C语言位运算笔记

林峰
C语言进阶
13小时前
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C 语言位运算是嵌入式开发的基础能力。对于 STM32 来说，GPIO、UART、SPI、定时器等外设最终都是通过寄存器中的 bit 位来控制的。掌握位运算，才能真正理解 HAL 库背后的底层逻辑，并具备直接操作寄存器的能力。

💡 核心结论
嵌入式里最常见的 4 个动作就是：置位、清位、翻转、读位。

六大位运算符速览

运算符	名称	示例	说明
`&`	按位与	`a & b`	同 1 为 1，否则为 0
`\|`	按位或	`a \| b`	有 1 为 1，否则为 0
`^`	按位异或	`a ^ b`	不同为 1，相同为 0
`~`	按位取反	`~a`	0 变 1，1 变 0
`<<`	左移	`a << n`	各位左移 n 位，低位补 0
`>>`	右移	`a >> n`	各位右移 n 位，无符号数高位补 0

容易混淆的符号

写法	含义	别混成
`&`	按位与	`&&`（逻辑与）
`\\|`	按位或	`\\|\\|`（逻辑或）
`~`	按位取反	`!`（逻辑非）
`^`	按位异或	平方
`<<`	左移	`<`（小于）
`>>`	右移	`>`（大于）

x & y    // 按位与
x && y   // 逻辑与
x | y    // 按位或
x || y   // 逻辑或
~x       // 按位取反
!x       // 逻辑非
x ^ y    // 按位异或，不是平方

💡 速记：位运算是“按每一位算”，逻辑运算是“按真假算”。另外，C 语言里没有平方运算符，x^2 不是平方，平方应写成 x * x。

按位与 `&`：清零与检测

  0b10101111
& 0b00001111
= 0b00001111

可以把它理解为：与 0 清零，与 1 保留。

// 读取 GPIOA->IDR 第 3 位引脚状态
uint32_t pin_state = GPIOA->IDR & (1 << 3);

// 清除 PA5 的模式位
GPIOA->MODER &= ~(0x3 << (2 * 5));

ℹ️ 使用场景：检测某一位是否为 1、清除某几位、配合掩码提取字段。

按位或 `|`：置位

  0b10100000
| 0b00001111
= 0b10101111

可以把它理解为：或 1 置位，或 0 保留。

// 将 PA5 配置为输出模式
GPIOA->MODER |= (0x1 << (2 * 5));

// 使能 GPIOA 时钟
RCC->AHB1ENR |= (1 << 0);

按位异或 `^`：翻转

  0b10101010
^ 0b00001111
= 0b10100101

可以把它理解为：异或 1 翻转，异或 0 保留。

// 翻转 PA5 电平，实现 LED 闪烁
GPIOA->ODR ^= (1 << 5);

// 不用临时变量交换两个数
uint32_t a = 0xAA, b = 0x55;
a = a ^ b;
b = a ^ b;
a = a ^ b;

按位取反 `~`：构造清零掩码

~0b00001111 = 0b11110000

它最常见的用途不是“单独用”，而是和 & 配合实现清位。

GPIOA->MODER &= ~(0x3 << (2 * 5));

⚠️ 注意：~ 的结果宽度和变量类型有关。STM32 寄存器一般是 32 位，建议统一使用 uint32_t。

左移 `<<`：补 0，并且常常表示翻倍

1 << 0   // 0x01
1 << 3   // 0x08
1 << 7   // 0x80

左移就是把二进制整体往左挪，右边补 0。

对于无符号整数，左移 1 位可以近似理解为乘 2，左移 n 位可以近似理解为乘 2^n。

3 << 1   // 6
3 << 2   // 12

它在 STM32 里最常见的用途，是构造第 n 位掩码：

#define BIT(n) (1UL << (n))

RCC->AHB1ENR |= BIT(0);   // GPIOA
RCC->AHB1ENR |= BIT(1);   // GPIOB
RCC->AHB1ENR |= BIT(2);   // GPIOC

注意：<< 是移位运算符，不是比较大小的 <。

右移 `>>`：移到低位，并且常常表示减半

0b10000000 >> 3 = 0b00010000

右移就是把二进制整体往右挪。对 uint32_t 这类无符号数来说，左边补 0。

对于无符号整数，右移 1 位可以近似理解为除以 2，右移 n 位可以近似理解为除以 2^n。

8 >> 1   // 4
8 >> 2   // 2

右移常用于把高位字段移到低位，再配合掩码读取：

// 读取 GPIOA->MODER 中 PA5 的模式值
uint32_t mode = (GPIOA->MODER >> (2 * 5)) & 0x3;

⚠️ 注意：>> 是移位运算符，不是比较大小的 >。寄存器操作建议使用无符号类型，行为更稳定。

STM32 最常用的四种位操作

1. 置位

REG |= (1 << n);

2. 清位

REG &= ~(1 << n);

3. 翻转位

REG ^= (1 << n);

4. 读取位

if (REG & (1 << n)) {
    // 第 n 位为 1
}

📋 速记

|=：置 1
&= ~：清 0
^=：翻转
& mask：检测

修改多位字段的标准写法

改连续几位字段时，最标准的写法就是：先清后写。

REG &= ~(MASK << POS);   // 清掉目标字段
REG |=  (VALUE << POS);  // 写入新值

其中：

MASK：字段本身的掩码，例如 2 位字段就是 0x3
POS：字段起始位
VALUE：要写进去的新值

例如把 PA5 配置为输出模式（MODER[11:10] = 01）：

GPIOA->MODER &= ~(0x3 << (2 * 5));
GPIOA->MODER |=  (0x1 << (2 * 5));

为什么不能直接写 `|=`

因为多位字段原来可能不是 0。若不先清零，旧值可能残留，结果就错了。

字段读取 / 写入标准模板

字段操作最好成对记忆：读字段和写字段。

// 读取字段
value = (REG >> POS) & MASK;

// 写入字段
REG &= ~(MASK << POS);
REG |=  (VALUE << POS);

这样记最稳：读 = 右移再与，写 = 先清后写。

常见优先级陷阱

1. 位判断最好总是加括号

if (REG & (1 << n))        // 推荐
if ((REG & (1 << n)) != 0) // 更清晰

2. 不要写成下面这样

if (REG & 1 << n == 1)     // 容易错

因为这里混合了 &、<<、==，可读性很差，也容易误判。

3. 字段写入也建议给移位加括号

REG |= (VALUE << POS);     // 推荐
REG |= VALUE << POS;       // 不推荐

⚠️ 经验法则：只要一行里同时出现位运算、移位、比较，基本都应该主动加括号，不要赌自己记得优先级。

最常用速查

操作	标准写法
置第 n 位	`REG \\|= (1UL << n)`
清第 n 位	`REG &= ~(1UL << n)`
翻转第 n 位	`REG ^= (1UL << n)`
读第 n 位	`((REG >> n) & 1UL)`
读多位字段	`((REG >> POS) & MASK)`
写多位字段	`REG &= ~(MASK << POS); REG \\|= (VAL << POS);`