3.3. Операторы языка Си

Язык Си обладает некоторым набором операторов, которые представлены в табл. 3.2. Полное множество операторов разбито на пять групп: общие, арифметические, логические, битовые манипуляции, унарные.

Операторы общей группы предназначаются для записи выражений на языке Си. Арифметические операторы предназначены для выполнения математических действий над переменными, таких как сложение, вычитание, умножение и деление. Логические операторы используются в выражениях для определения истинности некоторого условия. Битовые операции предназначены для модификации одного или нескольких битов переменной. Унарные операции используются для выполнения действий только над одной переменной.

В первой колонке табл. 3.2. указан приоритет оператора в том случае, если выражение содержит сразу несколько операторов. Приведем примеры последовательности применения операторов.

Табл. 3.2. Операторы языка Си

Операторы общей группы. Круглые скобки из группы общих операторов используются для определения порядка выполнения действий над операндами. Допустим, в строке программы записано следующее выражение:

2 * 23 + 15

Оператор умножения имеет приоритет над оператором сложения, поэтому результат вычисления выражения будет равен 61. Какие изменения мы должны внести в выражение, если хотим сначала сложить 23 и 15, и лишь затем умножить сумму на 2? Для изменения порядка действий над операндами мы воспользуемся круглыми скобками:

2 * (23 + 15)

И результат вычислений станет равным 76.

Фигурные скобки следует использовать для объединения некоторого множества операторов в законченный смысловой блок, например в функцию или цикл «loop». Примеры использования фигурных скобок, а также других операторов из группы общих рассматриваются в разделе 3.4.

Операторы группы арифметических операций.  Рассмотрим последовательность выполнения действий над операндами при исполнении микроконтроллером следующего выражения:

Sum = 2 + 3;

Для вычисления значения переменной sum сначала реализуется оператор сложения «+», а затем оператор присваивания «=». В колонке 1 табл. 3.2 отражено, что оператор сложения имеет приоритет над оператором присваивания. При этом необходимо, чтобы переменная sum ранее была определена как int. Что произойдет в случае, если переменная sum ранее была объявлена как переменная другого типа, например float? После сложения результат будет преобразован к тому формату представления числа, который был объявлен при определении переменной sum.

Рассматриваемый пример может быть реализован с использованием другого синтаксиса:

num1 = 2;

num2 = 3;

sum = num1 + num2;

Подразумевается, что все упомянутые переменные num1, num2 и sum ранее были определены.

Операторы инкремента и декремента производят действия только над одной переменной. При этом, три приведенных ниже записи, отличаются синтаксисом выражения, но производят одинаковые действия:

number = number + 1;

number++;

++number;

Аналогично, три следующих записи реализуют операцию декремента, т.е. уменьшения на единицу переменной number.

number = number - 1;

number--;

--number;

Операция получения целочисленного остатка от деления 2%3 возвращает 2, так как целочисленное деление 2 на 3 не может быть произведено. Результат операции 14%3 также равен 2, поскольку результат целочисленного деления 14 на 3 равен 4 с остатком 2.

Операторы логической группы.  Операторы этой группы используются для определения условий, по которым реализуется ветвление алгоритма. Операторы логической группы возвращают в виде результата 1, если результат операции «правда», и 0, если результат операции «ложь». Допустим, мы хотим сравнить текущее значение некоторой переменной с пороговым значением 82. Для этого могут быть использованы операторы больше «>», меньше «<», больше или равно «>=», меньше или равно «<=», не равно «!=» или равно «==». Рассмотрим следующую запись на Си:

value = temperature > 82;

После исполнения приведенной строки программы переменной value будет присвоено значение 1 или 0. Уместно вспомнить, что логические операции имеют приоритет над операцией присваивания. Поскольку результатом «вычисления» выражения справа может быть только 0 или 1, то и переменная value должна быть ранее объявлена соответствующим образом.

Операторы группы битовых манипуляций.  Как было отмечено ранее, одним из преимуществ языка Си для программирования микроконтроллерных систем по сравнению с другими языками высокого уровня, является возможность непосредственного изменения данных в ячейках памяти, например с использованием оператором побитового логического И, ИЛИ и Исключающего ИЛИ. Самый простой пример применения операций сдвига это умножение и деление числа на число 2ⁿ. Рассмотрим результат выполнения следующих трех операторов:

number = 24;

new_number_one = number << 1;

new_number_two = number >> 1;

Допустим, что три используемые в примере переменные определены как int. В первой строке переменной number присваивается значение 24 в десятичной системе счисления. Это же значение в двоичной системе счисления будет равно 00000000 00011000. Результатом действия оператора «<<» будет сдвиг влево на один разряд значения переменной number, т.е. 00000000 00110000 или 48 в десятичной системе счисления. Это значение и будем присвоено переменной new_number_one. В третьей строке оператор «>>» реализует сдвиг вправо числа number. Получится новое двоичное число 00000000 00001100 или 12 в десятичной системе счисления. В результате, значение переменной new_number_one будет равно удвоенному значению переменной number, в то время как переменная new_number_two будет равна поделенному на 2 значению number. С использованием рассматриваемых операторов мы можем также выполнить сдвиг на несколько разрядов, тогда результат операции будет эквивалентен умножению или делению на 2ⁿ. Например, если n = 3, то после выполнения следующих трех операторов:

number = 24;

new_number_one = number << 3;

new_number_two = number >> 3;

значение переменной new_number_one будет равно 192 (двоичный код 00000000 11000000), а значение переменной new_number_two — 3 (двоичный код 00000000 00000011).

