Склеить два байта в один
Добавил пользователь Alex Обновлено: 19.09.2024
Недавно застрял на простой задаче - преобразовать 16-ти битное слово в два байта, а потом обратно - два байта в 16 бит.
Чтоб не забыть в следующий раз.
Для xlow, младшего байта, делаем побитовое "И" с 0xFF, а для старшего байта xhigh делаем логический сдвиг вправо на восемь бит. В результате получим:
Что переводится на русский, как: присваиваем 16-ти битной переменной x xhigh. Сдвигаем влево на восемь разрядов. Производим побитовое "ИЛИ" с xlow, тем самым заполняя освободившиеся младшие восемь бит после сдвига.
Данный урок посвящён битовым операциям (операциям с битами, битовой математике, bitmath), из него вы узнаете, как оперировать с битами – элементарными ячейками памяти микроконтроллера. Мы уже сталкивались с битовыми операциями в уроке про регистры микроконтроллера, сейчас рассмотрим всё максимально подробно. Данная тема является одной из самых сложных для понимания в рамках данного курса уроков, так что давайте разберёмся, зачем вообще нужно уметь работать с битами:
- Гибкая и быстрая работа напрямую с регистрами микроконтроллера (в том числе для написания библиотек)
- Более эффективное хранение данных (упаковка нескольких значений в одну переменную и распаковка обратно)
- Хранение символов и другой информации для матричных дисплеев (упаковка в один байт)
- Максимально быстрые вычисления
- Работа со сдвиговыми регистрами и другими подобными железками
- Разбор чужого кода
Данный урок основан на оригинальном уроке по битовым операциям от Arduino, можете почитать его здесь – там всё описано чуть более подробно.
Двоичная система и хранение данных
| 2 в степени | DEC | BIN |
| 0 | 1 | 0b00000001 |
| 1 | 2 | 0b00000010 |
| 2 | 4 | 0b00000100 |
| 3 | 8 | 0b00001000 |
| 4 | 16 | 0b00010000 |
| 5 | 32 | 0b00100000 |
| 6 | 64 | 0b01000000 |
| 7 | 128 | 0b10000000 |
Таким образом, степень двойки явно “указывает” на номер бита в байте, считая справа налево (примечание: в других архитектурах может быть иначе). Напомню, что абсолютно неважно, в какой системе исчисления вы работаете – микроконтроллеру всё равно и он во всём видит единицы и нули. Если “сложить” полный байт в десятичном представлении битов, то мы получим как раз 255: 128+64+32+16+8+4+2+1 = 255. Нетрудно догадаться, что число 0b11000000 равно 128+64, то есть 192. Именно таким образом и получается весь диапазон от 0 до 255, который умещается в один байт. Если взять два байта – будет всё то же самое, просто ячеек будет 16, то же самое для 4 байт – 32 ячейки с единицами и нулями, каждая имеет свой номер согласно степени двойки. Давайте начнём манипуляции с битами с самого простого – с макро-функций, которые идут “в комплекте” с ядром Arduino.
Макросы для манипуляций с битами
В “библиотеке” Arduino.h есть несколько удобных макросов, которые позволяют включать и выключать биты в байте:
| Макросы Arduino.h | Действие |
| bitRead(value, bit) | Читает бит под номером bit в числе value |
| bitSet(value, bit) | Включает (ставит 1) бит под номером bit в числе value |
| bitClear(value, bit) | Выключает (ставит 0) бит под номером bit в числе value |
| bitWrite(value, bit, bitvalue) | Ставит бит под номером bit в состояние bitvalue (0 или 1) в числе value |
| bit(bit) | Возвращает 2 в степени bit |
| Другие встроенные макросы | |
| _BV(bit) | Возвращает 2 в степени bit |
| bit_is_set(value, bit) | Проверка на включенность (1) бита bit в числе value |
| bit_is_clear(value, bit) | Проверка на выключенность (0) бита bit в числе value |
Есть ещё макрос _BV() , который сидит в других файлах ядра и в целом является стандартным макросом для других платформ и компиляторов, он делает то же самое, что bit(b) – возвращает 2 в степени b Также в ядре Arduino есть ещё два макроса для проверки состояния бита в байте, bit_is_set() и bit_is_clear() , их удобно использовать для условных конструкций с if . В целом этого уже достаточно для полноценной работы с регистрами. Так как это именно макросы, они работают максимально быстро и ничуть не хуже написанных вручную элементарных битовых операций. Чуть ниже мы разберём содержимое этих макросов и увидим, как они работают, а пока познакомимся с элементарными логическими операциями.
Битовые операции
Переходим к более сложным вещам. На самом деле они максимально просты для микроконтроллера, настолько просты, что выполняются за один такт. При частоте 16 МГц (большинство плат Arduino) одна операция занимает 0.0625 микросекунды.
