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