Bitn..... in C voor beginners.

© Harry Broeders.

Deze pagina is bestemd voor studenten van de Haagse Hogeschool - Academie voor Technology, Innovation & Society Delft.

Werktuigbouwkundig ingenieurs worden wel eens oneerbiedig aangesproken met de vakterm: "fietsenmaker". Zo bestaat er ook een vakterm voor E of TI ingenieurs die zich bezighouden met het programmeren van microcontrollers: bitn...... Op deze pagina wordt uitgelegd op welke manieren je met bitjes kunt spelen en hoe je dat in C (veilig ;-) moet doen.

Bitje veranderen.

De onderstaande voorbeelden veranderen een bitje in het PORTB register van de AVR ATmega32. Op het STK500 practicumbordje zijn de pinnen van poort B PB0 t/m PB7 verbonden met 8 ledjes (LED0 t/m LED7) zodat we meteen het resultaat van de bewerking kunnen zien. Het DDRB register moet dan wel geladen worden met 0xFF om alle pinnen van poort B op output te zetten. Denk eraan dat de LEDjes op het STK500 bord worden aangezet met een 0 en uitgezet met een 1.

Bitje setten.

Je kunt een bitje setten (1 maken) met behulp van een bitwise-or operator. Je moet het bitje dat je wilt setten or-en met 1 en de rest met 0. Om dus bijvoorbeeld pin PB3 één te maken moeten we PORTB or-en met het binaire getal: 00001000.

#include <avr/io.h>

int main(void) {
    DDRB = 0xFF; /* alle pinnen poort B op output */
    PORTB = 0x55; /* willekeurige test waarde op poort B */
    PORTB = PORTB | 0x08; /* alleen pin PB3 1 maken, de overige pinnen van poort B worden niet gewijzigd */
    while (1);
    return 0;
}

De regel:

    PORTB = PORTB | 0x08;

kun je ook verkorten tot:

    PORTB |= 0x08;

Let op! Er zit een groot verschil tussen de bitwise-or operator | en de logical-or operator ||. Bij de bitwise-or wordt de or bewerking bit-voor-bit uitgevoerd. 0x2c|0x09 is dus gelijk aan 0x2d. Zet de getallen even om naar het binaire talstelsel als je het niet meteen ziet. Bij de logical-or wordt het getal omgezet naar een logische (binaire) waarde (true of false). Daarna wordt de or bewerking uitgevoerd met als resultaat true (1) of false (0). 0x2c||0x09 is dus gelijk aan 0x01. Als in het bovenstaande programma de | operator vervangen wordt door de || operator wordt pin PB0 geset! Begrijp je dat?

Er is nog een verschil tussen de bitwise-or operator | en de logical-or operator ||. Bij de logical-or operator worden de operanden van links naar rechts uitgerekend en zodra het antwoord bekend is wordt de berekening gestopt. Dit wordt short-circuit evaluation genoemd. Bij de bitwise-or wordt de expressie altijd helemaal doorgerekend. Voorbeeld: Als de expressie fun1()||fun2() wordt uitgevoerd en fun1() geeft true terug dan wordt fun2() niet aangeroepen (het antwoord van de expressie is true). Als fun1()|fun2() wordt uitgevoerd dan worden fun1() en fun2() altijd beiden aangeroepen (ook als fun1() allemaal enen teruggeeft).

Er is nog een subtiel verschil. Bij de logical-or operator ligt de evaluatievolgorde van de operanden vast maar bij de bitwise-or niet. Voorbeeld: Als de expressie fun1()||fun2() wordt uitgevoerd wordt fun1() als eerste aangeroepen (fun2() wordt mogelijk helemaal niet aangeroepen). Als fun1()|fun2() wordt uitgevoerd dan is het compiler afhankelijk of eerst fun1() of eerst fun2() wordt aangeroepen (ze worden wel gegarandeerd beiden aangeroepen).

Bitje clearen.

Je kunt een bitje clearen (0 maken) met behulp van een bitwise-and operator. Je moet het bitje dat je wilt clearen and-en met 0 en de rest met 1. Om dus bijvoorbeeld pin PB3 nul te maken moeten we PORTB and-en met het binaire getal: 11110111.

