一、前言

在C语言中，位操作运算符是一种强大的工具，用于直接对整数进行二进制位级别的操作。这些运算符包括按位与(&)、按位或(|)、按位异或(^)、按位取反(~)、左移(<<)和右移(>>)。位操作在底层编程、图形处理、加密解密等领域有着广泛的应用。

（1）按位与(&)

按位与运算符比较两个操作数的每一位，如果两个相应的位都是1，则结果位为1；否则，结果位为0。

例如，考虑两个整数a=5(二进制为0101)和b=3(二进制为0011)，a&b的结果将是1(二进制为0001)。

（2）按位或(|)

按位或运算符比较两个操作数的每一位，如果两个相应的位中至少有一个是1，则结果位为1；否则，结果位为0。

例如，对于a=5(二进制为0101)和b=3(二进制为0011)，a|b的结果将是7(二进制为0111)。

（3）按位异或(^)

按位异或运算符比较两个操作数的每一位，如果两个相应的位不同，则结果位为1；否则，结果位为0。

例如，对于a=5(二进制为0101)和b=3(二进制为0011)，a^b的结果将是6(二进制为0110)。

（4）按位取反(~)

按位取反运算符将操作数的每一位进行反转，1变为0，0变为1。

例如，如果a=5(二进制为0101)，~a的结果将是-6(二进制为1010，考虑到C语言中整数的表示方式)。

（5）左移(<<)

左移运算符将操作数的二进制表示向左移动指定的位数，右边空出的位置用0填充。

例如，如果a=5(二进制为0101)，a<<1的结果将是10(二进制为1010)。

（6）右移(>>)

右移运算符将操作数的二进制表示向右移动指定的位数，左边空出的位置用符号位填充（对于无符号数，填充0）。

例如，如果a=5(二进制为0101)，a>>1的结果将是2(二进制为0010)。

位操作运算符在许多场景中都有应用，如硬件编程、数据压缩、加密算法等。理解和掌握它们能帮助你更高效地处理二进制数据和优化程序性能。

二、位运算的案例

（1）按位与(&)

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 5; // binary: 0101
    int b = 3; // binary: 0011
    int result = a & b; // binary: 0001, decimal: 1
    printf("Result of a & b is %d\n", result);
    return 0;
}

（2）按位或(|)

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 5; // binary: 0101
    int b = 3; // binary: 0011
    int result = a | b; // binary: 0111, decimal: 7
    printf("Result of a | b is %d\n", result);
    return 0;
}

（3）按位异或(^)

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 5; // binary: 0101
    int b = 3; // binary: 0011
    int result = a ^ b; // binary: 0110, decimal: 6
    printf("Result of a ^ b is %d\n", result);
    return 0;
}

（4）按位取反(~)

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 5; // binary: 0101
    int result = ~a; // binary: 1010, decimal: -6 (in two's complement)
    printf("Result of ~a is %d\n", result);
    return 0;
}

（5）左移(<<)

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 5; // binary: 0101
    int result = a << 1; // binary: 1010, decimal: 10
    printf("Result of a << 1 is %d\n", result);
    return 0;
}

（6）右移(>>)

#include <stdio.h>

int main() {
    int a = 5; // binary: 0101
    int result = a >> 1; // binary: 0010, decimal: 2
    printf("Result of a >> 1 is %d\n", result);
    return 0;
}

三、文件加密解密

以下是一个使用C语言和位运算来实现文件加密和解密的示例。在这个例子中，使用异或(XOR)运算符作为加密和解密的手段，因为XOR具有可逆性，即A XOR B XOR B = A。

首先，需要创建一个密钥，然后读取文件内容，对每一个字节进行XOR操作，最后将加密后的数据写入到新的文件中。同样的过程可以用于解密。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define KEY 0x5A // 定义密钥

void encryptFile(const char *inputFile, const char *outputFile) {
    FILE *in = fopen(inputFile, "rb");
    if (!in) {
        perror("Error opening input file");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    FILE *out = fopen(outputFile, "wb");
    if (!out) {
        perror("Error opening output file");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    unsigned char c;
    while ((c = fgetc(in)) != EOF) {
        fputc(c ^ KEY, out); // 加密
    }

