C 设置位（位操作）

Question

我正在为工业 plc 编程，我必须操作位以与 VFD 进行 profi-bus 通信。我得到一个 2byte 状态并且必须发送 2byte 命令。对于此操作，我必须设置位以使 VFD 运行。例如：

                   Byte n+1           Byte n
PLC    -->  --------------------- ---------------   --> VFD
            15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
            ---------+--------- | | | | -+- | | +- 0: Reglersperre / Freigabe
                     |          | | | |  |  | +--- 1: Freigabe / Schnellstopp
                     |          | | | |  |  +----- 2: Freigabe / Halt
                     |          | | | |  +-------- 3..4: reserviert = 0
                     |          | | | +------------5: Parametersatz-Umschaltung
                     |          | | +------------- 6: Reset
                     |          | +--------------- 7: reserviert = 0
                     |          |
                     |          +----------------- 8: Lüften der Bremse ohne Antreibsfreigabe
                     +---------------------------- 9..15: reserviert = 0

所以我必须设置位 0 以将 VFD 设置为运行模式。然后我需要设置位 2 来启动驱动器。

现在我找到了一个 question，其中描述了位处理，我发现这个解决方案应该可行，但我不太明白。

有人可以解释为什么这有效或无效吗？

uint16_t change_bit(uint16_t command, unsigned int bit_nr, unsigned int val) {
  /* command = 2byte command; bit_nr = bit to manipulate;
     val = value bit should get (1;0) */
  command ^= (-val ^ command) & (1U  << bit_nr);
  return command;
}

Answer 1

这似乎可行，但它非常令人惊讶并且不太清楚。有人可以 "too clever"。更清晰的方法可能是：

uint16_t change_bit(uint16_t command, unsigned int bit, bool value)
{
  const uint16_t mask = 1u << bit;
  if(value)
    return command | mask;
  else
    return command & ~mask;
}

其中有一个跳转（if），但聪明的编译器可能会优化它。如果它不是对性能非常关键的代码，那么清晰度通常会更好。

请注意，在进行位级操作时，使用无符号类型通常是个好主意。

Answer 2

这确实是一个小修改而不分支的小技巧。这是假设您了解按位运算符如何工作的解释。

让我们从重新排列表达式开始

(-val ^ command) & (1 << bit_nr)

首先，让我们交换 -val 和 command

(command ^ -val) & (1 << bit_nr)

然后，应用分配律

(command & (1 << bit_nr)) ^ (-val & (1 << bit_nr))

现在，实现（假设二进制补码）如果 val 为 0，则 -val 为 0（未设置位），如果 val 为 1，则 -val 为 -1（设置所有位）

(command & (1 << bit_nr)) ^ (val ? (1 << bit_nr) : 0)

因此可以将赋值重写为 if 语句

if (val)
    command ^= (command & (1 << bit_nr)) ^ (1 << bit_nr);
else
    command ^= command & (1 << bit_nr);

如果 val 为 1，则位置 bit_nr 的位与其取反的值进行异或运算，该值始终设置该位。如果 val 为 0，则该位与自身进行异或运算，始终清除该位。所有其他位与 0 进行异或，使它们保持不变。

这是一个更具可读性的无分支版本，它将按位运算换成了移位：

uint16_t change_bit(uint16_t command, unsigned int bit_nr, unsigned int val) {
  // Always clear the bit.
  command &= ~(1u << bit_nr);
  // Set the bit if val == 1.
  command |= val << bit_nr;
  return command;
}

C 设置位（位操作）

C set a bit (bit manipulation)

c

bit-manipulation

plc