#include <avr/io.h>

int main(void) {
    DDRB = 0xFF; /* alle pinnen poort B op output */
    PORTB = 0xAA; /* willekeurige test waarde op poort B */
    PORTB = PORTB & 0xF7; /* alleen pin PB3 0 maken, de overige pinnen van poort B worden niet gewijzigd */
    while (1);
    return 0;
}

De regel:

    PORTB = PORTB & 0xF7;

kun je ook verkorten tot:

    PORTB &= 0xF7;

Het is ook mogelijk om bij het clearen hetzelfde bitpatroon te gebruiken als bij het setten. Je moet dan de compiler zelf de inverse laten uitrekenen door middel van de bitwise-not ~ operator:

    PORTB &= ~0x08;

Let op! Er zit een groot verschil tussen de bitwise-and operator & en de logical-and operator &&. Bij de bitwise-and wordt de and bewerking bit-voor-bit uitgevoerd. 0x2c&0x09 is dus gelijk aan 0x08. Zet de getallen even om naar het binaire talstelsel als je het niet meteen ziet. Bij de logical-and wordt het getal omgezet naar een logische (binaire) waarde (true of false). Daarna wordt de and bewerking uitgevoerd met als resultaat true (1) of false (0). 0x2c&&0x09 is dus gelijk aan 0x01. Als in het bovenstaande programma de & operator vervangen wordt door de && operator dan wordt pin PB0 geset! Begrijp je dat?

Er is nog een verschil tussen de bitwise-and operator & en de logical-and operator &&. Bij de logical-and operator worden de operanden van links naar rechts uitgerekend en zodra het antwoord bekend is wordt de berekening gestopt. Dit wordt short-circuit evaluation genoemd. Bij de bitwise-and wordt de expressie altijd helemaal doorgerekend. Voorbeeld: Als de expressie fun1()&&fun2() wordt uitgevoerd en fun1() geeft false terug dan wordt fun2() niet aangeroepen (het antwoord van de expressie is false). Als fun1()&fun2() wordt uitgevoerd dan worden fun1() en fun2() altijd beiden aangeroepen (ook als fun1() allemaal nullen teruggeeft).

Er is nog een subtiel verschil. Bij de logical-and operator ligt de evaluatievolgorde van de operanden vast maar bij de bitwise-and niet. Voorbeeld: Als de expressie fun1()&&fun2() wordt uitgevoerd wordt fun1() als eerste aangeroepen (fun2() wordt mogelijk helemaal niet aangeroepen). Als fun1()&fun2() wordt uitgevoerd dan is het compiler afhankelijk of eerst fun1() of eerst fun2() wordt aangeroepen (ze worden wel gegarandeerd beiden aangeroepen).

Let op! Er zit een groot verschil tussen de bitwise-not operator ~ en de logical-not operator !. Bij de bitwise-not wordt de not bewerking bit-voor-bit uitgevoerd. ~0x2c is dus gelijk aan 0xd3. Zet de getallen even om naar het binaire talstelsel als je het niet meteen ziet. Bij de logical-not wordt het getal omgezet naar een logische (binaire) waarde (true of false). Daarna wordt de not bewerking uitgevoerd met als resultaat true (1) of false (0). !0x2c is dus gelijk aan 0x00.

Bitje flippen.

Je kunt een bitje flippen (inverteren) met behulp van een bitwise-exor operator. Je moet het bitje dat je wilt flippen exor-en met 1 en de rest met 0. Om dus bijvoorbeeld pin PB3 te inverteren moeten we PORTB exor-en met het binaire getal: 00001000.

#include <avr/io.h>

int main(void) {
    DDRB = 0xFF; /* alle pinnen poort B op output */
    PORTB = 0xAA; /* willekeurige test waarde op poort B */
    PORTB = PORTB ^ 0x08; /* alleen pin PB3 inverteren, de overige pinnen van poort B worden niet gewijzigd */
    while (1);
    return 0;
}

De regel:

    PORTB = PORTB ^0x08;

kun je ook verkorten tot:

    PORTB ^= 0x08;

Er bestaat in C vreemd genoeg geen logical-exor operator.

