Би́товое поле (англ. bit field) в программировании — некоторое количество бит, расположенных последовательно в памяти, значение которых процессор не способен прочитать из-за особенностей аппаратной реализации.
Если требуется прочитать значение, записанное в ячейку памяти, процессор выполняет следующие действия:
Прочитанное значение равно значению, находящемуся в указанной ячейке памяти, и имеет размер, равный разрядности шины данных (размеру машинного слова).
Разрядность шины адреса определяет минимально адресуемый размер памяти. Контроллер памяти требует, чтобы адрес ячейки был выровнен по границе машинного слова.
Если разрядность (количество бит) значения, которое требуется прочитать (битового поля), не равна размеру машинного слова, после чтения машинного слова из памяти требуется выполнение дополнительных инструкций:
and
— операции «битовое И» (используется для записи значения 0 в биты слова, не входящие в битовое поле (или выбора бит по маске));shr
— логического сдвига бит вправо (используется для сдвига бит битового поля в младшие разряды машинного слова).Пример. Пусть:
and
в биты, не входящие в битовое поле, будут записаны значения 0. Результат:shr
биты битового поля будут сдвинуты слева направо так, чтобы младший бит битового поля стал младшим битом машинного слова. Результат:Если адрес значения, которое требуется прочитать из памяти, не выровнен по границе машинного слова, требуется выполнение дополнительных действий:
and
, shr
и shl
(сдвиг влево);or
— операции «битовое ИЛИ».Пример. Пусть:
and
в биты, не входящие в битовое поле, будут записаны значения 0. Результат:shr
биты второго машинного слова будут сдвинуты слева направо так, чтобы младший бит битового поля стал младшим битом машинного слова. С помощью инструкции shl
биты первого машинного слова будут сдвинуты справа налево так, чтобы освободить младшие разряды для бит второго машинного слова (для следующего шага). Результат:or
биты двух машинных слов будут «наложены» друг на друга. Результат:Описанные дополнительные действия могут выполняться:
Недостаток: дополнительные команды замедляют выполнение программы. Достоинство: при использовании битовых полей достигается максимально плотная упаковка информации.
Компиляторы, как правило, позволяют выполнять с битовыми полями только следующие операции:
Само битовое поле воспринимается компилятором как число без знака. Порядок расположения битовых полей в структуре данных зависит от аппаратной платформы и реализации компилятора: одни компиляторы размещают битовые поля, начиная с младших битов, а другие — начиная со старших.
Битовые поля применяются для максимально полной упаковки информации, если не важна скорость доступа к этой информации. Например, для увеличения пропускной способности канала при передаче информации по сети или для уменьшения размера информации при хранении. Также использование битовых полей оправдано, если процессор поддерживает специализированные инструкции для работы с битовыми полями, а компилятор использует эти инструкции при генерировании машинного кода.
Например, на машинах с 32-битовым словом все поля IPv4-пакета (кроме полей «адрес отправителя» и «адрес получателя») будут битовыми полями, так как их размер не равен 32 битам и их адреса не кратны 4 байтам. Если, в дополнение к этому, процессор поддерживает прямое чтение и запись 8- и 16-битовых чисел, битовыми полями будут только поля «версия», «размер заголовка», «DSCP», «ECN», флаги и «смещение фрагмента».
Пусть в одном байте находятся четыре битовых поля:
Номер бита | 7[* 1] | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0[* 2] |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Битовое поле | d | c | b | a | ||||
Значение восьмибитового числа x, составленного из битовых полей a, b, c и d, можно вычислить по формуле: (1).
Если a=1, b=0, c=2=102 и d=5=01012, число x будет равно .
Если процессор оперирует двоичными числами, формула (1) может быть оптимизирована. После замены операций «возведение в степень» на «логический сдвиг», «умножения» на «битовое ИЛИ» формула (1) примет вид:
x = ( d << 4 ) | ( c << 2 ) | ( b << 1 ) | a
Логический сдвиг двоичного числа эквивалентен умножению/делению на число, кратное степени двойки: 21=2, 22=4, 23=8 и т. д.
Получить значение v некоторого битового поля числа x можно двумя способами:
v = ( x & mask_1 ) >> offset
;v = ( x >> offset ) & mask_2
.При первом способе сначала выполняется операция «битовое И», затем — логический сдвиг вправо. При втором способе операции выполняются в обратном порядке. Константа mask_2 может быть получена из константы mask_1:mask_2 = mask_1 >> offset
.
offset — номер первого младшего бита битового поля v, показатель степени в формуле (1).
