深入浅出,利用MATLAB的bitset与bitget函数高效处理二进制位操作

>bitset和bitget函数便是专门用于设置（置位）和获取二进制位值的利器，本文将详细介绍这两个函数的用法、语法、实例及其在实际应用中的价值。

理解二进制位操作的重要性

在处理数据时，我们有时并不需要关心整个数值的大小，而是关注其中特定位的状态（0或1）。

• 硬件寄存器控制：通过修改特定硬件寄存器的某一位来控制设备功能。
• 状态标志：用一个整数的不同位来表示多种不同的状态或选项。
• 数据压缩与编码：在某些压缩算法或编码方案中,数据以位为单位进行存储和传输。
• 图像处理：某些简单的图像处理操作可能涉及到像素值的二进制位修改。

MATLAB的bitset和bitget函数使得这些操作变得简洁高效。

bitget函数：获取指定位的值

bitget函数用于从一个整数数组中提取指定位的值（0或1）。

语法：

c = bitget(A, bit)

参数说明：

• A：输入的整数数组，可以是标量、向量、矩阵或多维数组，数据类型可以是uint8, uint16, uint32, uint64, int8, int16, int32, int64, single, 或 double（对于double，会先转换为整数）。
• bit：要获取的位的位置，位的位置从1开始，从最低有效位（LSB，最右边）数起。bit 1是最低位，bit 8是8位数的最高位（对于uint8）。

返回值：

• c：返回一个与A大小相同的数组，其中包含A中对应位置的指定位的值（0或1）。c的数据类型为logical。

示例：

% 定义一个8位无符号整数
A = uint8(23); % 二进制表示为 00010111
% 获取第1位（最低位）
bit1 = bitget(A, 1); % 结果为 1 (true)
% 获取第3位
bit3 = bitget(A, 3); % 结果为 1 (true)
% 获取第5位
bit5 = bitget(A, 5); % 结果为 0 (false)
% 获取第8位（最高位）
bit8 = bitget(A, 8); % 结果为 0 (false)
disp(['A = ', dec2bin(A)]);
disp(['Bit 1: ', num2str(bit1)]);
disp(['Bit 3: ', num2str(bit3)]);
disp(['Bit 5: ', num2str(bit5)]);
disp(['Bit 8: ', num2str(bit8)]);
% 对矩阵操作
B = [uint8(10), uint8(20); uint8(30), uint8(40)]; % 1010, 10100, 11110, 101000
bits_matrix = bitget(B, 4); % 获取每个数的第4位
disp('Matrix B''s 4th bit:');
disp(bits_matrix); % 结果为 [0, 1; 1, 0] (因为10(1010)的第4位是0, 20(10100)的第4位是1, ...)

bitset函数：设置指定位的值

bitset函数用于将一个整数数组中的指定位设置为给定的值（0或1）。

语法：

C = bitset(A, bit)
C = bitset(A, bit, v)

参数说明：

• A：输入的整数数组，数据类型同bitget。
• bit：要设置的位的位置,从1开始计数。
• v (可选)：要设置的位值，可以是0或1，如果省略v，则默认将该位设置为1（置位）。

返回值：

• C：返回一个新的数组，其中A的指定位被设置为v（或1）。C的数据类型通常与A相同。

示例：

% 定义一个8位无符号整数
A = uint8(23); % 二进制 00010111
% 将第1位设置为1（已经是1，结果不变）
C1 = bitset(A, 1);
disp(['After setting bit 1 to 1: ', dec2bin(C1)]); % 00010111
% 将第3位设置为0
C2 = bitset(A, 3, 0);
disp(['After setting bit 3 to 0: ', dec2bin(C2)]); % 00000111 (即7)
% 将第5位设置为1
C3 = bitset(A, 5, 1);
disp(['After setting bit 5 to 1: ', dec2bin(C3)]); % 00110111 (即55)
% 省略v，默认设置为1（置位）
C4 = bitset(A, 4); % 原第4位是0，设置为1
disp(['After setting bit 4 (default to 1): ', dec2bin(C4)]); % 00011111 (即31)
% 对矩阵操作
D = uint8(10); % 1010
D_matrix = bitset(D, [2, 3], [1, 0]); % 将第2位设为1，第3位设为0
disp('After setting bits of D:');
disp(dec2bin(D_matrix)); % 结果为1000 (即8)，因为10(1010) -> 第2位1变0? 等等，这里需要重新理解索引
% 更正：10的二进制是1010（4位数），bit1=0, bit2=1, bit3=0, bit4=1
% bitset(D, 2, 1): bit2原来是1，设为1，不变 -> 1010
% bitset(D, 3, 0): bit3原来是0，设为0，不变 -> 1010
% 所以结果还是10，如果D=uint8(2) (0010)，bitset(D,2,1) -> 0010 (bit2是1，设为1不变)，bitset(D,3,0)->0010
% 再例如 D = uint8(4) (0100)
% bitset(D, 1, 1) -> 0101 (5)
% bitset(D, 3, 0) -> 0000 (0)
% 正确的矩阵操作示例：
E = uint8([10, 20; 30, 40]); % 1010, 10100, 11110, 101000
E_set = bitset(E, 3, 1); % 将每个数的第3位都设置为1
disp('Matrix E after setting bit 3 to 1:');
disp(dec2bin(E_set));
% 10 (1010) -> bit3=0 -> 1 -> 1110 (14)
% 20 (10100) -> bit3=1 -> 1 -> 10100 (20)
% 30 (11110) -> bit3=1 -> 1 -> 11110 (30)
% 40 (101000) -> bit3=0 -> 1 -> 101010 (42)

bitset与bitget的协同应用

这两个函数常常结合使用，实现对二进制位的“读取-修改-写入”操作。

示例： 检查某一位是否为1,若不为1则置为1。

A = uint8(23); % 00010111
bit_pos = 4;
% 获取指定位
current_bit = bitget(A, bit_pos);
disp(['Current bit ', num2str(bit_pos), ' is: ', num2str(current_bit)]);
% 如果指定位为0，则将其设置为1
if ~current_bit
    A = bitset(A, bit_pos, 1);
    disp(['Bit ', num2str(bit_pos), ' was set to 1. New value: ', dec2bin(A)]);
else
    disp(['Bit ', num2str(bit_pos), ' is already 1. No change.']);
end

实际应用场景举例

1. 模拟硬件I/O端口控制： 假设一个8位的I/O端口，控制8个LED灯。1表示亮，