Meerdere bitjes veranderen.

Als je meerdere bitjes wilt setten, meerdere bitjes wilt clearen of meerdere bitjes te inverteren dan kun je dat doen door in het bitpatroon waarmee je respectievelijk de bitwise-or, bitwise-and of bitwise-exor uitvoert meerdere bitjes te setten.

In het onderstaande voorbeeld worden PB4 en PB2 geset, PB5 en PB1 gecleared en PB7, PB6 en PB0 geïnverteerd:

#include <avr/io.h>

int main(void) {
    DDRB = 0xFF; /* alle pinnen poort B op output */
    PORTB = 0x5A; /* willekeurige test waarde op poort B */
    PORTB |= 0x14; /* alleen PB4 en PB2 1 maken */
    PORTB &= ~0x22; /* alleen PB5 en PB1 0 maken */
    PORTB ^= 0xc1; /* alleen PB7, PB6 en PB0 inverteren */
    while (1);
    return 0;
}

Bitje testen.

De onderstaande voorbeelden testen een bitje in het PINA register van de AVR ATmega32. Op het STK500 practicumbordje zijn de pinnen van poort A PA0 t/m PA7 verbonden met 8 drukschakelaars (SW0 t/m SW7) zodat we de programma's eenvoudig kunnen testen. Als de test true oplevert worden de pinnen PB0 t/m PB6 één en pin PB7 nul gemaakt (ledje LED7 wordt als enige aangezet) en als de test false oplevert worden de pinnen PB1 t/m PB7 één en pin PB0 nul gemaakt (ledje LED0 wordt als enige aangezet) zodat we meteen het resultaat van de test kunnen zien. Het DDRA register moet dan wel geladen worden met 0x00 om alle pinnen van poort A op intput te zetten en het DDRB register moet geladen worden met 0xFF om alle pinnen van poort B op output te zetten. Denk eraan dat de drukschakelaars op het STK500 bord de pin 0 maken als de schakelaar wordt ingedrukt en de pin 1 maken als de schakelaar niet wordt ingedrukt.

Is het bitje 1?

Je kunt testen of een bitje 1 is door dit bitje te "isoleren" van de andere bitjes in de betreffende variabele. De overige bits worden gemaskeerd. Je kunt een bitje isoleren door een bitwise-and bewerking. Het volgende voorbeeld zal als schakelelaar SW3 niet ingedrukt is (pin PA3 is dan 1) alleen LED7 laten branden (PB7 is als enige pin van poort B nul) en anders (SW3 wel ingedrukt) alleen LED0 laten branden:

#include <avr/io.h>

int main(void) {
    DDRB = 0xFF;
    DDRA = 0x00;
    while (1) {
        if ((PINA & 0x08) == 0x08) {
            PORTB = 0x7F;
        }
        else {
            PORTB = 0xFE;
        }
    }
    return 0;
}

De extra haakjes in de if instructie zijn noodzakelijk omdat de bitwise-and operator & een lagere prioriteit heeft dan de vergelijkings operator ==.

De regel:

    if((PINA & 0x08) == 0x08) {

kun je ook verkorten tot:

    if(PINA & 0x08) {

De expressie (PINA & 0x08) geeft namelijk als resultaat 0x08 als pin PA3 één is en 0x00 als pin PA3 nul is. 0x08 is ongelijk aan nul en wordt dus gezien als de logische waarde true en 0x00 is gelijk aan nul en wordt dus gezien als de logische waarde false.

Is het bitje 0?

Je kunt testen of een bitje 0 is door dit bitje te "isoleren" van de andere bitjes in de betreffende variabele. De overige bits worden gemaskeerd. Je kunt een bitje isoleren door een bitwise-and bewerking. Het volgende voorbeeld zal als schakelelaar SW3 ingedrukt is (PA3 is dan 0) alleen LED7 laten branden en anders alleen LED0 laten branden:

#include <avr/io.h>

int main(void) {
    DDRB = 0xFF;
    DDRA = 0x00;
    while (1) {
        if ((PINA & 0x08) == 0x00) {
            PORTB = 0x7F;
        }
        else {
            PORTB = 0xFE;
        }
    }
    return 0;
}

De regel:
    if ((PINA & 0x08) == 0x00) {
kun je ook verkorten tot:
    if (!(PINA & 0x08)) {
of tot:
    if (~PINA & 0x08) {

De extra haakjes in de tweede if instructie zijn noodzakelijk omdat de bitwise-and operator & een lagere prioriteit heeft dan de logical-not operator !.