Для получения значения битового поля из числа x первым способом выполняют три операции:
Номер бита | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Маска для a | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Маска для b | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
Маска для c | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 |
Маска для d | 1 | 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Битовое поле | offset |
---|---|
a | 0 |
b | 1 |
c | 2 |
d | 4 |
Пример получения значения из битового поля c:
c = ( x & 00001100b ) >> 2
При втором способе:
Номер бита | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Маска для a | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Маска для b | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Маска для c | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
Маска для d | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Пример получения значения из битового поля c:
c = ( x >> 2 ) & 00000011b
Для младшего битового поля (поля a в данном примере) логический сдвиг на ноль разрядов не выполняется. Пример:
a = ( x & 00000001b ) >> 0
a = ( x >> 0 ) & 00000001b )
a = x & 00000001b
При втором способе для старшего поля (поля d в данном примере) логическое умножение не выполняется, так как операция логического сдвига вправо добавляет в число нулевые биты. Пример:
d = ( x >> 4 ) & 00001111b )
d = x >> 4
Для замены битового поля выполняют три операции:
Пример замены значения для битового поля d:
xnew = ( x & 00001111b ) | ( d << 4 )
Для работы с битовыми полями шириной в один бит существуют более простые методы.
Битовые поля a и b занимают по одному биту.
Для получения значения отдельного бита выполняют логическое умножение (операцию «битовое И») числа x на маску, у которой установлен один бит, соответствующий биту однобитового поля. Если результат равен 0, бит равен 0.
Пример получения значения однобитового поля b:
b = ( ( x & 00000010b ) != 0 )
Для проверки равенства единице одного или нескольких бит из группы берут маску, у которой в позициях проверяемых бит установлены единицы:
a_or_b = ( ( x & 00000011b ) != 0 )
Для проверки равенства единице всех бит из группы используют «побитовое И» и операцию «==»:
a_and_b = ( ( x & 00000011b ) == 00000011b )
Для установки битов выполняют логическое сложение (операцию «битовое ИЛИ») числа x с маской, у которой в позициях, соответствующих битовому полю, установлены единицы.
Пример установки бита однобитового поля a:
x1 = x | 00000001b
Для установки нескольких битов числа x, например, битов однобитовых полей a и b, используют маску, у которой в битах, соответствующих битам битовых полей, установлены единицы:
x2 = x | 00000011b
Для установки в один или несколько битов нулей число x операцией «битовое И» умножают на маску, у которой в позициях, соответствующих битовому полю, установлены нулевые биты.
Пример установки нулей в биты битового поля b:
x3 = x & 11111101b
Для изменения значения битов на противоположное (с 0 на 1 и с 1 на 0) число x операцией «битовое исключающее ИЛИ» складывают с маской, у которой в позициях, соответствующих позициям переключаемых битов, установлены единицы.
Пример изменения значений бит битового поля b:
x4 = x ^ 00000010b
В памяти компьютера целые отрицательные числа могут кодироваться одним из следующих способов:
Большинство современных процессоров реализуют третий способ. Рассмотрим двоичное представление нескольких целых чисел в дополнительном коде:
4 = 000001002 3 = 000000112 2 = 000000102 1 = 000000012 0 = 000000002 -1 = 111111112 -2 = 111111102 -3 = 111111012 -4 = 111111002 и т. д.
Пусть поля c и d имеют формат «дополнительный код». Тогда поле c может хранить числа от −2=102 до 1=012, а поле d — от −8=10002 до 7=01112.
Каждое из слагаемых (кроме старшего), чтобы оно не испортило более старшие разряды, требуется умножать на битовую маску соответствующей длины. В частности:
x = (d << 4) + ((c & 00000011b) << 2) + (b << 1) + a
Для извлечения чисел требуется сдвинуть поле на нужное количество битов вправо, заодно размножив знаковый бит. Например, для этого можно воспользоваться арифметическим сдвигом. Если x имеет длину 8 битов, то
c = (x << 4 ) >>a 6 d = x >>a 4
Внимание! В языке программирования Java всё наоборот: знаком >>
обозначается арифметический сдвиг, а знаком >>>
— логический.
Если арифметического сдвига нет, то…
c1 = x >> 2 если (c1 & 00000010b ≠ 0) то c = c1 | 0x11111100b иначе c = c1 & 0x00000011b
В языках C и C++ при объявлении (англ. declaration) битового поля используется символ двоеточия (:). После двоеточия указывается константное выражение, определяющее количество битов в битовом поле[1]. Пример:
struct rgb
{
unsigned r : 3;
unsigned g : 3;
unsigned b : 3;
};
Для улучшения этой статьи желательно: |
Данная страница на сайте WikiSort.ru содержит текст со страницы сайта "Википедия".
Если Вы хотите её отредактировать, то можете сделать это на странице редактирования в Википедии.
Если сделанные Вами правки не будут кем-нибудь удалены, то через несколько дней они появятся на сайте WikiSort.ru .