    fclose(in);
    fclose(out);
}

void decryptFile(const char *inputFile, const char *outputFile) {
    FILE *in = fopen(inputFile, "rb");
    if (!in) {
        perror("Error opening input file");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    FILE *out = fopen(outputFile, "wb");
    if (!out) {
        perror("Error opening output file");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    unsigned char c;
    while ((c = fgetc(in)) != EOF) {
        fputc(c ^ KEY, out); // 解密，由于XOR的性质，加密和解密的过程是一样的
    }

    fclose(in);
    fclose(out);
}

int main() {
    encryptFile("test.txt", "encrypted.bin");
    decryptFile("encrypted.bin", "decrypted.txt");

    return 0;
}

在这个例子中，定义了一个密钥KEY，然后在encryptFile函数中，打开输入文件并读取每一个字节，然后使用XOR运算符将其与密钥进行异或操作，得到加密后的数据，再将加密后的数据写入到输出文件中。同样的，在decryptFile函数中，我们使用相同的密钥和XOR运算符对加密后的数据进行解密，得到原始的数据。

四、STM32单片机里位运算的应用

4.1 LED初始化

/*
函数功能: LED初始化
硬件连接: PA8 PD2
特性: 低电平点亮
*/
void LED_Init(void)
{
    //开时钟
    RCC->APB2ENR|=1<<2;
    RCC->APB2ENR|=1<<5;
    
    //配置GPIO口
    GPIOA->CRH&=0xFFFFFFF0;
    GPIOA->CRH|=0x00000003;
    GPIOD->CRL&=0xFFFFF0FF;
    GPIOD->CRL|=0x00000300;
    
    //上拉
    GPIOA->ODR|=1<<8;
    GPIOD->ODR|=1<<2;
}

在初始化LED的过程中，位运算符被广泛使用以精确控制寄存器的特定位。例如：

• RCC->APB2ENR |= 1<<2; 和 RCC->APB2ENR |= 1<<5; 这两行代码通过使用按位或运算符（|），将APB2时钟使能寄存器的相应位设置为1，从而开启了GPIOA和GPIOD的时钟。
• GPIOA->CRH &= 0xFFFFFFF0; 和 GPIOA->CRH |= 0x00000003; 这两行代码先使用按位与运算符（&）清除了GPIOA高速配置寄存器的低四位，然后再使用按位或运算符（|）设置了新的值，以配置PA8引脚的模式和速度。
• 同样地，GPIOD->CRL &= 0xFFFFF0FF; 和 GPIOD->CRL |= 0x00000300; 这两行代码用于配置PD2引脚。
• GPIOA->ODR |= 1<<8; 和 GPIOD->ODR |= 1<<2; 这两行代码通过使用按位或运算符（|）和左移运算符（<<），将GPIOA和GPIOD的输出数据寄存器的相应位设置为1，从而实现了上拉功能。

4.2 按键初始化

/*
函数功能:按键初始化
硬件连接:WEK_UP=PA0  按下高电平
k1=PC5 k2=PA15 按下低电平--IO口默认为低电平，需要上拉

*/
void KEY_Init(void)
{
    //开时钟
    RCC->APB2ENR|=1<<2;
    RCC->APB2ENR|=1<<4;
    
    //配置模式
    GPIOA->CRL&=0xFFFFFFF0;
    GPIOA->CRL|=0x00000008;
    
    GPIOA->CRH&=0x0FFFFFFF;
    GPIOA->CRH|=0x80000000;
        
    GPIOC->CRL&=0xFF0FFFFF;
    GPIOC->CRL|=0x00800000;
    
    GPIOC->ODR|=1<<5;
    GPIOA->ODR|=1<<15;
    
}

在按键初始化过程中，同样使用了位运算符来配置GPIO引脚：

• RCC->APB2ENR |= 1<<2; 和 RCC->APB2ENR |= 1<<4; 开启了GPIOA和GPIOC的时钟。
• 通过使用按位与运算符（&）和按位或运算符（|），修改了GPIOA和GPIOC的配置寄存器，以配置PA0、PA15和PC5引脚的模式和速度。
• GPIOC->ODR |= 1<<5; 和 GPIOA->ODR |= 1<<15; 这两行代码将GPIOC和GPIOA的输出数据寄存器的相应位设置为1，实现了上拉功能。

4.3 总结

位运算符在STM32单片机的编程中起着至关重要的作用，它们能够精确地控制硬件寄存器，从而实现对LED和按键等外设的初始化和控制。通过上述代码，可以看到位运算符如何被用来开启时钟、配置引脚模式和速度以及实现上拉功能。