De expressie (PINA & 0x08) geeft namelijk als resultaat 0x00 als schakelaar PA3 nul is en 0x08 als schakelaar PA3 één is. 0x00 is gelijk aan nul en wordt dus gezien als de logische waarde false en 0x08 is ongelijk aan nul en wordt dus gezien als de logische waarde true. Als je deze logische waarde met een logical-not operator inverteert krijg je de waarde true als bit PA3 nul is en false als PA3 één is.

Je kunt ook eerst een bitwise-not uitvoeren op de uit PINA gelezen waarde. Alle bitjes (dus ook bitje PA3) worden dan geinverteerd. Hierna kan je dan op de hierboven beschreven manier testen of bitje 3 in de geïnverteerde waarde van PINA één is (~PINA & 0x08). Er zijn daarbij geen extra haakjes nodig omdat de bitwise-not operator een hogere prioriteit heeft dan de bitwise-and operator.

Meerdere bitjes testen.

Je kunt vaak meerdere bitjes met één bewerking testen door meerdere bitjes te isoleren.

In het onderstaande voorbeeld wordt alleen LED7 aangezet als PB5 één is en PB3 één is (dus als SW5 niet ingedrukt is en SW3 niet ingedrukt is). Als dit niet het geval is (SW5 of SW3 is ingedrukt of beiden zijn ingedrukt) dan wordt alleen LED0 aangezet.

#include <avr/io.h>

int main(void) {
    DDRB = 0xFF;
    DDRA = 0x00;
    while (1) {
        if ((PINA & 0x28) == 0x28) {
            PORTB = 0x7F;
        }
        else {
            PORTB = 0xFE;
        }
    }
    return 0;
}

De onderstaande waarheidstabel kan helpen bij het doorgronden van de werking van het bovenstaande programma:
SW5 SW3 PA5 PA3 PINA & 0x28 (PINA & 0x28) == 0x28 PORTB PB7 PB0 LED7 LED0
niet ingedrukt niet ingedrukt 1 1 0x28 true 0x7F 0 1 aan uit
niet ingedrukt wel ingedrukt 1 0 0x20 false 0xFE 1 0 uit aan
wel ingedrukt niet ingedrukt 0 1 0x08 false 0xFE 1 0 uit aan
wel ingedrukt wel ingedrukt 0 0 0x00 false 0xFE 1 0 uit aan

Let op! De regel:

    if((PINA & 0x28) == 0x28) {

kun je nu niet verkorten!

De regel:

    if(PINA & 0x28) {

geeft namelijk een heel ander resultaat. De expressie (PINA & 0x28) levert namelijk ook true op als alleen pin PA5 één is of alleen PA3 één is!

In het onderstaande voorbeeld wordt alleen LED7 aangezet als PA5 één is of PA3 één is (dus als SW5 niet ingedrukt is of SW3 niet ingedrukt is). Als dit niet het geval is (SW5 en SW5 zijn beiden ingedrukt) dan wordt alleen LED0 aangezet.

#include <avr/io.h>

int main(void) {
    DDRB = 0xFF;
    DDRA = 0x00;
    while (1) {
        if ((PINA & 0x28) != 0x00) {
            PORTB = 0x7F;
        }
        else {
            PORTB = 0xFE;
        }
    }
    return 0;
}

De onderstaande waarheidstabel kan helpen bij het doorgronden van de werking van het bovenstaande programma:
SW5 SW3 PA5 PA3 PINA & 0x28 (PINA & 0x28) != 0x00 PORTB PB7 PB0 LED7 LED0
niet ingedrukt niet ingedrukt 1 1 0x28 true 0x7F 0 1 aan uit
niet ingedrukt wel ingedrukt 1 0 0x20 true 0x7F 0 1 aan uit
wel ingedrukt niet ingedrukt 0 1 0x08 true 0x7F 0 1 aan uit
wel ingedrukt wel ingedrukt 0 0 0x00 false 0xFE 1 0 uit aan

De regel:

    if((PINA & 0x28) != 0x00) {

kun je verkorten tot:

    if(PINA & 0x28) {

De expressie (PINA & 0x28) levert namelijk ook true op als alleen pin PA5 één is of alleen PA3 één is.

