点灯案例优化(二) 利用位运算修改特定位
前面,我们对点灯代码进行了第一次优化,效果如下

尽管第一次优化以后代码可读性确实高了不少,也看起来更加简洁,但是,这里仍旧存在一个很严重的问题:就在每一个表达式右边,我们给寄存器的数据赋值的操作。
我们每一个操作都是直接整体全部赋值,与自己不相关的位直接就用默认的0或1处理了,这样就会造成一个问题:原来其他位可能被赋予特定值的现在因为整体赋值而被修改,这样是很不合适的。 我们更希望的是,在修改我们期望的特定位的数据以后仍不改变其他位的值。那么怎么办呢?这时候我们就要利用C语言中的位运算操作了。
一、位运算在代码中的用法
考虑到我们可能长时间没有使用位运算,所以这里放置一段代码,供我们去回忆一下
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void printfBinary(char * str, uint32_t num)
{
char buffer[33];
itoa(num, buffer, 2); // 把result转成2进制字符串
printf("%s = (%s)2 \n", str, buffer);
}
int main()
{
/* 左移 8<<1 = 1000<<1 = 10000*/
printfBinary("8 << 1", 8 << 1);
/* 右移 8>>1 = 1000>>1 = 100*/
printfBinary("8 >> 1", 8 >> 1);
/* 按位或 8|7 = 1000|0111 = 1111 */
printfBinary("8 | 7", 8 | 7);
/* 按位或 8&7 = 1000&0111 = 0000 */
printfBinary("8 & 7", 8 & 7);
/* 按位取反 ~8 = ~1000 = 0111 */
printfBinary("~8", ~8);
/*
把某位置 1 (0 位 1位 ...)
比如把 num 的第 2 位置 1
1. 得到一个数第 2 位是 1 其他都为 0
a = 0000 0100 是由 1<<2 得到
2. 让 num | a
*/
printfBinary("8置第 2 位为 1 ", 8 | (1 << 2));
/*
把连续的多位同时置 1 (0 位 1位 ...)
比如把 num 的第 1和2 位置 1
1 a = 3 << 1
2. num | a
*/
printfBinary("8置第 1和2 位为 1 ", 8 | (3 << 1));
/*
把某位置 0 (0位 1位 ...)
比如把 num 的第 2 位置 0
1. 得到一个数第 2 位是 0 其他都为 1
a = 1111 1011 是由 ~(1<<2) 得到
2. 让 num & a
*/
printfBinary("7置第 2 位为 0 ", 7 & ~(1 << 2));
/*
把连续多位同时置 0 (0位 1位 ...)
比如把 num 的第 1和2 位置 0
1. a = ~(3<<1)
2. 让 num & a
*/
printfBinary("7置第 1和2 位为 0 ", 7 & ~(3 << 1));
/*
把连续的多位同时置位 101 (二进制)
比如把 num 的第 1,2,3 位置为 101
1. num的 1,2,3位置为0
num &= ~(7<<1)
2. num |= (5 << 1); (5 = 101)
*/
unsigned char num = 13;
num &= ~(7 << 1);
num |= 5 << 1;
printfBinary("13", 13);
printfBinary("13的123位置为101 ", num);
}
通过这段代码可以发现,如果我们想要把特定位置为1,就要利用或运算。比如1000,我们要让他第1位变为1(这里说的第几位是以0开头),则要用或运算,即1000 | 0010,然后每一位对应做或运算,1|0->1,0|0->0,0|1->1,0|0->0,即变成1010 ,很明显这样就可以实现了。同时这里用的0010可以借助移位得到,即1<<1。整理一下就是1000 |= (1<<1),这里总结一个方法:置1位或,位1余0(如果要把特定位置1,就要让寄存器数据与一个数n做或运算,然后这个数n的取法就是让对应特定位的地方为1,其余给0即可)
同理,如果我们想要让特定位变成0,则就要做与运算。比如0011,要让第三位变成1,就要对其进行与操作,与谁做呢,就是与1011或,即0011&1011,0&1->0,0&0->1,1&1->1,1&1->1,这样结果就是0111,很明显实现了我们想要的操作。当然这个1011我们不好去找,所以这里还要用到取反的操作~,我们将100取反,就得到了1011,同时这个100也可以用移位得到,即1<<2。整理一下就是0011 &= ~(1<<2)。实际上就是为了让除了特定位以外的位全部置1,这样才好实现,当然了,这是一个技巧,记得了就好。所以总结一个方法:置0位与,位0余1(如果要把特定位置0,就要让寄存器数据与一个数n做与运算,然后这个数n的取法就是让对应特定位的地方为0,其余给1即可(这个过程我们也会用取反实现))
由此可以看出,利用位运算即可实现在不改变其他位的情况下修改特定位的值了,这样做能够更加精确化的修改寄存器中的数据,而不影响其他位的值的情况,更加合理了。
二、利用位运算优化代码
好,前面我们对位运算进行了大致的回忆和使用方法的总结,现在我们就来对代码进行优化。主要就是对表达式右边进行修改。
以点亮第一个LED灯为例