Битовое И
И (AND), оно же “логическое умножение”, выполняется оператором & или and и возвращает следующее:
Основное применение операции И – битовая маска. Позволяет “взять” из байта только указанные биты:
То есть при помощи & мы взяли из байта 0b11001100 только биты 10000111, а именно – 0b11001100, и получили 0b10000100 Также можно использовать составной оператор &=
Битовое ИЛИ
ИЛИ (OR), оно же “логическое сложение”, выполняется оператором | или or и возвращает следующее:
Основное применение операции ИЛИ – установка бита в байте:
Также можно использовать составной оператор |=
Вы уже поняли, что указывать на нужные биты можно любым удобным способом: в бинарном виде (0b00000001 – нулевой бит), в десятичном виде (16 – четвёртый бит) или при помощи макросов bit() или _BV() ( bit(7) даёт 128 или 0b10000000, _BV(7) делает то же самое)
Битовое НЕ
Битовая операция НЕ (NOT) выполняется оператором ~ и просто инвертирует бит:
Также она может инвертировать байт:
Битовое исключающее ИЛИ
Битовая операция исключающее ИЛИ (XOR) выполняется оператором ^ или xor и делает следующее:
Данная операция обычно используется для инвертирования состояния отдельного бита:
То есть мы взяли бит №7 в байте 0b11001100 и перевернули его в 0, получилось 0b01001100, остальные биты не трогали.
Битовый сдвиг
Битовый сдвиг – очень мощный оператор, позволяет буквально “двигать” биты в байте вправо и влево при помощи операторов >> и , и соответственно составных >>= и Если биты выходят за границы блока (8 бит, 16 бит или 32 бита) – они теряются.
Битовый сдвиг делает не что иное, как умножает или делит байт на 2 в степени. Да, это операция деления, выполняющаяся за один такт процессора! К этому мы ещё вернёмся ниже. Посмотрите на работу оператора сдвига и сравните её с макросами bit() и _BV() :
Да, это возведение двойки в степень! Важный момент: при сдвиге дальше, чем на 15, нужно преобразовывать тип данных, например в ul: 1 даст результат 0 , потому что сдвиг выполняется в ячейке int (как при умножении, помните?). Но если мы напишем 1ul – результат будет верный.
Включаем-выключаем
Вспомним пример из пункта про битовое ИЛИ, про установку нужного бита. Вот эти варианты кода делают одно и то же:
Как насчёт установки нескольких бит сразу?
Или прицельного выключения бит? Тут чуть по-другому, используя &= и ~
Выключить несколько бит сразу? Пожалуйста!
Именно такие конструкции встречаются в коде высокого уровня и библиотеках, именно так производится работа с регистрами микроконтроллера. Вернёмся к устройству Ардуиновских макросов:
Я думаю, комментарии излишни: макросы состоят из тех же элементарных битовых операций и сдвигов!
Быстрые вычисления
Как я уже говорил, битовые операции – самые быстрые. Если требуется максимальная скорость вычислений – их можно оптимизировать и подогнать под “степени двойки”, но иногда компилятор делает это сам, подробнее смотри в уроке про оптимизацию кода. Рассмотрим базовые операции:
- Деление на 2^n – сдвиг вправо на n . Например, val / 8 можно записать как val >> 3 . Компилятор не оптимизирует деление самостоятельно, что позволяет ускорить данную операцию приблизительно в 15 раз при ручной оптимизации.
- Умножение на 2^n – сдвиг влево на n . Например, val * 8 можно записать как val . Компилятор оптимизирует умножение самостоятельно, поэтому в ручной оптимизации нет смысла. Но можно встретить в чужих исходниках.
- Остаток от деления на 2^n – битовая маска на n младших битов. Например, val % 8 можно записать как val & 0b111 . Компилятор оптимизирует такие операции самостоятельно, поэтому в ручной оптимизации нет смысла. Но можно встретить в чужих исходниках.
Примечание: рассмотренные выше операции работают только с целочисленными типами данных!
Экономия памяти
При помощи битовых операций можно экономить немного памяти, пакуя данные в блоки. Например, переменная типа boolean занимает в памяти 8 бит, хотя принимает только 0 и 1. В один байт можно запаковать 8 логических переменных, например вот так:
Хороший трюк, может пригодиться! Я сделал удобную библиотеку для хранения битовых флагов, документация и примеры есть здесь.