Schuiven met bitjes.

In C zijn ook operatoren gedefinieerd waarmee je een bitpatroon kunt schuiven. Deze operatoren worden shift-operators genoemd en het zijn binaire operatoren (er zijn 2 operanden). De operator << schuift naar links en de operator >> naar rechts. Aan de linkerkant van de shift-operator staat het patroon dat verschoven moet worden en aan de rechterkant staat het aantal plaatsen wat geschoven moet worden, de zogenaamde shift-count.

In het onderstaande voorbeeld wordt het bitpatroon van de schakelaars ingelezen en 2 plaatsen naar links geschoven naar de leds gestuurd. Als op de schakelaars 0xBD staat (SW6 en SW1 zijn ingedrukt) zal op de leds dus 0xF4 verschijnen (LED0, LED1 en LED3 branden). Zet de getallen om naar het binaire talstelsel als je het niet meteen ziet.

#include <avr/io.h>

int main(void) {
    DDRB = 0xFF;
    DDRA = 0x00;
    while (1) {
        PORTB = PINA << 2;
    }
    return 0;
}

Er bestaat ook een <<= en een operator >>= waarmee schuiven en assignment gecombineerd kunnen worden. In het volgende programma wordt de waarde die op de schakelaars staat eerst ingelezen in een variabele en daarna drie plaatsen naar rechts geschoven:

#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

int main(void) {
    DDRB = 0xFF;
    DDRA = 0x00;
    while (1) {
        uint8_t b;
        b = PINA;
        b >>= 3;
        PORTB = b;
    }
    return 0;
}

Bij het schuiven naar links worden er altijd nullen ingeschoven. Schuiven van x plaatsen naar links komt overeen met vermenigvuldigen met 2x. Het onderstaande programma levert dus exact hetzelfde resultaat als het bovenstaande programma waarin 2 plaatsen naar links wordt geschoven:

#include <avr/io.h>

int main(void) {
    DDRB = 0xFF;
    DDRA = 0x00;
    while (1) {
        PORTB = PINA * 4;
    }
    return 0;
}

Bij schuiven naar rechts is het wat ingewikkelder.

Als het patroon unsigned is worden er ook nullen ingeschoven. Als de unsigned 8 bits waarde 0xBD twee plaatsen naar rechts wordt geschoven dan levert dat de waarde 0x4F op. Bij unsigned getallen komt x plaatsen schuiven naar rechts overeen met delen door 2x. De twee onderstaande programma's leveren dus exact hetzelfde resultaat:

#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

int main(void) {
    uint8_t b = 0xBD;
    b >>= 2;
    DDRB = 0xFF;
    PORTB = b;
    while (1);
    return 0;
}
#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

int main(void) {
    uint8_t b = 0xBD;
    b /= 4;
    DDRB = 0xFF;
    PORTB = b;
    while (1);
    return 0;
}

Als het patroon signed is wordt bij het inschuiven de tekenbit (bit7) gekopieerd. In het onderstaande voorbeeld wordt de 8 bits signed waarde 0xBD plaatsen naar rechts geschoven . Dit levert de waarde 0xEF op. Zet de getallen om naar het binaire talstelsel als je het niet meteen ziet.

#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

int main(void) {
    int8_t b = 0xBD;
    b >>= 2;
    DDRB = 0xFF;
    PORTB = b;
    while (1);
    return 0;
}

Bij negatieve signed getallen komt x plaatsen schuiven naar rechts ook overeen met delen door 2x maar is het resultaat vreemd genoeg niet hetzelfde als het resultaat van de / operator. Als je in het bovenstaande programma de schuifbewerking vervangt door een deling dan wordt de variabele b na de deeloperatie gelijk aan 0xF0.

