计算机系统的位运算与逻辑运算

一、位

1、定义

二进制数字系统中数据存储的最小单位，即每个二进制数0或1就称为位。位也叫比特(bit)，8个bit组成一个字节(byte)，每个字节表示程序中的某些文本字符。字长(word size)表征了CPU一次能并行处理的最多二进制位数，例如32位机一次最多能处理32个bit组成的单元。

2、表示方法

位的本质是二进制数。由于一个byte由8位构成，即00000000( 2 ) _{(2)}(2)​ ~ 11111111( 2 ) _{(2)}(2)​，这种表示方法很冗长。把8位二进制数转成十进制为0( 10 ) _{(10)}(10)​ ~ 255( 10 ) _{(10)}(10)​，虽然表示起来方便，但是二-十进制转换很麻烦。因此引入了十六进制表示法，原因在于十六进制表示8位二进制数很简洁而且二-十六进制可以快速转换。以0x或0X打头的数字常量一般就是十六进制数。

3、位向量

固定长度为w的由二进制代数组成的行向量称为位向量。位向量的逻辑运算是元素级的逻辑运算，例如a aa=[a ( w − 1 ) a_{(w-1)}a(w−1)​,a ( w − 2 ) a_{(w-2)}a(w−2)​,……,a 1 a_1a1​,a 0 a_0a0​]，b bb=[b ( w − 1 ) b_{(w-1)}b(w−1)​,b ( w − 2 ) b_{(w-2)}b(w−2)​,……,b 1 b_1b1​,b 0 b_0b0​]，那么这两个位向量的逻辑与运算就是a aa&b bb=[a ( w − 1 ) a_{(w-1)}a(w−1)​&b ( w − 1 ) b_{(w-1)}b(w−1)​,a ( w − 2 ) a_{(w-2)}a(w−2)​&b ( w − 2 ) b_{(w-2)}b(w−2)​,……,a 0 a_0a0​&b 0 b_0b0​]，注意此时的二进制代数视为表示逻辑真假的布尔代数。

任何“整型”数据类型都可以使用位运算。对于十六进制表示的字节进行位运算时，最好的方法是将十六进制转二进制，位运算后再转回十六进制，例如对char类型数据进行位运算。

4、位向量的应用

(1)表示有限集合

用位向量a aa=[a ( w − 1 ) a_{(w-1)}a(w−1)​,a ( w − 2 ) a_{(w-2)}a(w−2)​,……,a 1 a_1a1​,a 0 a_0a0​]编码任何子集A AA⊆{0,1,2……,w − 1 w-1w−1}，当且仅当i ii⊆A AA时a i a_iai​ = 1，于是用与或非就可以分别进行有限集合的交并补集运算

(2)位向量掩码(BitMask)

通过位向量运算，有选择地使能或屏蔽某些信号(或权限等)的位向量，称为位向量掩码。

例如，给出x xx=0x87654321，要求给出一个BitMask使其将除了x xx的最低有效字节外其余位都取补，而最低有效字节不变。于是我们可以给出a aa=~0xFF，然后将x xx与a aa异或运算即可实现目标。下面要总结几点：

①1^x 可以实现对x取反，0^x可以实现保持x不变

②上例位向量还可以是a aa = 0xFFFFFF00，然后直接进行x xx^a aa，但这样的缺点是代码的可移植性较差

5、移位运算

注意：

①位向量最高位为0时，算术右移与逻辑右移等价，因为把最高位视为符号位的话，有符号的正数和无符号数等价

②循环移位：若对于一个w位位向量，进行k≥w的移位运算，则此时位移量为k mod w，类似于循环队列的索引结构。但这种行为没有保证，编程时应尽可能保证k＜w

③移位的优先级较低，移位运算时要注意运算顺序

二、布尔代数

1、定义

将逻辑真定义为二进制数1，逻辑假定义为二进制数0，这种表示逻辑运算的二进制代数称为布尔代数。利用布尔代数可以很好地研究逻辑推理。

2、逻辑运算

3、位运算与逻辑运算的关系

可以看出位级逻辑运算是元素级的布尔逻辑运算，即每个位向量元素进行0-1逻辑运算；而命题逻辑运算是把整个字节看成一个整体，将所有的非0的参数看成逻辑真(1)，0看成逻辑假(0)，所以就命题本身而言可以不为布尔代数，执行逻辑运算时是把整体看成一个布尔代数，再进行相应的逻辑运算。

三、小结

本篇博客是对CSAPP这部分内容的一个总结和理解，参考资料也是这本书，作为小白第一次写博客，希望各位指出不足，相互交流