【笔记1】关于C语言中对非符号数进行逐位取反（~）的重要问题

    话不多说，先放上代码

#include 
 int main()
{
 
   unsigned int a = 60;    /* 60 = 0011 1100 */  
   unsigned int b = 13;    /* 13 = 0000 1101 */
   int c = 0;           
 
   c = a & b;       /* 12 = 0000 1100 */ 
   printf("Line 1 - c 的值是 %d\n", c );
 
   c = a | b;       /* 61 = 0011 1101 */
   printf("Line 2 - c 的值是 %d\n", c );
 
   c = a ^ b;       /* 49 = 0011 0001 */
   printf("Line 3 - c 的值是 %d\n", c );
 
   c = ~a;          /*-61 = 1100 0011 */
   printf("Line 4 - c 的值是 %d\n", c );
 
   c = a << 2;     /* 240 = 1111 0000 */
   printf("Line 5 - c 的值是 %d\n", c );
 
   c = a >> 2;     /* 15 = 0000 1111 */
   printf("Line 6 - c 的值是 %d\n", c );
}

    1.重要的一个运算

     c = ~a

• ~a 的结果是 4294967235（1111_1111_1111_1111_1111_1111_1100_0011），这是一个无符号整数。

• 将 4294967235 赋值给 int 类型的 c，由于 4294967235 超出了 int 的范围，会发生截断，结果为 -61。

• 使用 %d 输出 c，结果是 -61。

    2. 截断过程的详细解释    

        当将 unsigned int 类型的值赋值给 int 类型的变量时，C 语言会进行 隐式类型转换。具体过程如下：

        (1) 二进制表示的复制

• unsigned int 的二进制表示会直接复制到 int 的存储空间中。

• 例如，c = ~a; 会将 1111_1111_1111_1111_1111_1111_1100_0011 直接复制到 c 的存储空间中。

        (2) 符号位的解释

• 在 int 类型中，最高位是符号位：

  • 如果符号位是 0，则表示正数。

  • 如果符号位是 1，则表示负数。

• 1111_1111_1111_1111_1111_1111_1100_0011 的最高位是 1，因此它被解释为一个负数。

        (3) 补码的解释

• 在 int 类型中，负数使用 补码 表示。

• 补码的计算规则是：取反后加 1。

• 对于 1111_1111_1111_1111_1111_1111_1100_0011，其补码计算如下：

  1. 取反：0000_0000_0000_0000_0000_0000_0011_1100。

  2. 加 1：0000_0000_0000_0000_0000_0000_0011_1101。

• 这个二进制数对应的十进制值是 61。

• 由于符号位是 1，因此最终结果是 -61。                                                                                                                                                                                                        3.STM32开发中对应的实际问题  

• 在 STM32 单片机软件开发 中，类型转换 和 截断问题 是非常常见的，尤其是在处理硬件寄存器、位操作、数据存储和通信协议时。由于嵌入式系统对内存和性能的要求较高，开发者通常会使用更小的数据类型（如 uint8_t、uint16_t）来节省资源，这增加了类型不匹配和截断问题的风险。

• （1）硬件寄存器操作

  STM32 的硬件寄存器通常是以 无符号整数 类型定义的（如 uint32_t）。如果开发者错误地使用有符号整数（如 int）来操作这些寄存器，可能会导致意外的行为。

  例子：配置 GPIO 寄存器

  uint32_t *GPIO_MODER = (uint32_t*)0x40020000; // GPIO 模式寄存器地址
  int mode = 0xFFFF; // 错误：使用有符号整数
  *GPIO_MODER = mode; // 可能截断或符号扩展

• 如果 mode 是一个负数，赋值给 GPIO_MODER 时会被解释为一个非常大的无符号整数，导致 GPIO 配置错误。

• 解决方法：

• 使用正确的无符号类型：

  uint32_t mode = 0xFFFF; // 正确：使用无符号整数
  *GPIO_MODER = mode;

• ---

  （2）位操作

  在 STM32 开发中，位操作（如 &、|、~、<<、>>）非常常见，用于配置寄存器或提取数据。如果操作数的类型不匹配，可能会导致截断或符号扩展问题。

  例子：读取 ADC 数据

  uint16_t adc_value = ADC1->DR; // 从 ADC 数据寄存器读取值
  int processed_value = adc_value >> 4; // 右移操作

• 如果 adc_value 的最高位是 1，右移操作可能会导致符号扩展（即高位填充 1），从而得到一个负数。

• 解决方法：

• 使用无符号类型进行位操作：

  uint16_t adc_value = ADC1->DR; // 从 ADC 数据寄存器读取值
  int processed_value = adc_value >> 4; // 右移操作

• ---

  （3） 数据存储与通信

  在存储数据或通过通信协议（如 UART、I2C、SPI）传输数据时，如果数据类型不匹配，可能会导致数据截断或解释错误。

  例子：UART 数据传输

  uint8_t buffer[2];
  uint16_t data = 0xABCD; // 16 位数据
  buffer[0] = data >> 8;   // 高字节
  buffer[1] = data & 0xFF; // 低字节

• 如果错误地使用有符号整数：

  int data = 0xABCD; // 错误：使用有符号整数
  buffer[0] = data >> 8;   // 可能符号扩展
  buffer[1] = data & 0xFF; // 低字节

  当 data 是负数时，右移操作会导致符号扩展，buffer[0] 的值可能不正确。

• 解决方法：

• 始终使用无符号整数处理数据：

  uint16_t data = 0xABCD; // 正确：使用无符号整数
  buffer[0] = data >> 8;
  buffer[1] = data & 0xFF;

• ---

  （4）数学运算

  在嵌入式系统中，数学运算（如加法、乘法）的结果可能会超出目标类型的范围，导致截断或溢出。

  例子：计算定时器周期

  uint32_t clock_freq = 72000000; // 72 MHz
  uint32_t prescaler = 72;
  uint32_t period = clock_freq / prescaler; // 计算周期
  int target_period = period; // 错误：可能截断

• 如果 period 的值超出 int 的范围，赋值给 target_period 时会被截断。

• 解决方法：

• 使用一致的无符号类型：

  uint32_t target_period = period; // 正确：使用无符号整数

• ---

  5. 函数参数与返回值

  在调用库函数或自定义函数时，如果参数或返回值的类型不匹配，可能会导致截断问题。

  例子：HAL 库函数

  uint16_t adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 读取 ADC 值
  int processed_value = adc_value * 2; // 错误：可能溢出

• 如果 adc_value 的值较大，adc_value * 2 可能会超出 int 的范围。

• 解决方法：

• 使用更大的数据类型或强制类型转换：

  uint32_t processed_value = (uint32_t)adc_value * 2; // 正确：使用更大的类型

• ---

  6. 枚举类型

  在 STM32 开发中，枚举类型常用于表示状态或选项。如果枚举值被错误地赋值给有符号整数，可能会导致问题。

  例子：状态机

  typedef enum {
      STATE_IDLE,
      STATE_RUNNING,
      STATE_ERROR
  } State_t;
  
  State_t state = STATE_IDLE;
  int current_state = state; // 错误：枚举值可能被解释为负数

  解决方法：

• 使用正确的枚举类型：

  State_t current_state = state; // 正确：使用枚举类型