读懂每一个二进制位，
再用掩码控制它。

假设一个设备既要记录“准备完成”，又要记录“是否故障”和“指示灯是否打开”。可以使用三个变量，也可以让一个无符号数的三个二进制位分别表示它们。本课先练习普通变量中的位操作，逐步建立读懂外设寄存器的基础。

• 从最低位开始编号，读懂二进制位置与十六进制数值的关系。
• 解释 &、|、^、~ 并手算简单结果。
• 使用掩码完成设位、清位、翻转和测试；区分检查任意一位与全部指定位。
• 描述合法移位范围、整数提升及 & 和 && 的差异。

二进制每一位只能表示 0 或 1。从最低位开始编号：第 0 位权重是 1，第 1 位是 2，第 2 位是 4，依次乘 2。下面只画出低 8 位；整数实际宽度由类型和实现决定。

位编号：     7 6 5 4  3 2 1 0
位权重：   128 64 32 16  8 4 2 1
数值 5：     0 0 0 0  0 1 0 1
                           ↑   ↑
                         bit 2 bit 0

第 2 位和第 0 位为 1，因此数值是 4 + 1 = 5。十六进制每一位对应四个二进制位：低 8 位的 0000 0101 对应 0x05。C11 例程使用 0x05u 这类十六进制写法；上面的二进制位图只是说明，不依赖编译器对 0b 的扩展支持。

后缀 u 用于写无符号整数字面量。本课状态和掩码采用 unsigned int，避免把有符号数的负值移位规则混入基础练习。

创建 lesson11.c。先看三个掩码分别选中第几位，再预测每行结果。

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    unsigned int status = 0u;
    const unsigned int ready = 1u << 0;
    const unsigned int fault = 1u << 1;
    const unsigned int led = 1u << 2;

    status |= ready;
    status |= led;
    printf("set=0x%02X\n", status);
    printf("ready=%d, fault=%d\n",
           (status & ready) != 0u, (status & fault) != 0u);

    status &= ~ready;
    printf("clear=0x%02X\n", status);

    status ^= fault;
    printf("toggle=0x%02X\n", status);
    printf("selected=0x%02X\n", status & (fault | led));
    printf("low8_not_fault=0x%02X\n", (~fault) & 0xFFu);
    return 0;
}

gcc -std=c11 -Wall -Wextra lesson11.c -o lesson11.exe
./lesson11.exe

gcc -std=c11 -Wall -Wextra lesson11.c -o lesson11
./lesson11

%X 用大写十六进制输出 unsigned int；02 表示至少两位并在必要时补零，并不截断更大的结果。比较表达式的结果类型是 int，因此用 %d 输出 0 或 1。

set=0x05
ready=1, fault=0
clear=0x04
toggle=0x06
selected=0x06
low8_not_fault=0xFD

这里的 status 是普通局部变量，并不连接到 STM32 的任何外设。每次打印的是模拟计算结果。

下面的表针对两个输入位 A 与 B。按位操作会对整数对应位置逐位应用规则；它们只用于整数类型。

& 是按位与：两个位置都为 1 才得 1；| 是按位或：至少一个为 1 就得 1；^ 是异或：两位不同时得 1；~ 是按位取反：0 变 1，1 变 0。

低四位示意：  1010  (0xAu)
             & 1100  (0xCu)
             = 1000  (0x8u)

本页的位图用空格突出视觉分组；写进 C 程序时使用 0xAu & 0xCu。按位与的结果为 0x8u。

掩码是用 1 标出关注位置的整数。例如 1u << 2 的低位示意是 0000 0100，只选中第 2 位。把 status 想成一组状态，mask 想成要操作的位置：

例程设好 ready 和 led 后，低 8 位为 0000 0101；清除 ready 后变为 0000 0100；翻转 fault 后为 0000 0110。翻转同一位两次会回到原状态；设位和清位则分别把选中位固定成 1 和 0。

如果掩码选中多位，(status & mask) != 0u 判断至少一位为 1；(status & mask) == mask 判断所有选中位都为 1。后一种写法在 mask == 0u 时也为真，使用前要根据业务判断零掩码是否有意义。