Ещё интересный пример сжатия
Таким же способом можно паковать любые другие данные других размеров для удобного хранения или сжатия. Как пример – моя библиотека microLED, в которой используется следующий алгоритм: изначально необходимо хранить в памяти три цвета для каждого светодиода, каждый цвет имеет глубину 8 бит, т.е. в общей сложности тратится 3 байта на один светодиод RRRRRRRR GGGGGGGG BBBBBBBB. Для экономии места и удобства хранения можно сжать эти три байта в два (тип данных int ), потеряв несколько оттенков результирующего цвета. Например вот так: RRRRRGGG GGGBBBBB. Сожмём и упакуем: есть три переменные каждого цвета, r , g , b :
Таким образом мы отбросили у красного и синего младшие (правые) биты, в этом и заключается сжатие. Чем больше битов отброшено – тем менее точно получится “разжать” число. Например сжимали число 0b10101010 (170 в десятичной) на три бита, при сжатии получили 0b10101000, т.е. потеряли три младших бита, и в десятичной уже получится 168. Для упаковки используется битовый сдвиг и маска, таким образом мы берём первые пять битов красного, шесть зелёного и пять синего, и задвигаем на нужные места в результирующей 16-битной переменной. Всё, цвет сжат и его можно хранить. Для распаковки используется обратная операция: выбираем при помощи маски нужные биты и сдвигаем их обратно в байт:
Таким образом можно сжимать, разжимать и просто хранить маленькие данные в стандартных типах данных. Давайте ещё пример: нужно максимально компактно хранить несколько чисел в диапазоне от 0 до 3, то есть в бинарном представлении это 0b00 , 0b01 , 0b10 и 0b11 . Видим, что в один байт можно запихнуть 4 таких числа (максимальное занимает два бита). Запихиваем:
Как и в примере со светодиодами, мы просто брали нужные биты ( в этом случае младшие два, 0b11 ) и сдвигали их на нужное расстояние. Для распаковки делаем в обратном порядке:
И получим обратно наши байты. Также маску можно заменить на более удобную для работы запись, задвинув 0b11 на нужное расстояние:
Ну и теперь, проследив закономерность, можно сделать для себя функцию или макрос чтения пакета:
Где x это пакет, а y – порядковый номер запакованного значения. Выведем посмотрим:
“Трюки” с битами
На битовых операциях можно сделать очень много всего интересного, и работать оно будет очень быстро и занимать мало места. Огромный список битовых трюков и хаков можно посмотреть в этой статье, их там очень много и все с примерами. Есть ещё один небольшой сборник самых простых и полезных хаков вот здесь (английский). Его я перевёл, смотрите ниже под спойлером. Другой вариант перевода (могут быть не все трюки) можно посмотреть здесь.
Перемотка бита
Забавный алгоритм, может пригодиться: перематывает один бит слева направо, то есть формирует последовательность 0b10000000, 0b01000000, 0b00100000, 0b00010000, 0b00001000, 0b00000100, 0b00000010, 0b00000001, 0b10000000 , или 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1, 128
Целые
Установка n го бита
Выключение n го бита
Инверсия n го бита
Округление до ближайшей степени двойки
Округление вниз
Получение максимального целого
Получение минимального целого
Получение максимального long
Умножение на 2
Деление на 2
Умножение на m ую степень двойки
Деление на m ую степень двойки
Остаток от деления
Проверка равенства
Проверка на чётность (кратность 2)
Обмен значениями
Получение абсолютного значения
Максимум из двух
Минимум из двух
Проверка на одинаковый знак
Смена знака
Вернёт 2 n
Является ли число степенью 2
Остаток от деления на 2 n на m
Среднее арифметическое
Получить m ый бит из n (от младшего к старшему)
Получить m ый бит из n (от старшего к младшему)
Проверить включен ли n ый бит
Выделение самого правого включенного бита
Выделение самого правого выключенного бита
Выделение правого включенного бита
Выделение правого выключенного бита
n + 1
n – 1
Получение отрицательного значения
if (x == a) x = b; if (x == b) x = a;
Поменять смежные биты
Different rightmost bit of numbers m & n
Common rightmost bit of numbers m & n
Десятичные дроби
Примечание: хаки с float могут не работать на Ардуино! Разбить float в массив бит (unsigned uint32_t)
Честно говоря, мне сгодился бы любой способ. А еще лучше посоветовать лит-ру, ибо я хочу в этом разобраться.
Это вы пока так думаете, что любой.
Способ целиком определяется исходной задачей, а задачу Вы не указываете.
Я, например, могу предложить объединять байты вперемешку через бит. Но, боюсь, Вы столкнетесь в какой-нибудь несовместимостью, если воспользуетесь этим предложением.
Поэтому напишите, для чего это Вам нужно, а мы попытаемся подобрать способ наиболее подходящий для Вашей задачи.
Как склеить два массива типа byte *(в массивах не строки, а БАЙТЫ) ? К первому приклеить второй. С++.
Да блин не копировать надо, а склеивать. Ладно вопрос снимается, вроде мысля созрела как это замутить в ручную.
using namespace std;
// два массива в третий нужного размера
// иначе опять какие-нибудь проблемы с памятью получишь
int n = sizeof(a) + sizeof(b);
char *r = new char[n];
copy(a, a + sizeof(a), r);
copy(b, b + sizeof(b), r + sizeof(a));
copy(r, r + n, ostream_iterator (cout));
cout va(a, a + sizeof(a));
vector vb(b, b + sizeof(b));
Читайте также: