Operações com bits na linguagem C MC404 2o semestre de 2015

A linguagem C foi criada em 1972 pelos desenvolvedores do sistema Unix (Ken Thompson e Dennis Ritchie) com o objetivo de nela escreverem o sistema operacional Unix (Linux é uma versão moderna do Unix e Ubuntu é uma distribuição popular).

Num sistema operacional operações de Entrada/Saída usam extensivamente manipulação de bits, por isto C dispõe de um conjunto compreensivo de operadores lógicos binários para este fim. Quando o segundo operando de uma operação lógica binária é uma constante ele é comumente chamado de "máscara". No que se segue suporemos que "variavel" foi declarada como "unsigned int": nesse caso o gcc usa 32 bits para armazenar a variavel.

• "or" | - faz o "ou" bit a bit dos operandos. Exemplo: variavel = variavel | 0x0f;
• "and" & - faz "and" bit a bit dos operandos. Exemplo: variavel = variavel & 0xf0;
• "xor" ^ - faz o "ou exclusivo bit a bit dos operandos. Exemplo: variavel = variavel ^ 0xffffffff;
• "deslocamento para a esquerda <<" - desloca á esquerda o 1^o operando do número de bits no segundo operando, inserindo bits 0 nos bits deslocados.
  Exemplo: variavel = variavel << 2;I (multiplica variavel por 4)
  Obs: (i) a expressão 1 << k gera uma máscara muito conveniente que é: "desloque a constante 1 k bits à esquerda" (k= 0..31). Exemplo de seu uso: "ligar o bit 17 de uma palavra" (variável): variavel = variavel | (1 << 17);
  (ii) a atribuição: variavel= -1; gera uma máscara com 32 bits iguais a 1 (0xFFFFFFFF).
• "deslocamento para a direita >>" - desloca á direita o 1^o operando do número de bits no segundo operando. Se o primeiro operando for do tipo unsigned int 0s são inseridos nos bits deslocados, mas se for do tipo int o sinal (bit mais significativo) é copiado nos bits deslocados.
  Exemplo: variavel = variavel >> 4; (divide variavel por 16)

Exercícios

1. Ligar/desligar o bit k (constante) de uma variável.
2. Inverter os bits de uma variável sem usar o operador ~.
3. Fazer o "ou" de uma variável dado um apontador para a mesma, com o valor de outra variável.
4. Fazer o "and" de uma variável dado um apontador para a mesma, com o valor de outra variável.
5. Multiplicar por 16 uma variável sem usar o operador de multiplicação *.
6. Dividir por 16 uma variável sem usar o operador de divisão /.
7. Ligar/desligar os n bits menos significativos de uma variável sem alterar os outros bits (n = constante (0-31)).Dica: a partir da máscara 0xffffffff (-1), gere uma máscara com os n bits menos sigificativos iguais a 0
8. Ligar/desligar os n bits mais significativos de uma variável sem alterar os outros bits (n = constante). Dica: - mesma do problema anterior.
9. Considere o campo de bits de uma variável localizado entre os n bits mais significativos e os n bits menos significativos:
   (i) desligue os bits desse campo sem alterar os outros bits.
   (ii) ligue os bits desse campo sem alterar os outros bits.
   Sugestão: use as duas máscaras dos dois problemas anteriores para gerar a máscara desejada.

Exercícios mais elaborados

1. ubfx(unsigned int * dest,unsigned int src, const int sbit, const int nbits) ( ubfx = unsigned bit field extract), com o objetivo de extrair da variavel src um campo de nbits a partir do bit sbit menos significativo (ou seja, incluindo os bits sbit, sbit+1, ...,sbit+nbits-1), e inseri-lo nos nbits menos significativos da variável dest, zerando os bits restantes da mesma.

2. sbfx(int * dest, int src, const int sbit, const int nbits) (signed bit field extract),
   semelhante ao anterior, porém o bit mais significativo do campo deve ser considerado como um bit de sinal e deve ser propagado para os 32-nbits mais significativos de dest.
   Dica: é possivel escrever as duas funções acima sem usar máscaras, apenas operações de deslocamento!

3. bfc(unsigned int * dest, const int sbit, const int nbits) (bit field clear):
   zerar os bits sbit a sbit+nbits-1 da variável dest, sem alterar os outros bits da variável
   Sugestão: crie duas máscaras apropriadas: m1=|1111111|sbits 0| e m2=|000000|nbits + sbits 1|. O seu uso deve, então, ficar claro.

4. bfi(unsigned int * dest, unsigned int src, const int sbit, const int nbits) - bit field insert:
   extrair um campo com os nbits menos significativos da variável src e inseri-lo na variavel dest a partir do bit sbit sem alterar os outros bits de dest Sugestão: utilize o problema anterior para zerar o campo desejado na variável dest e sem usar máscaras gere o campo apropriado a partir da variável src; o resto fica óbvio.