Trong lĩnh vực máy tính, phép toán thao tác bit (bitwise operation) là những phép toán được thực hiện trên các chuỗi bit hoặc số nhị phân từng bit riêng lẻ. Những phép toán này được thực hiện nhanh chóng, ưu tiên và được hỗ trợ trực tiếp bởi vi xử lý, thường được sử dụng để điều khiển giá trị và tính toán.
Tại sao phép toán thao tác bit quan trọng?
Trước tiên, phép toán thao tác bit có ưu điểm vượt trội so với các phép toán khác như chia, nhân hay cộng. Trên các vi xử lý đời cũ, phép toán thao tác bit thường nhanh hơn phép chia đáng kể, đôi khi nhanh hơn phép nhân và đôi khi còn nhanh hơn cả phép cộng. Các vi xử lý hiện đại thường thực hiện phép nhân và phép cộng nhanh tương đương phép toán thao tác bit do cấu trúc đường ống lệnh của chúng dài hơn.
Hơn nữa, phép toán thao tác bit sử dụng ít tài nguyên hơn nhờ vào các lựa chọn trong thiết kế cấu trúc.
Điều này cũng giải thích tại sao phép toán thao tác bit là một phần quan trọng của các ngôn ngữ lập trình bậc thấp và được sử dụng rộng rãi trong việc viết trình điều khiển thiết bị, đồ họa bậc thấp, các giao thức truyền thông và các thuật toán phức tạp như giải mã.
Các toán tử thao tác bit
Các toán tử thao tác bit là những toán tử được sử dụng để thực hiện phép toán thao tác bit trên các số nhị phân.
Trong ngôn ngữ máy, có các toán tử sau đây:
- Phép AND (AND)
- Phép NOT (NOT)
- Phép OR (OR)
- Phép XOR (XOR)
- Dịch chuyển và quay bit
Phép toán AND
Phép toán AND lấy hai toán hạng nhị phân cùng độ dài và thực hiện phép toán lý luận AND trên từng cặp bit tương ứng. Kết quả sẽ là 1 nếu cả hai bit ở vị trí được so sánh đều là 1, và kết quả sẽ là 0 nếu không đúng điều kiện này.
A B A AND B
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1Phép toán AND có thể được sử dụng để kiểm tra xem một bit có được thiết đặt hay không. Nó cũng có thể được sử dụng để xóa các bit được lựa chọn trong một thanh ghi.
Phép toán NOT
Phép toán NOT lấy một số nhị phân và thực hiện phủ định luận lý trên từng bit, tạo thành bù 1 của giá trị nhị phân ban đầu. Kết quả sẽ là 1 nếu bit ban đầu là 0 và ngược lại.
NOT 0111 = 1000Phép toán NOT hữu ích khi bạn cần tìm bù 1 của một số nhị phân.
Phép toán OR
Phép toán OR lấy hai toán hạng nhị phân cùng độ dài và thực hiện phép toán lý luận OR trên từng cặp bit tương ứng. Kết quả sẽ là 1 nếu một trong hai bit là 1 và kết quả sẽ là 0 nếu cả hai bit đều là 0.
A B A OR B
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1Phép toán OR có thể được sử dụng để thiết đặt bit được chọn.
Phép toán XOR
Phép toán XOR lấy hai toán hạng nhị phân cùng độ dài và thực hiện phép toán logic XOR trên từng cặp bit tương ứng. Kết quả sẽ là 1 nếu hai bit khác nhau và kết quả sẽ là 0 nếu hai bit giống nhau.
A B A XOR B
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0Phép toán XOR hữu ích để đảo ngược các bit được chọn trong một thanh ghi.
Dịch chuyển và quay bit
Các phép dịch chuyển bit và phép quay bit xem một giá trị dưới dạng một dãy bit. Trong các phép toán này, các bit sẽ được di chuyển hoặc quay sang trái hoặc phải. Khi dịch chuyển hoặc quay bit, các bit bị dịch chuyển ra khỏi thanh ghi ở một đầu và một số bit tương ứng được dịch chuyển vào ở đầu còn lại.
Có hai loại phép dịch chuyển bit:
-
Dịch chuyển số học: các bit được dịch chuyển ra khỏi đầu hoặc cuối sẽ bị loại bỏ.
-
Dịch chuyển luận lý: các bit được dịch chuyển ra khỏi đầu hoặc cuối sẽ được thay thế bằng các bit 0.
Có hai loại phép quay bit:
-
Quay không nhớ: bit được xoay sẽ di chuyển và các bit bị dịch chuyển ra khỏi một đầu sẽ được thêm vào ở đầu kia.
-
Quay có nhớ: giá trị của bit được xoay sẽ được thay thế bằng giá trị của một cờ nhớ, và cờ nhớ sẽ lấy giá trị của bit bị dịch chuyển ra.
Phần lớn các ngôn ngữ lập trình hỗ trợ các toán tử dịch chuyển bit và quay bit, như C, C++, Java, C#, Python và Pascal.
Ứng dụng của phép toán thao tác bit
Phép toán thao tác bit là một phần quan trọng của các ngôn ngữ lập trình bậc thấp và được sử dụng rộng rãi trong việc viết trình điều khiển thiết bị, đồ họa bậc thấp, gói giao thức truyền thông và các thuật toán phức tạp như giải mã.
Với việc sử dụng các phép dịch chuyển bit và các phép toán thao tác bit khác, những ngôn ngữ máy bậc thấp có thể thực hiện các phép toán học và phép luận lý một cách hiệu quả, giúp tối ưu hóa mã nguồn và tăng tốc độ xử lý.
Kết luận
Phép toán thao tác bit là một phần quan trọng của lĩnh vực máy tính và ngôn ngữ lập trình. Sử dụng các phép toán thao tác bit, chúng ta có thể thực hiện các phép toán logic và toán học một cách nhanh chóng và hiệu quả, giúp tối ưu hóa mã nguồn và tăng tốc độ xử lý.