18. Bitmanipulationen. Bitoperationen Bitmasken

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1 18. Bitmanipulationen Bitoperationen Bitmasken

2 Anwendung von Bits Statusanzeigen bei Ein-/Ausgabe (Stream-Klassen) Zugriffsrechte auf Dateien Maschinensteuerung/Gerätetreiber Status-/Steuerungsangaben für Anlagen Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

3 Bitoperatoren & bitweises UND bitweises ODER ^ bitweises exklusives ODER (XOR) ~ Komplement NICHT << Links-Shift >> Rechts-Shift Die Operanden müssen vom ganzzahligen Typ sein. Die Bitoperatoren sollte man nicht mit den logischen Operatoren && bzw. verwechseln, welche stets auf die gesamte Zahl wirken und nicht auf die einzelnen Bits. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

4 Wahrheitstafeln UND Ergebnis 0 & & & & 1 1 ODER Ergebnis XOR Ergebnis 0 ^ ^1 1 1 ^ ^ 1 0 NICHT Ergebnis ~0 1 ~0 1 Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

5 Aufgabe: Löschen von Bits Die Bits 3-7 und in einem Operanden sollen gelöscht werden. Erzeugung einer Maske, welche an den zu löschenden Bitpositionen 0 hat und ansonsten = E303 In C++: short maske=0xe303, operand=0xc1f1; Anwendung des UND-Operators operand =C1F1 ergebnis = operand & maske maske =E303 ergebnis =C101 Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

6 Aufgabe: Löschen von Bits Spezialfall: alle Bits bis auf eines sind 0 (maske hat nur 1 gesetztes Bit). Anwendung des UND-Operators operand =C1F1 ergebnis = operand & maske maske =0101 ergebnis =0100 Ergebnis: Das Bit an der entsprechenden Position im Operanden wird übernommen und alle anderen werden gelöscht. D.h. ist das Ergebnis 0, war dieses Bit 0, ist das Ergebnis ungleich 0, war das Bit 1. Damit können einzelne Bits geprüft werden. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

7 Aufgabe: Setzen von Bits Die Bits 0-2,8-9,13-15 in einem Operanden sollen gesetzt werden. Erzeugung einer Maske, welche an den zu setzenden Bitpositionen 1 hat und ansonsten = E303 In C++: short maske=0xe303, operand=0xc1f1; Anwendung des ODER-Operators operand =C1F1 ergebnis = operand maske maske =E303 ergebnis =E3F3 Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

8 Aufgabe: Invertieren von Bits Die Bits 0-2,8-9,13-15 in einem Operanden sollen invertiert werden. Erzeugung einer Maske, welche an den zu invertierenden Bitpositionen 1 hat und ansonsten = E303 In C++: short maske=0xe303, operand=0xc1f1; Anwendung des XOR-Operators operand =C1F1 ergebnis = operand ^ maske maske =E303 ergebnis =22F2 Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

9 Aufgabe: Invertieren aller Bits Anwendung des Nicht-Operators (anstelle der Variante mit einer Maske, in der alle Bitpositionen gesetzt sind + Anwendung des XOR-Operators) In C++: short operand=0xc1f1; ergebnis = ~operand operand =C1F1 ergebnis =3E0E Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

10 Zusammenfassung operand & maske operand maske operand ^ maske Alle Bits, die in maske 0 sind, werden gelöscht Alle Bits, die in maske 1 sind, werden gesetzt Alle Bits, die in maske 1 sind, werden invertiert ~ maske Alle Bits werden invertiert Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

11 Beispielprogramm #include <iomanip> #include<iostream> using namespace std; void main() { unsigned short operand=0xc1f1, maske=0xe303,ergebnis; // Bits loeschen ergebnis=maske & operand; cout << hex <<uppercase<< operand<<" & "<<maske<<" = "<< ergebnis <<endl; // Bits setzen ergebnis=maske operand; cout << operand<<" "<<maske<<" = "<< ergebnis <<endl; // Bits invertieren ergebnis=maske ^ operand; cout << operand<<" ^ "<<maske<<" = "<< ergebnis <<endl; // alle Bits invertieren ergebnis=~operand; cout << " ~ "<<operand<<" = "<< ergebnis <<endl; } Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

12 Links- und Rechts-Shift Die Shiftoperatoren << und >> verschieben die Bits des linken Operanden um die Anzahl Positionen, die im rechten Operanden angegeben sind. Die herausgeschobenen Bits gehen verloren, es wird mit 0 aufgefüllt. y = x >> 4; // es wird um 4 Bits nach rechts verschoben und mit links mit 0 // aufgefüllt. z = x << 8; // es wird um 8 Bits nach links verschoben und rechts mit 0 // aufgefüllt. Beispiel: x=0x0064; y=x>>4; //Ergebnis ist 0x0006 z=x<<8;//ergebnis ist jetzt 0x0600 Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

13 Bitstrukturen/Bitfelder Bitfelder werden als Datenelemente einer Klasse definiert. Beispiel: struct Feld { unsigned sensor1 : 1; unsigned sensor2 : 1; unsigned schalter1:1; unsigned :4; unsigned strom :1; unsinged status :4; unsigned id :4; } ; Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

14 Bitfelder Die Struktur besteht aus 16 Bits. Die ersten 3 Bitfelder sind sensor1,sensor2 und schalter1 und haben je 1 Bit. Die nächsten 4 Bits werden nicht genutzt; Danach folgt das Bitfeld strom (1 Bit), dann die Bitfelder status und id zu je 4 Bits. Deklaration: Feld geraet; Zugriff: if ( geraet.sensor1 )... geraet.strom=0; usw. Die Maximallaenge ist ein Speicherwort ( z.b. 4 Bytes) Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

15 Übungsaufgabe Es soll das Parity-Bit (für gerade Parity) einer Zahl bestimmt werden. Bei gerader Parity wird das Parity-Bit zu einem Datum so bestimmt, dass die Anzahl aller Bits inkl. dem Parity.Bit gerade ist. Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

16 Lösung Es soll das Parity-Bit einer Zahl bestimmt werden. Lösung mit Schleife int parity(unsigned short n) { unsigned short par=0; while ( n!=0 ) { par^=(n & 0x0001); n>>=1; } return par; } Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

17 Lösung Es soll das Parity-Bit einer Zahl bestimmt werden. Lösung mit Schleife int parity(unsigned short n) { unsigned short par=0; while ( n!=0 ) { par^=(n & 0x0001); n>>=1; } return par; } Lösung mit Rekursion? Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik

18 Lösung Es soll das Parity-Bit einer Zahl bestimmt werden. Lösung mit Rekursion int parity(unsigned short n) { if ( n==0 ) return 0; else return parity(n>>1) ^ (n&0x0001); } Dr. Norbert Spangler / Grundlagen der Informatik