#include <avr/io.h>
#include <stdint.h>

int main(void) {
    int8_t b = 0xBD;
    b /= 4;
    DDRB = 0xFF;
    PORTB = b;
    while (1);
    return 0;
}

Bij signed schuiven naar rechts is de rest (wat er wordt uitgeschoven) altijd positief bij signed delen is de rest negatief als het deeltal negatief is.

Bij delen met behulp van de >> operator: 0xBD gedeeld door 4 = 0xEF rest 0x01 (rest is wat er wordt uitgeschoven). In het signed two's complement talstelsel is dit dus decimaal: -67 gedeeld door 4 = -17 rest 1. Deze vorm van delen wordt "Euclidean division" genoemd: http://en.wikipedia.org/wiki/Euclidean_division .

Bij delen met behulp van de / operator: 0xBD gedeeld door 4 = 0xF0 rest 0xFD (rest kun je bepalen met de % operator). In het signed two's complement talstelsel is dit dus decimaal: -67 gedeeld door 4 = -16 rest -3. Deze manier van delen wordt "truncated division" genoemd: http://en.wikipedia.org/wiki/Modulo_operation.

Beide antwoorden zijn wiskundig correct. Want -17 * 4 + 1 = -67 en -16 * 4 + -3 = -67. Zie eventueel http://en.wikipedia.org/wiki/Remainder#The_case_of_general_integers .

Maskers en patronen samenstellen door een 1 naar links te schuiven.

Bij het manipuleren en testen van afzondere bits wordt vaak gebruik gemaakt van bitpatronen of maskers waarin slecht één positie een 1 voorkomt. Om bijvoorbeeld pin PB6 één te maken moeten we PORTB or-en met het binaire patroon: 01000000.

#include <avr/io.h>

int main(void) {
    DDRB = 0xFF;
    PORTB |= 0x40;
    while (1);
    return 0;
}

Je kunt het benodigde patroon ook uit laten rekenen door de compiler door de constante 1 zes plaatsen naar links te schuiven:

#include <avr/io.h>

int main(void) {
    DDRB = 0xFF;
    PORTB |= 1<<6;
    while (1);
    return 0;
}

De expressie 1<<6 wordt door de compiler uitgerekend en levert de waarde 0x40 op zodat beide programma's exact dezelfde machinecode opleveren. De meeste mensen vinden het tweede programma beter leesbaar omdat je meteen ziet dat bit 6 van PORTB geset wordt.

Als in het benodigde patroon meer dan 1 bit geset moeten worden dan kan dit door verschillende schuifexpressies met een bitwise-or met elkaar te combineren. In het onderstaande programma worden de pinnen PB6, PB4, PB2 en PB0 één gemaakt:

#include <avr/io.h>

int main(void) {
    DDRB = 0xFF;
    PORTB |= 1<<6 | 1<<4 | 1<<2 | 1<<0;
    while (1);
    return 0;
}

De regel:

    PORTB |= 1<<6 | 1<<4 | 1<<2 | 1<<0;

kan natuurlijk ook vervangen worden door:

    PORTB |= 0x55;

Dit is misschien minder duidelijk maar wel minder typewerk ;-).

In de headerfile avr/io.h zijn alle namen van de verschillende bitjes in de I/O registers van de AVR met #define gekoppeld aan hun bitnummer. Op deze manier kun je dus met behulp van een schuifoperatie bitjes manipuleren en testen zonder dat je het bitnummer hoeft te weten (je moet dan natuurlijk wel de naam van het bitje weten).

Als je bijvoorbeeld bij opdracht 2a wilt wachten tot het TOV1 bitje (Timer OVerflow 1 flag) in het TIFR register (TImer Flag Register) 1 wordt dan kan dit met de volgende C instructie:

    while ((TIFR & 1<<TOV1) == 0); /* wacht tot TOV1 is set */

Je hoeft dan dus niet te weten welk bitnummer het TOV1 bitje heeft.

In de file avr/io.h wordt gekeken naar het ingestelde type AVR microcontroller om te bepalen welke bitnamen aan welke bitnummers moeten worden gekoppeld. Het is dus van groot belang om bij de project opties het juiste AVR type, in ons geval de ATmega32, te selecteren.