1u << 2 把无符号 1 向左移两位，得到 4，即 0x04u。0x20u >> 2 将 32 向右移两位，得到 8；无符号右移从高位补零。

在 C11 中，移位数量为负，或大于等于整数提升之后左操作数类型的宽度，都会造成未定义行为。不能依靠某个处理器或编译器碰巧给出的结果。无符号整数左移的结果按该类型的无符号范围处理；有符号负数移位和有符号左移超出可表示范围有额外规则，不应套用本课的例子。

unsigned int 的范围至少能表示 0 到 65535，示例中的位编号 0、1、2 以及下面的 0–7 均在范围内。若位号来自外部数据，先验证再移位：

unsigned int bit_number = 5u;
if (bit_number < 8u) {
    unsigned int mask = 1u << bit_number;
    /* 在此安全使用低 8 位掩码 */
}

对更宽的位字段，需要根据所用类型和目标平台明确可用位数。sizeof(type) * CHAR_BIT 是存储所占的总位数，某些 C 实现允许存在填充位，不能一概把它当作无符号数的有效值位数。具体嵌入式工具链与芯片手册是最终依据。

位运算之前，unsigned char、unsigned short 等较窄整数可能先经过整数提升：如果 int 能表示其全部值，就提升为 int；否则提升为 unsigned int。因此对一个窄类型写 ~value 时，运算结果的类型和位数不一定仍是原来的窄类型。

主例程把 fault 定义为 unsigned int。~fault 会对该类型的位取反，而不是只翻转人眼画出的低 8 位。再与 0xFFu 做按位与，才选出低 8 位：(~fault) & 0xFFu 得到 0xFDu。

同样，uint8_t 若由所用实现提供，参与表达式时也要考虑整数提升；不要仅凭变量名字中的 8 推断中间表达式始终是 8 位。将结果保存回窄类型时还会发生类型转换，需要核对目标类型和预期。

& 比较每一个二进制位；&& 判断两个表达式是否都为真，并产生类型为 int 的 0 或 1。例如：

4u & 2u    /* 结果 0：0100 与 0010 没有共同的 1 */
4u && 2u   /* 结果 1：两个数都不是 0 */

&& 有短路规则：左侧为假时，不计算右侧；按位 & 需要计算两个操作数，并无同样的短路规则。检测某一位应写 (status & mask) != 0u，而不是 status && mask。

括号也很重要：status & mask == 0u 会先计算 mask == 0u，与预想的测试不同。明确写成 (status & mask) == 0u；遇到复杂表达式，优先让括号把计算顺序写清楚。

本课变量允许普通地读取、计算、写回，因此 |= 和 &= 等操作可按上面的规则理解。真实外设寄存器可能存在特殊语义：例如某些状态位采用“写 1 清除”，或读取和写入会触发硬件动作。对这种寄存器直接套用普通变量的读改写，可能清除其他事件或产生额外副作用。

在 STM32 上使用任何寄存器之前，先查具体芯片的参考手册和寄存器位说明，确认可读写属性、复位值、写入语义、并发访问与厂商推荐方法。volatile 不能自动保证一组读改写是原子的，也不能替代这些核对。

1. 独立运行例程，能画出从 0x05 到 0x04 再到 0x06 的低位变化。
2. 不看答案写出设位、清位、翻转、测试的四种写法，并解释多位掩码。
3. 说明为什么移位前必须确认位号，为什么窄整数参与表达式时要注意提升。
4. 区分 & 与 &&，说明真实寄存器为什么要先查手册。

• GNU C 手册 · 位运算 ↗按位与、或、异或和取反
• GNU C 手册 · 移位 ↗整数提升与移位
• GNU C 手册 · 逻辑运算 ↗真假值与短路
• GCC · 警告选项 ↗检查类型和格式警告

GNU 手册包含特定 GNU 实现的描述；可移植性判断应结合 C 标准和所用编译器。具体外设操作以芯片参考手册为准。