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ビットフィールドは、特定の目的のために割り当てられた1つ以上の隣接するビットにマップされるデータ構造であり、構造内の任意の1つのビットまたはビットのグループを設定または検査できます。 [1] [2]ビットフィールドは、1ビットのブール値など、既知の固定ビット幅の整数型を表すために最もよく使用されます。
フィールド内の個々のビットの意味はプログラマによって決定されます。たとえば、ビットフィールドの最初のビット（フィールドのベースアドレスに配置）は、ビットフィールドに関連付けられた特定の属性の状態を決定するために使用されることがあります。[3]
CPUやその他のロジックデバイスでは、フラグと呼ばれるビットフィールドの集合が、特定の操作の結果を制御または表示するためによく使用されます。[4]プロセッサには、フラグで構成されるステータスレジスタがあります。たとえば、加算の結果を宛先で表現できない場合は、算術オーバーフローが設定されます。フラグは、条件付きジャンプ命令などの後続の操作を決定するために使用できます。たとえば、x86アセンブリ言語の(Jump if Equal)命令は、 Z(ゼロ)フラグが以前の操作で設定されていた場合にジャンプします。
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ビットフィールドは、ビット配列とは区別されます。ビット配列は整数でインデックス付けされた大量のビットセットを格納するために使用され、言語でサポートされているどの整数型よりも広いことが多いです。[要出典]一方、ビットフィールドは通常、マシンワード内に収まり、[3]ビットの表示は数値インデックスとは無関係です。[2]
実装
ビットフィールドは、プログラムが常に低い値を持つ整数変数を多数必要とする場合に、メモリ消費量を削減するために使用できます。たとえば、多くのシステムでは、整数値を格納するのに 2 バイト (16 ビット) のメモリが必要ですが、格納する値は実際には 1 ビットまたは 2 ビットしか必要としない場合があります。これらの小さな変数を多数ビットフィールドで共有すると、メモリ内のデータを効率的にパッケージ化できます。[5]
C では、ネイティブの実装定義ビットフィールドはint、、[a] unsigned int、、(C99 の場合)、、( C23 の場合) またはその他の実装定義型を使用して作成できます。C++ では、任意の整数signed int型または列挙型を使用して作成できます。ほとんどの C コンパイラでもこれが可能です。この場合、プログラマは、複数のサブフィールドにラベルを付けて幅を決定するビットフィールドの構造体を宣言できます。[6]隣接して宣言された同じ型のビットフィールドは、コンパイラによって、各「フィールド」を個別に宣言する場合に使用されるメモリと比較して、少ないワード数にパックされます。
_Bool_BitInt(N)unsigned _BitInt(N)
ネイティブビットフィールドを持たない言語や、プログラマが結果のビット表現を制御したい言語では、より大きなワード型内のビットを手動で操作することが可能です。この場合、プログラマはマスクとビット演算を組み合わせてフィールド内のビットを設定、テスト、変更できます。[7]
例
Cプログラミング言語
// 不透明にして表示
#define YES 1
#define NO 0
// 線のスタイル
#define SOLID 1
#define DOTTED 2
#define DASHED 3
// 原色
#define BLUE 0b100
#define GREEN 0b010
#define RED 0b001
// 混合色
#define BLACK 0
#define YELLOW (RED | GREEN) /* 011 */
#define MAGENTA (RED | BLUE) /* 101 */
#define CYAN (GREEN | BLUE) /* 110 */
#define WHITE (RED | GREEN | BLUE) /* 111 */
const char * colors [ 8 ] = { "黒" 、"赤" 、"緑" 、"黄" 、"青" 、"マゼンタ" 、"シアン" 、"白" };
// ビット フィールド ボックス プロパティ
struct BoxProps { unsigned int opaque : 1 ; unsigned int fill_color : 3 ; unsigned int : 4 ; // 8 ビットまで塗りつぶしますunsigned int show_border : 1 ; unsigned int border_color : 3 ; unsigned int border_style : 2 ; unsigned char : 0 ; // 最も近いバイト (16 ビット) まで塗りつぶしますunsigned char width : 4 , // 1 バイトを 4 ビットの 2 つのフィールドに分割しますheight : 4 ; };
C のビット フィールドのレイアウトは実装定義structです。コンパイラ間で予測可能な動作を維持するには、プリミティブとビット演算子を使用してビット フィールドをエミュレートすることが望ましい場合があります。
/* これらのプリプロセッサ ディレクティブはそれぞれ、コントローラの 1 つのボタンに対応する
1 つのビットを定義します。 ボタンの順序は Nintendo Entertainment System の順序と一致します。 */
#define KEY_RIGHT 0b00000001
#define KEY_LEFT 0b00000010
#define KEY_DOWN 0b00000100
#define KEY_UP 0b00001000
#define KEY_START 0b00010000
#define KEY_SELECT 0b00100000
#define KEY_B 0b01000000
#define KEY_A 0b10000000
符号なしchar gameControllerStatus = 0 ;
/* OR を使用して gameControllerStatus を設定します */
void KeyPressed ( unsigned char key ) { gameControllerStatus |= key ; }
/* AND と ~ (バイナリ NOT) を使用して gameControllerStatus をクリアします */
