C言語 ビット演算の練習問題7問｜マスク・シフトを図解で固める

この記事は、C言語ドリルの8本目（最終回）としてビット演算を練習する記事です。マイコンのピンを1本だけ操作する、レジスタの特定のフラグだけを立てる。そんな「1ビット単位」の操作を身につけます。WebやアプリのC学習ではあまり出てこない、組込みらしさが一番濃いテーマです。

ビット演算の6つの演算子をビットの図解と7問の練習問題（基礎5問＋発展2問）で手を動かして固めるドリルです。解答と解説は各問題の「＋」を押すと開きます。まず自分で書いてみて、それから答え合わせをしてください。

＜自己紹介＞
筆者は現役の組込みエンジニアです。未経験向けのC言語練習問題を通じて最低限の言語知識を身につけ、最終的にはArduinoでマイコンプログラムを自作できるようになるのをゴールとして、このシリーズを作成しています。ビット演算は実務のレジスタ操作で毎日のように使います。

このテーマの要点

マイコンでは、8本や16本のピン・設定を1つの数値のビット一つひとつで表します。だから「3番ピンだけ操作する」には、その数値の3番目のビットだけをいじる技術が必要です。それがビット演算です。

前提知識：ビットと6つの演算子

コンピューターの中で、数値は 0と1の並び（2進数）で表されています。たとえば 0b00000100 は「右から3番目（bit2）だけが1」という意味です（0b は2進数の目印）。ビット演算は、この0と1を直接操作します。演算子は6つです。

ビットの動きを表で見る（AND・OR）

言葉より、ビットの並びで見るのが一番早いです。8ビットの値どうしを縦に並べて、同じ位置のビットを比較します。

AND（&）：両方が1の位置だけ1

OR（|）：どちらかが1の位置は1

XOR（^）は「2つのビットが違う位置だけ1」、NOT（~）は「全ビットをひっくり返す」です。シフト（<< >>）は並び全体を左右にずらし、ずらして空いた場所には0が入ります（これはC言語の仕様です）。

より正確な仕様は、cppreference（C言語リファレンス）で確認できます。

例題（まずは一緒に解いてみる）

練習問題に入る前に、簡単な例題を1つ、答えを見ながら流れを確認しましょう。

例題：reg（最初は0）の0番目のビットを立てて（1にして）、結果を表示してみましょう。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    unsigned char reg = 0;
    reg |= (1 << 0);   // bit0 を1にする
    printf("%d\n", reg);
    return 0;
}

実行結果：1

解説：(1 << 0) は「bit0だけが1」の値。それを reg |= ... で重ねると、bit0が立って 0b00000001 ＝ 1になります。|= で狙ったビットを立てる、が基本の形です。

流れはつかめましたか？ ここからは、自分の手で解いてみましょう。

練習問題（基礎5＋発展2）

基礎5問は必ず解いてください。発展2問は余力があればで大丈夫です。まず自分で書いてから、各問題の「＋ 解答・解説を見る」を開いて答え合わせをしましょう。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    unsigned char reg = 0b00000100;   // bit2 だけ1
    if (reg & (1 << 2)) {           // bit2 を取り出す
        printf("bit2 ON\n");
    } else {
        printf("bit2 OFF\n");
    }
    return 0;
}

#include <stdio.h>

int main(void) {
    unsigned char reg = 0b00000000;
    reg |= (1 << 1);       // bit1 を1にする
    printf("%d\n", reg);
    return 0;
}

#include <stdio.h>

int main(void) {
    unsigned char reg = 0b00000110;   // bit1,bit2 が1（=6）
    reg &= ~(1 << 1);              // bit1 を0にする
    printf("%d\n", reg);
    return 0;
}

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("%u\n", 1u << 3);   // 8：bit3を作る
    printf("%u\n", 5u << 2);   // 20：5×2×2＝4倍
    return 0;
}

#include <stdio.h>

int main(void) {
    unsigned char reg = 0b00000001;
    reg ^= (1 << 0);            // bit0を反転：1→0
    printf("%d\n", reg);
    reg ^= (1 << 0);            // もう一度反転：0→1
    printf("%d\n", reg);
    return 0;
}

#include <stdio.h>

int main(void) {
    unsigned char value = 0xA5;            // 0b10100101
    unsigned char high = (value >> 4) & 0x0F;  // 上位4ビット
    unsigned char low  = value & 0x0F;         // 下位4ビット
    printf("high=0x%X low=0x%X\n", high, low);
    return 0;
}

#include <stdio.h>

#define BIT_SET(x, n)   ((x) |=  (1u << (n)))
#define BIT_CLEAR(x, n) ((x) &= ~(1u << (n)))
#define BIT_READ(x, n)  (((x) >> (n)) & 1u)

int main(void) {
    unsigned char PORTB = 0;   // 出力ポートに見立てる
    BIT_SET(PORTB, 3);         // 3番ピンをHIGH
    BIT_SET(PORTB, 5);         // 5番ピンをHIGH
    BIT_CLEAR(PORTB, 3);       // 3番ピンをLOWに戻す
    printf("PORTB=%d\n", PORTB);
    printf("pin5=%u\n", BIT_READ(PORTB, 5));
    return 0;
}

例：実務で実際に書くコード

マイコンの設定は「レジスタ」と呼ばれる数値のかたまりに詰まっていて、ビット1つずつに意味が割り当てられています。だからレジスタ操作のコードは、練習問題でやった形がそのまま並びます。

REG_CTRL |=  (1 << 3);        // bit3のフラグを立てる（機能ON）
REG_CTRL &= ~(1 << 3);        // bit3を落とす（機能OFF）

if (REG_STATUS & (1 << 5)) {  // bit5が立っていたら
    // 受信完了などのイベント処理
}

最後につまずきポイントをおさらい

もう一つは 符号（signed）の問題です。ビットを扱う変数は、unsigned（unsigned char / unsigned int など）にするのが基本です。符号付きのままシフトや反転をすると、思わぬ値になることがあります。#1でやった「型選び」がここにつながります。

よくある質問（FAQ）

なぜビット演算が組込みで重要なの？

マイコンの設定は、レジスタという数値のビット一つひとつに意味が割り当てられているからです。「このビットが1なら割り込み許可」のように決まっているので、狙ったビットだけを操作するビット演算が欠かせません。

論理演算子（&&）とビット演算子（&）は何が違う？

&& は「式全体が真か偽か」を判定する論理演算子、& は「ビット1つずつ」を計算するビット演算子です。見た目が似ているぶん書き間違いやすく、if (a & b) と if (a && b) は結果が変わることがあります。条件判定は &&、ビット操作は & と使い分けてください。

2進数（0b）と16進数（0x）はどっちで書く？

ビットの並びを見せたいときは 0b（2進）、桁が多いレジスタ値は 0x（16進）が読みやすいです。どちらも同じ数値の別の書き方なので、場面で使い分けます。
ただし16進数のほうが圧倒的に見やすいので基本は16進数で書いておけばいいかと思いますね

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これで必須8テーマは完走です。おつかれさまでした。仕上げに、8テーマ全部を1本のプログラムで組み合わせる総合実力テストに挑戦してみてください。

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