_2.c功能：令a=10，b=8，c=a,按位与运算的用途有以下几个方面：可以对某位进行清零操作。此时只需将需要清零的对应位与0位进行“按位与”操作即可。例如
4、：若将00010011的低4位清零，只需将其低4位与零相与，高4位与1相与即可，也就是进行以下的操作：00010011 11110000 00010000即将00010011与11110000进行与操作就可以满足要求。可以提取某些位。此时只需将需要提取的位与1进行“按位与”操作即可。例如：保留1100011中的最高位，其余位清零，可用如下的操作：11000110 10000000 10000000则上述与操作完成后，1100011就变成了10000000,(&),(&),按位或运算,按位或运算的运算规则是：只有按位或操作的对应位均为零时，结果才为零，其他情况按位或的结果均为1。即，0|0=0
5、0|1=1 1|0=1 1|1=1【例9.3】令a=12，b=9，c=a|b，求c的值。c的内容可以通过下式运算：00001100 00001001 00001101,/*源文件名：Li9_3.c功能：令a=12，b=9，c=a|b，求c的值。*/#include void main()int a=12,b=9;int c;c=a|b;printf(c=%dn,c);,按位或运算的用途主要是对某位进行置1操作，例如：将00100010的高四位置1，可以将其与11110000进行“按位或”运算。具体如下：00100010 11110000 11110010,(|),按位异或运算,按位异或的运算规
6、则是：参与按位异或运算的两个二进制位如果相同，则结果为0，如果不同则结果为1。即，00=0 01=1 10=1 11=0【例9.4】令a=10，b=8，c=ab，求c的值。c的内容可以通过下式运算：00001010 00001000 00000010,/*源文件名：Li9_4.c功能：令a=10，b=8，c=ab，求c的值。*/#include void main()int a=10,b=8;int c;c=ab;printf(c=%dn,c);,按位异或运算主要有以下三个用途：与0异或，可以保留原值。因为原数中的1与0进行异或运算得1，0与0进行异或运算得0。例如将035与00按位异或可以保
7、留035。具体如下：00011101 00000000 00011101将特定位翻转。例如：将10001111的高四位进行翻转，即1变成0、0变成1，则可以使用异或运算。具体如下：()10001111 11110000 01111111,不用临时变量交换两个值。在以前的章节中介绍交换变量时，需要借助第三个临时变量来完成；而通过异或运算则不需要第三个变量即可以完成交换两个值的操作。例如a=5,b=4,请用异或操作完成a=4,b=5。具体如下：b=ab=101100=001 a=ab=101001=100 b=ab=100001=101 经过上述操作后即可完成交换a与b的值的操作，即 a=100=
8、4，b=101=5。,按位取反运算,按位取反运算的运算规则是：0的按位取反结果为1，1的按位取反结果为0。即，0=1 1=0【例9.5】令a=10，c=a，求c的值。c的内容可以通过下式运算：()00001010 11110101,/*源文件名：Li9_5.c功能：令a=10，c=a，求c的值。*/#include void main()int a=10;int c;c=a;printf(c=%dn,c);,位运算符的优先级是：按位取反优先级最高，其次是按位与和按位异或，最低的是按位或。位运算与其他运算符之间的运算优先级和结合性参见附录中介绍。,9.2.2 移位运算,移位运算实现二进制位的顺序
9、向左或向右移位。,左移位运算右移位运算,左移位运算,左移位运算符是，其语法格式为：an 其中，a是操作数，可以是一个char型或整型的变量或表达式；n是待移位的位数，必须是正整数。功能是将a中所有的二进制位数向左移动n位。左移位的运算规则是：在移位过程中，各个二进位顺序向左移动，右端空出的位补0，移出左端之外的位则被舍弃。例如，a=10，其二进制的存储形式为00001010，则a2表示将a的各个二进制位顺序左移2位：00101000，即十进制的40。由左移位的规则可以看出，对于无符号数而言，左移位相当于乘2运算，左移n位相当于乘2的n次方。,右移位运算,右移位运算符是，其语法格式为：an 其中
10、，a是操作数，可以是一个char型或整型的变量或表达式；n是待移位的位数，必须是正整数。功能是将a中所有的二进制位数向右移动n位。右移位的运算规则是：在移位过程中，各个二进位顺序向右移动，左端空出的位补0还是补1取决于被移位的数是有符号数还是无符号数，具体为：对于无符号数进行右移时，左端空出的位一律补0。对于用补码表示的有符号数进行右移时，如果采用逻辑右移，则不管是正数还是负数，左端空位一律补0；如果采用算术右移，则正数右移，左端的空位全部补0；负数右移，左端的空位全部补1（即符号位）。Turbo C采用的是算术右移。例如，a=-32768，采用补码表示时，其二进制的存储形式为10000000
11、00000000，则a2表示将a的各个二进制位顺序右移2位，Turbo C中采用算术右移，结果为：111000000000000000，即十进制的-8192。根据右移位规则，采用算术右移相当于除2运算。右移一位相当于该数除以2，右移n位相当于该数除以2的n次方。,9.2.3复合赋值位运算符,位运算符可以和赋值运算符构成复合赋值位运算符。复合赋值位运算符的形式有：&=、|=、=、=、=。【例9.6】复合赋值位运算的举例。a=5，b=4，则a|=b相当于a=a|b=5|4=101|100=5。c=8，d=9，则c&=d相当于c=c&d=8&9=1000&1001=8。e=8，f=2，则e=f相当于