void KeyReleased ( unsigned char key ) { gameControllerStatus &= ~ key ; }
/* AND を使用してビットが設定されているかどうかをテストします */
unsigned char IsPressed ( unsigned char key ) { return gameControllerStatus & key ; }
プロセッサステータスレジスタ
プロセッサのステータスレジスタは、複数のフラグビットで構成されるビットフィールドです。各フラグビットはプロセッサの現在の状態に関する情報を表します。[8]例として、6502プロセッサのステータスレジスタを以下に示します。
これらのビットは、演算の結果に従ってプロセッサによって設定されます。特定のビット (キャリー、割り込み無効、および 10 進フラグなど) は、セット命令とクリア命令を使用して明示的に制御できます。さらに、フラグの現在の状態に基づいて実行を変更する分岐命令も定義されています。
たとえば、ADC(Add with Carry) 命令の後に、BVS(Branch on oVerflow Set) 命令を使用して、加算命令の結果に従ってプロセッサによってオーバーフロー フラグが設定されたかどうかに基づいてジャンプすることができます。
フラグワードからビットを抽出する
フラグ フィールド内のフラグのサブセットは、マスクとのAND 演算によって抽出できます。多くの言語では、1 つのビットを n 番目の位置に揃えるシフト演算子 (<<)をサポートしています。また、ほとんどの言語では、1 つ以上のビットの値を分離するために
AND演算子 (&) の使用もサポートしています。1 << n
デバイスからのステータス バイトが 0x67 で、5 番目のフラグ ビットがデータ準備完了を示している場合、マスク バイトは です2^5 = 0x20。ステータス バイト 0x67 (バイナリ) とマスク バイト 0x20 (バイナリ) のAND 演算は0x20 と評価されます。これは、フラグ ビットが設定されている、つまりデバイスにデータ準備完了があることを意味します。フラグ ビットが設定されていない場合、これは 0 と評価されます。つまり、デバイスから取得できるデータはありません。
0110 01110010 0000
変数vのn番目のビットをチェックするには、次のいずれかを実行します (どちらも同等です)。
ブール nth_is_set = ( v & (1 << n )) != 0; ブール nth_is_set = ( v >> n ) & 1;
フラグワードのビットの変更
フラグのビットの書き込み、読み取り、または切り替えは、OR、AND、NOT 演算を使用してのみ実行できます。これらの演算はプロセッサですばやく実行できます。ビットを設定するには、ステータス バイトとマスク バイトのOR演算を行います。マスク バイトまたはステータス バイトに設定されたビットは、結果に設定されます。
ビットを切り替えるには、ステータス バイトとマスク バイトのXOR をとります。これにより、ビットがクリアされている場合はビットが設定され、ビットが設定されている場合はビットがクリアされます。
参照
- バイナリコード – 0と1を使用してデータをエンコードする
- ビットバンド – 32 ビット RISC プロセッサ コアのグループ
- ビットボード – ボードゲームをプレイするコンピュータシステムで一般的に使用されるデータ構造
- ビット配列 – ビットをコンパクトに格納する配列データ構造
- フラグ（プログラミング） – コンピュータデータ変数
- ワード（コンピュータアーキテクチャ） – コンピュータが扱う基本メモリ単位
- マスク（コンピューティング） – ビット演算に使用されるデータ
- プログラム ステータス ワード - IBM System/360 および後継システム アーキテクチャーの制御レジスタ
- ステータスレジスタ – プロセッサの結果に関する追加情報を提供するフラグを含むレジスタ
- FLAGS レジスタ (コンピューティング) – x86 アーキテクチャのステータス レジスタ
- 制御レジスタ – CPUの一般的な動作を変更または制御するプロセッサレジスタ
注記
- ^ C では、int 型のビット フィールドが符号付きか符号なしかは実装によって定義されます。C++ では、基になる型に合わせて常に符号付きになります。
参考文献
- ^ ペン・ブルム、ドン・ブルム（1988年8月）。80386 アセンブリ言語：完全なチュートリアルとサブルーチンライブラリ。McGraw-Hill School Education Group。p. 606。ISBN 978-0-8306-9047-3。
- ^ ab Steve Oualline (1997).実践 C プログラミング. 「O'Reilly Media, Inc.". pp. 403–. ISBN 978-1-56592-306-5。
- ^ ab Michael A. Miller (1992 年 1 月)。68000 マイクロプロセッサ ファミリ: アーキテクチャ、プログラミング、およびアプリケーション。Merrill。p. 323。ISBN 978-0-02-381560-7。
- ^ Ian Griffiths、Matthew Adams、Jesse Liberty (2010 年 7 月 30 日)。プログラミング C# 4.0: .NET 4.0 フレームワーク用の Windows、Web、および RIA アプリケーションの構築。「O'Reilly Media, Inc.」。pp. 81– 。ISBN 978-1-4493-9972-6。
- ^ チベット・ミマール (1991)。68000 ファミリによるプログラミングと設計: 68000、68010/12、68020、および 68030 を含む。プレンティス ホール。p. 275。ISBN 978-0-13-731498-0。
- ^ ab プラータ、スティーブン (2007)。Cプライマープラス（第5版）。インディアナ州インディアナポリス：サムズ。ISBN 978-0-672-32696-7。
- ^ マーク E. ダゲット (2013 年 11 月 13 日)。 JavaScript の専門家。アプレス。 68ページ–。ISBN 978-1-4302-6097-4。
- ^ InCider. W. Green. 1986年1月. p. 108.
外部リンク
- 本からの説明
- 別のウィキからの説明
- C++ ガイドの使用例
- C++ libbit ビット ライブラリ (代替 URL)
- ビット操作ハック: ビットフィールドを操作する C コードのいくつかのスニペット