Программируем Arduino

Взаимодействие по интерфейсу SPI часто связано с выполнением большого объема операций с отдельными битами. Первый пример, демонстрирующий использование АЦП на основе микросхемы MCP3008, в частности, требует хорошего понимания битовых операций и того, как маскировать ненужные биты, чтобы получить целое значение при чтении аналогового сигнала. По этой причине, прежде чем погружаться в особенности работы SPI, я хочу подробно поговорить об операциях с битами.

Двоичное и шестнадцатеричное представление

Впервые с битами мы встретились в главе 4 (см. рис. 4.2). Оперируя битами в байте или в слове (два байта), можно использовать их десятичные значения, но выполнять мысленно преобразования между двоичным и десятичным представлениями очень неудобно. Поэтому в скетчах для Arduino значения часто выражаются в виде двоичных констант, для чего поддерживается специальный синтаксис:

byte x = 0b00000011; // 3

unsigned int y = 0b0000000000000011; // 3

В первой строке определяется байт с десятичным значением 3 (2 + 1). Ведущие нули при желании можно опустить, но они служат отличным напоминанием о том, что определяется 8-битное значение.

Во второй строке определяется значение типа int, состоящее из 16 бит. Квалификатор unsigned перед именем типа int указывает, что определяемая переменная может хранить только положительные числа. Этот квалификатор имеет значение лишь для операций с переменной, таких как +, –, * и др., которые не должны применяться, если переменная предназначена для манипуляций с битами. Но добавление слова unsigned в определения таких переменных считается хорошей практикой.

Когда дело доходит до 16-битных значений, двоичное представление становится слишком громоздким. По этой причине многие предпочитают использовать шестнадцатеричную форму записи.

Шестнадцатеричные числа — это числа в системе счисления с основанием 16, для обозначения цифр в этой системе используются не только десятичные цифры от 0 до 9, но и буквы от A до F, представляющие десятичные значения от 10 до 15. В этом представлении каждые четыре бита числа можно представить единственной шестнадцатеричной цифрой. В табл. 9.1 перечислены десятичные значения от 0 до 15 и показаны их двоичные и шестнадцатеричные представления.

Таблица 9.1. Двоичные и шестнадцатеричные числа

Десятичное значение	Двоичное значение	Шестнадцатеричное значение
0	0000	0
1	0001	1
2	0010	2
3	0011	3
4	0100	4
5	0101	5
6	0110	6
7	0111	7
8	1000	8
9	1001	9
10	1010	A
11	1011	B
12	1100	C
13	1101	D
14	1110	E
15	1111	F

Шестнадцатеричные константы, как и двоичные, имеют специальную форму записи:

int x = 0x0003; // 3

int y = 0x010F; // 271 (256 + 15)

Эту форму записи используют не только в программном коде на C, но и в документации, чтобы показать, что число является шестнадцатеричным, а не десятичным.

Маскирование битов

Нередко при приеме данных от периферийных устройств, независимо от вида связи, данные поступают упакованными в байты, в которых часть битов может нести служебную информацию. Создатели периферийных устройств часто стараются втолкнуть как можно больше информации в минимальное число бит, чтобы добиться максимальной скорости передачи, но это усложняет программирование взаимодействий с такими устройствами.

Операция маскирования битов позволяет игнорировать некоторую часть данных в байте или в большой структуре данных. На рис. 9.1 показано, как выполнить маскирование байта, содержащего разнородные данные, и получить число, определяемое тремя младшими битами.

Рис. 9.1. Маскирование битов

В описаниях двоичных чисел вы обязательно столкнетесь со словосочетаниями «самый младший» и «самый старший». В двоичных числах, записанных с соблюдением правил, принятых в математике, самым старшим битом является крайний левый бит, а младшим значащим — крайний правый. Крайний правый бит может иметь ценность только 1 или 0. Вам также встретятся термины самый старший бит (Most Significant Bit, MSB) и самый младший бит (Least Significant Bit, LSB). Самый младший бит иногда называют также нулевым битом (бит 0), первый бит (бит 1) — следующий по старшинству и т.д.

В примере, изображенном на рис. 9.1, байт включает несколько значений, но нас интересуют только три младших бита, которые нужно извлечь как число. Для этого можно выполнить поразрядную операцию И (AND) данных с маской, в которой три младших бита имеют значение 1. Поразрядная операция И (AND) для двух байт в свою очередь выполняет операцию И (AND) для каждой пары соответствующих битов и конструирует общий результат. Операция И (AND) для двух битов вернет 1, только если оба бита имеют значение 1.