第一,开启时钟的时候,我们是要将寄存器数据二进制位的第二位置为1,其他不变,就是100。那么,我们想想,前面我们说置1位或,位1余0,好,那就是对原数据或一个...0100就行,同时100也可以写成1<<2,故代码修改后
// 开启时钟 第二位置为1,其他不变
RCC->APB2ENR |= (1<<2);
第二,配置GPIOA的工作模式部分

我们是让PA0端口变成最大速度的推挽输出模式,所以要让前四位变成0011。这时候就遇到一个问题,我们之前讲的都是修改一位,那么现在要修改四位,要怎么办呢?诶其实一样的,我们一位一位的修改不就好了。
从高向低位修改,首先看第3位,我们要置0,因为置0位与 位0余1,所以我们要让原数据与一个...110111,同时这个110111是由1000取反得到的,且1000是1<<3得到,因此代码可以写成这样:&= ~(1<<3)
同理再看第二位,也是要置0,那么由于置0位与 位0余1,所以我们要让原数据与一个...111011,同时111011是由100取反得到,且100可以表示成1<<2,因此代码可以写成 &= ~(1<<2)
同理再看第1位,这时候要置为1,那么由于置1位或 位1余0,所以我们要让原数据或一个10,且10可以表示成1<<1,所以代码可以写成 |= (1<<1)
同理再看第0位,也是要置1,那么由于置1位或 位1余0,因此我们让原数据或一个1即可(1也能写成1<<0),所以保证与前三段代码格式一致,这里就改成 |= (1<<0)
// 设置GPIOA的工作模式
GPIOA->CRL &= ~(1<<3) // 第三位置0
GPIOA->CRL &= ~(1<<2) // 第二位置0
GPIOA->CRL |= (1<<1) // 第一位置1
GPIOA->CRL |= (1<<0) // 第0位置1
第三,设置端口高低电平

因为我们要让LED-1灯亮,又连接LED-1灯的端口是PA0,所以我们只需修改端口输出寄存器中的数据的二进制第0位的值为0就好了。要让第0位置0,由于置0位与 位0余1,所以我们让原数据与一个...1110就好,由于...1110可以由1取反得到,所以代码可以写成 &= ~(1<<0)
// 设置PA0为低电平
GPIOA->ODR &= ~(1<<0); // 第0位置0
总的二次优化代码如下
#include<stm32f10x.h>int main(void)
{// 开启时钟 RCC->APB2ENR |= (1<<2);// 设置GPIOA的工作模式GPIOA->CRL &= ~(1<<3);GPIOA->CRL &= ~(1<<2);GPIOA->CRL |= (1<<1);GPIOA->CRL |= (1<<0);// 设置PA0为低电平GPIOA->ODR &= ~(1<<0);// 死循环保持状态while(1){}
}
三、测试优化代码
接下来就时在keil中测试了
点击编译,运行,下载

无错误
观察现象,很明显,黄灯确实亮了,说明本次优化代码没有问题!

四、结语
通过本次优化代码,我们再次加深了对位运算的理解,也了解到了其一个应用场景
这里实际上还有一个小地方可以简化代码,就是设置GPIOA工作模式地方,我们发现四段代码两两类似,其实咱可以两两合并,只需要用一个或就可以,即
// 设置GPIOA的工作模式
GPIOA->CRL &= ~(1<<3|1<<2)
GPIOA->CRL |= (1<<1|1<<0)
这样其实也是同样的意思,实际上就是利用或运算同时对两位进行修改,我们可自行尝试运行一下,效果是一样的
OK,这就是第二次的代码优化了,继续加油,拜拜
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