Little Big Endian 位运算与提取

Question

我正在尝试解决驱动程序问题，我必须从任意位置开始的任意位流中提取多个位。搜了一下这附近的帖子，发现涉及的Bit操作大部分都是64位机或者没有特殊的存储布局条件。

嗯，Bit 流作为 Byte 数组存储在 32 位 Micro 中。但是流是小端的，例如下面的字节流

LSBit (Bit 0) --> 0100 1001 0100 0100

在内存中存储为

字节 0 1001 0010 位布局，位 7-> 1001 0010 -> 位 0

字节 1 0010 0010 位布局，位 15-> 0010 0010 -> 位 8

这里字节中的位布局是大端，但字节是小端。

如果我必须从 Little endian 流中提取 Bit 4 到 11 以获得 0010 1001，那么我需要提取

从字节 0 开始

1001，字节 0 的高半字节

从字节 1

0010，字节 1 的低半字节

将字节 1 的左移位得到 0010 并与字节 0 的 1001 进行或运算

问题是流可以达到 64 位的长度，并且位数（最多 64 个）是任意的，起始位也是任意的。但是对于内部存储，我当然可以存储在适合这些位的适当数据类型中。

除此之外，我必须以同样的方式将它们从有效数据打包到这个 Little Big Endian 流中。 :'(

我还必须担心运行时间以及 long 是 4 个字节的事实。 因此，要存储 48 位的值，我需要维护一个以主机格式排列的 6 字节数组。 没有编译器long long 支持。

编辑：有 64 位 long long 支持；我刚刚检查了编译器手册。

请有任何建议，我现在被困了三个星期。

Answer 1

逐字节读取您的流，以主机字节顺序构建一个 64 位数字（因为这是最大比特流长度）。
然后使用标准位摆弄提取。

这个两步配方的好处是与主机端无关。

在索引i处获取n位的窗口：

uint64_t extract(uint64_t in, int n, int i) {
    return in<<(64-i-n)>>(64-n);
}

Answer 2

我提供的解决方案是：

pickbits.h

#ifndef PICKBITS_H_INCLUDED
#define PICKBITS_H_INCLUDED

#include <stddef.h>
#include <stdint.h>

extern uint64_t pick_bits(unsigned char *bytes, size_t nbytes, int lo, int hi);

#endif /* PICKBITS_H_INCLUDED */

标头对于来自<stddef.h> 的size_t 和来自<inttypes.h> 的uint64_t 是必需的。重要的是，标头应该是独立的和幂等的。包含这两个标题是使pickbits.h 独立的必要条件；标头保护使其具有幂等性，尽管它们可以被删除，但仍然可以，因为代码中没有类型定义（并且标准标头已经被 C 标准限制为幂等）。

pickbits.c

#include "pickbits.h"
#include <assert.h>

uint64_t pick_bits(unsigned char *bytes, size_t nbytes, int lo, int hi)
{
  assert(bytes != 0 && nbytes > 0 && nbytes <= 8);
  assert(lo >= 0 && lo < 64);
  assert(hi >= 0 && hi < 64 && hi >= lo);
  uint64_t result = 0;
  for (int i = nbytes - 1; i >= 0; i--)
    result = (result << 8) | bytes[i];
  result >>= lo;
  result &= (UINT64_C(1) << (hi - lo + 1)) - 1;
  return result;
}

请注意，包含"pickbits.h" 首先检查标头是否是自包含的。 UINT64_C 宏确保常量 1 被视为 uint64_t 值。

picktest.c

#include "pickbits.h"
#include <inttypes.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
  unsigned char d1[8] = "\xA5\xB4\xC3\xD2\xE1\xF0\x96\x87";
  /* Selecting nybbles */
  for (int u = 0; u < 64; u += 4)
  {
    uint64_t v = pick_bits(d1, sizeof(d1), u, u+3);
    printf("Picking bits %2d..%2d gives 0x%" PRIX64 "\n", u, u+3, v);
  }
  /* Select across nybble boundaries - T.B.D */
  return 0;
}

需要扩展测试以跨越 nybble 边界，或完全保持在 nybble 内。

样品运行

Picking bits  0.. 3 gives 0x5
Picking bits  4.. 7 gives 0xA
Picking bits  8..11 gives 0x4
Picking bits 12..15 gives 0xB
Picking bits 16..19 gives 0x3
Picking bits 20..23 gives 0xC
Picking bits 24..27 gives 0x2
Picking bits 28..31 gives 0xD
Picking bits 32..35 gives 0x1
Picking bits 36..39 gives 0xE
Picking bits 40..43 gives 0x0
Picking bits 44..47 gives 0xF
Picking bits 48..51 gives 0x6
Picking bits 52..55 gives 0x9
Picking bits 56..59 gives 0x7
Picking bits 60..63 gives 0x8

为什么不只有一个源文件？

答案：见Why is GCC 4.8.2 complaining about addition under strict overflow?

基本上，上面显示的代码在严格的警告下编译干净：

$ gcc -g -O3 -std=c99 -Wall -Wextra -Wmissing-prototypes -Wstrict-prototypes \
>     -Wold-style-definition -Wold-style-declaration -Werror -c \
>     pickbits.c picktest.c
$

如果集成到单个文件中，GCC 4.8.2 的“功能”会启动并生成警告（-Werror 转换为错误），即使它警告的情况不可能发生（溢出不能'如果类型是int8_t，则不会发生，更不用说int）。