12、e=ef=82=10002=100000=32。,/*源文件名：Li9_6.c功能：复合赋值位运算的举例。*/#include void main()int a=5,b=4;int c=8,d=9;int e=8,f=2;a|=b;/*相当于a=a|b=5|4=101|100=5*/c,9.2.4不同长度的数据进行位运算,当参加位运算的两个操作数的数据长度不等时，例如：一个int型的数据，另一个long型的数据，则两个数参加运算时，系统自动按右对齐。对于无符号数，系统在做对齐处理时，左端一律补0。对于有符号数来说，正数在做对齐处理时，左端补0；负数在做对齐处理时，左端补1。,9.3 位段,位段
13、是由一个或几个二进制位组成的独立数据项。如果一个结构只含有整型的成员及位段成员，这种结构被称为位段结构。因此，位段结构只是结构的一个特例，有关结构的定义、引用、赋值、在函数间的传递等，都可以引申到位段结构中来，位段结构的特殊性就是其各个成员只能是整型的。因此，本节仅就位段成员方面的问题作一些说明。,9.3.1位段结构类型及位段结构变量的定义,位段结构类型及位段结构变量的定义格式为：struct 结构标识符 数据类型 位段名1：位数；数据类型 位段名2：位数；数据类型 位段名n：位数；位段结构变量表；其中，各位段的数据类型必须是int、signed或unsigned；位数为1的位段只能用unsi
14、gned；每个位段名后紧跟一个冒号，冒号后面是该位段的位数。,对位段结构的定义应注意以下几点：,各个位段必须依次单独定义，不能把几个位段组织成数组。每个位段的长度可以超过一个字节，但不能超过计算机的字长（在Turbo C 2.0中为16位），所有位段的总长度则可以超过一个计算机字长，超过的部分会占用下一个存储单元。由于不允许一个位段跨越两个字长的存储单元，可定义一个长度为0的位段，以保证下一个位段从新的存储单元开始。例如：unsigned a:5;unsigned b:9;unsigned x:0;unsigned c:4;/*位段c将从下一个字长的存储单元开始存放*/unsigned dt:
15、3;,对位段结构的定义应注意以下几点：,如果位段结构的总长度不足n个计算机字长，余下的位可以定义一个不使用的位段或无名位段。例如，上面定义的8251A方式字位段结构中的dummy_bit就是一个不使用的位段，也可以定义如下的无名位段：unsigned:8;这时，余下的8位将被清0。位段结构变量可以按位段初始化，初值表中，不需要初始化的位段用逗号跳过。例如：struct bit word=3,1,2;,对位段结构的定义应注意以下几点：,位段结构中也可以包含整型的变量或数组成员，但变量或数组名后不能跟冒号和位数，系统自动将他们从新的存储单元开始存放。例如：struct a unsigned a1:
16、2;unsigned a2:5;unsigned a3:4;int i;ch;,对位段结构的定义应注意以下几点：,结构中可以包含位段成员。例如:struct employ char*number;char*name;float wage;unsigned lay_off:1;/*表示职工是否在岗*/unsigned hourly:1;/*表示工资类别*/unsigned deductions:3;/*表示工资折扣数*/emp1;比较emp1和上面的位段结构ch，可以看出，结构和位段结构可以交换使用，但必须注意，位段结构中不允许出现非整型的数据成员。,9.3.2位段结构的存储,位段结构中的所有成
17、员按先后次序存放，但存储单元中位段的空间分配方向则随机而异。由于不同计算机的字长不同，造成使用位段结构的程序很难移植。下面以从左到右的空间分配方式，通过实例将位段结构存储分配中的几个问题说明如下：,每个位段结构变量有自己的起始地址，其中的每一个整型变量或数组成员也有各自的地址，但位段成员则没有自己的地址，不能对位段成员进行取地址运算。对于前面定义的位段结构变量ch来说，由于变量i必须从新的字节开始存放，因此系统自动在位段a3后面闲置5位。因此变量ch的存储格式为：,9.3.3位段结构的使用,【例9.8】位段成员的初始化、赋值和输出。/*源文件名：Li9_8.c功能：位段成员的初始化、赋值和输出
18、。*/#include void main()struct bitunsigned a:1;unsigned b:2;unsigned c:3;int d;s=1,2,3,4;/*初始化*/s.c=7;/*给s.c重新赋值7*/s.d=125;/*给s.d重新赋值125*/printf(%d%d%d%dn,s.a,s.b,s.c,s.d);,程序运行后，屏幕显示：127125说明：一个位段所能存放的整数的范围与它的长 度有关，例如一个长度为3的 unsigned型位段能存放07。,小 结,位操作是对字节或字节内的二进制位进行测试、设置或逻辑的运算。位操作可以分为两类：一类是位逻辑运算，另一类是移位运算。位逻辑运算用来对某一个或某一对二进制位进行操作，其运算符有以下几个：表示按位取反&表示按位与 表示按位或 表示按位异或移位运算实现二进制位的顺序向左或向右移位。位运算符可以和赋值运算符构成复合赋值位运算符。复合赋值位运算符的形式有：&=、|=、=、=、=。位段是由一个或几个二进制位组成的独立数据项。位段结构中的所有成员按先后次序存放，但存储单元中位段的空间分配方向则随机而异。,