Рассмотрим два других логических оператора: поразрядное логическое И и поразрядное логическое ИЛИ.

Все числа, записанные в колонке «Пример», представлены в шестнадцатеричном коде, поскольку содержат префикс 0x. Унарный оператор * показывает, что действие будет производиться над содержимым ячейки памяти с физическим адресом, значение которого в шестнадцатеричном коде указано в скобках.

Результат операции логического И над двумя двоичными числами 01011100 и 11000111 будет равен :

  01011100

& 11000111

----------

  01000100

Результат операции логическое ИЛИ над теми же числами:

  01011100

| 11000111

----------

  11011111

В каких задачах управления используются эти логические операторы? В прикладных программах (т.е. программах управления) часто приходится изменять сигналы на отдельных линиях портов ввода/вывода. Регистры данных портов расположены по строго определенным в техническом описании физическим адресам. Так для того, чтобы сконфигурировать все линии порта PORT A на ввод, необходимо в регистр направления передачи порта DDRA (физический адрес 0x0002) записать все нули. Это может быть выполнено под управлением следующей строки:

*(unsigned char volatile*)(0х0002) = 0х00;

Если порт Port A настроен на вывод, то установить линию PTA7 в единицу без изменения состояния остальных линий порта можно посредством следующей записи:

PORTA |= 0х80; //установить PTA7

Выше использована сокращенная форма записи выражения:

PORTA = PORTA | 0х80; //установить PTA7

Выражение возвращает результат операции поразрядного логического ИЛИ числа 0x80 (10000000 в двоичной системе счисления) и содержимого порта PortA. После операции старший бит Port A будет установлен в 1, остальные биты останутся без изменения.

Аналогично, старший бит порта Port A может быть установлен в 0 (сброшен) посредством записи выражения:

PORTA &= ~0х80; //сбросить бит PTA7

Это выражение аналогично другому, более понятному для начального уровня освоения языка Си:

PORTA = PORTA & 0х7F; //сбросить бит PTA7

Для установки в 0 старшего разряда порта Port A содержимое порта побитно логически умножается на константу 0x7F (01111111 в двоичном коде). В результате старший бит становится равным 0, а остальные биты остаются без изменения. Запись ~0х80 в первом выражении предписывает перед выполнением операции логического И взять инверсию константы 0x80 (10000000), которая будет равна 0x7F (01111111). Вторая запись более понятна на начальном этапе программирования на Си, в то время как первая запись позволяет использовать одну и ту же константу в выражениях по установки и сбросу бита, что в практическом программировании удобно.

Операцию поразрядного логического И также следует использовать, если необходимо проверить, установлены или сброшены биты порта с определенными номерами. Например, приведенный ниже фрагмент программы производит чтение регистра данных порта Port A, логически умножает его содержимое на константу 0x81 и сравнивает полученный результат с нулем. Если условие равенства нулю выполняется, то это означает, что биты 7 и 0 порта Port A одновременно равны нулю, и следует выполнить действия, которые описаны операторами в фигурных скобках. Если хотя бы один бит PTA7 или PTA0 не равен нулю, то условие ((PORTA & 0х81) == 0) не выполняется, и операторы в фигурных скобках будут пропущены при исполнении.

if ((PORTA & 0x81) == 0) {

 :

}

В качестве примера использования оператора ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ приведем выражение для инвертирования значения бита 7 порта Port A:

PORTA ~= 0х80; //инвертировать бит PTA7

Операторы группы унарных операций. Поскольку операторы инкремента и декремента были рассмотрены выше, основное внимание уделим операторам указателя и косвенной адресации (см. табл. 3.2). Для иллюстрации действия этих операторов рассмотрим следующий пример. Определим три целочисленных переменных с именами num, address, и new_num:

int num, address, new_num;

Также предположим, что переменная num расположена в памяти по адресу 0x2000. Запишем следующее выражение:

address = &num;

Результатом исполнения выражения будет присвоение переменной address значения адреса переменной num, т.е. новое значение переменной address будет равно 0x2000.

Запишем новое выражение:

new_num = *address;

Результатом выполнения этого выражения будет присвоение переменной new_num значения, которое содержится в ячейке памяти, адрес которой равен текущему значению переменной address. Поскольку содержимое address равно 0x2000, т.е. адресу переменной num, то рассматриваемое выражение в нашем случае эквивалентно выражению:

new_num = num;

Несмотря на то, что в рассмотренных примерах используется корректный синтаксис, в стандарте ANSI C переменную, в которой будут храниться адреса, используемые в качестве указателей на ячейки памяти других переменных, следует определять следующим выражением:

int *address

Отличие от предыдущего способа определения состоит в том, что теперь компилятор самостоятельно определяет формат представления данных для переменной address, чтобы в этой переменной было бы возможно разместить численное значение адреса. Если бы в предыдущем случае программист ошибся и определил тип переменной address как char, то в процессе исполнения выражения address = &num возникла бы потеря информации. В последнем случае ошибка формата исключается.

Обсудим действие следующего выражения:

address = (int *) 0x1000;

Это выражение назначает ячейку памяти с адресом 0x1000 как указатель с именем address. Для того, чтобы извлечь содержимое ячеек памяти следует поместить оператор * перед именем address.