রেজিস্টার কন্ট্রোলের জন্য বিট ম্যানিপুলেশন

১ · কেন পুরো রেজিস্টার ওভাররাইট করা যায় না

Computer Architecture কোর্সে রেজিস্টার সাধারণভাবে কী তা দেখানো হয়েছে — এখানে আমরা এমবেডেড-স্পেসিফিক বাস্তবতায় যাচ্ছি। একটি মাইক্রোকন্ট্রোলারের কন্ট্রোল/স্ট্যাটাস রেজিস্টার প্রায়ই একটি ৮, ১৬ বা ৩২-বিট মান, যার প্রতিটি বিট (বা কয়েক বিটের একটি গ্রুপ) সম্পূর্ণ স্বতন্ত্র একটি হার্ডওয়্যার ফিচার নিয়ন্ত্রণ করে — যেমন bit7 হয়তো একটি পিনের DIRECTION ঠিক করে, bit3 একটি পেরিফেরাল ENABLE করে, আর bit1-bit0 মিলে একটি MODE বেছে নেয়। এই সব বিট একই রেজিস্টারে একসাথে থাকে বলে, যদি আপনি নতুন মান reg = 0b00001000 লিখে সরাসরি পুরো রেজিস্টার বসিয়ে দেন, তাহলে অন্য বিটগুলোর (DIR, MODE) আগের মান হারিয়ে যাবে — যা হয়তো অন্য কোনো কোড বা ইন্টারাপ্ট হ্যান্ডলার সেট করে রেখেছিল। তাই এমবেডেড C-তে প্রায় সবসময় বিটওয়াইজ অপারেটর (|, &, ^, ~, <<, >>) দিয়ে শুধু নির্দিষ্ট বিট বদলানো হয়, বাকিগুলো অক্ষত রেখে।

২ · চারটি মৌলিক বিট অপারেশন

ধরা যাক reg একটি রেজিস্টারের মান এবং আমরা এর n-তম বিট নিয়ে কাজ করছি।

Set bit (বিটটিকে ১ করা, বাকি বিট অক্ষত রেখে) — 1 << n দিয়ে শুধু সেই অবস্থানে ১ বসানো একটি মাস্ক তৈরি হয়, তারপর OR করলে সেই বিট ১ হয়ে যায় আর বাকি সব বিট নিজের মান ধরে রাখে (কারণ x OR 0 = x):

$$ \text{reg} \leftarrow \text{reg} \;\lor\; (1 \ll n) $$

Clear bit (বিটটিকে ০ করা) — ~(1 << n) দিয়ে সেই এক অবস্থান বাদে বাকি সব জায়গায় ১ থাকা একটি মাস্ক তৈরি হয়, তারপর AND করলে শুধু সেই বিট ০ হয়ে যায় (কারণ x AND 1 = x):

$$ \text{reg} \leftarrow \text{reg} \;\land\; \lnot(1 \ll n) $$

Toggle bit (বিটটি উল্টে দেওয়া — ০ হলে ১, ১ হলে ০) — XOR ব্যবহার করা হয়, কারণ x XOR 1 = \bar{x} কিন্তু x XOR 0 = x:

$$ \text{reg} \leftarrow \text{reg} \;\oplus\; (1 \ll n) $$

Read bit (শুধু সেই বিটের মান জানা, বাকি রেজিস্টার না ঘেঁটে) — প্রথমে n ঘর ডানদিকে শিফট করে সেই বিটকে সর্ব-ডানে আনা হয়, তারপর AND 1 দিয়ে বাকি সব উঁচু বিট বাদ দেওয়া হয়:

$$ \text{bit\_value} = (\text{reg} \gg n) \;\land\; 1 $$

৩ · একাধিক বিট নিয়ে বিট-ফিল্ড

একক বিট যথেষ্ট নয় যখন কোনো সেটিং-এর একাধিক সম্ভাব্য মান থাকে — যেমন একটি ২-বিট MODE ফিল্ড চারটি মান ধারণ করতে পারে (0, 1, 2, 3)। এক্ষেত্রে একটি মাস্ক (ফিল্ডের প্রস্থ যতগুলো ১-বিট, ততগুলো নিয়ে গঠিত, যেমন ২-বিট ফিল্ডের জন্য 0b11) এবং একটি শিফট (ফিল্ডটি রেজিস্টারের কোন বিট-পজিশন থেকে শুরু, উদাহরণে bit0 থেকে) দুটোই লাগে — লেখার সময় প্রথমে সেই ফিল্ডের পুরনো মান মুছে (mask দিয়ে AND-NOT) তারপর নতুন মান শিফট করে বসাতে হয়, যাতে ফিল্ডের বাইরের অন্য কোনো বিট স্পর্শ না হয়।

৪ · সম্পূর্ণ সিমুলেশন — set, clear, toggle, read ও একটি বিট-ফিল্ড

নিচের কোড সেলটি উপরের চারটি একক-বিট অপারেশন এবং একটি ২-বিট MODE ফিল্ড read/write — সবকিছু একই ৮-বিট রেজিস্টারের উপর, ধাপে ধাপে format(reg, '08b') দিয়ে ট্রেস করে দেখায়।

def show(label, r):
    print(f"{label:42s} -> {format(r, '08b')}")

# --- একটি ৮-বিট কন্ট্রোল রেজিস্টার, শুরুতে সব বিট 0 ---
reg = 0b00000000
show("প্রাথমিক অবস্থা", reg)

BIT_DIR = 7      # bit7 -- একক ফ্ল্যাগ: পিন ডিরেকশন
BIT_ENABLE = 3   # bit3 -- একক ফ্ল্যাগ: পেরিফেরাল এনাবল

# --- SET বিট ---
reg = reg | (1 << BIT_ENABLE)
show(f"bit{BIT_ENABLE} SET      (ENABLE ON)", reg)

reg = reg | (1 << BIT_DIR)
show(f"bit{BIT_DIR} SET      (DIR = output)", reg)

# --- CLEAR বিট -- শুধু ENABLE বিট মুছে ফেলা, DIR অক্ষত থাকা উচিত ---
reg = reg & ~(1 << BIT_ENABLE)
show(f"bit{BIT_ENABLE} CLEAR    (ENABLE OFF)", reg)

# --- TOGGLE বিট -- দুইবার টগল করলে মূল মানে ফিরে আসা উচিত ---
reg = reg ^ (1 << BIT_DIR)
show(f"bit{BIT_DIR} TOGGLE #1 (DIR উল্টে গেল)", reg)
reg = reg ^ (1 << BIT_DIR)
show(f"bit{BIT_DIR} TOGGLE #2 (DIR আবার আগের মানে)", reg)

# --- READ বিট ---
dir_value = (reg >> BIT_DIR) & 1
print(f"bit{BIT_DIR} (DIR) পড়া হলো: {dir_value}")

print()
print("--- বিট-ফিল্ড: bit1-bit0 মিলে ২-বিটের MODE ফিল্ড ---")

MODE_SHIFT = 0
MODE_MASK = 0b11   # ২-বিট ফিল্ডের জন্য মাস্ক (0,1,2,3 ধারণ করতে পারে)

def set_mode_field(r, mode_value):
    r = r & ~(MODE_MASK << MODE_SHIFT)              # ধাপ ১: পুরনো ফিল্ড-মান মুছে ফেলা
    r = r | ((mode_value & MODE_MASK) << MODE_SHIFT)  # ধাপ ২: নতুন মান শিফট করে বসানো
    return r

def read_mode_field(r):
    return (r >> MODE_SHIFT) & MODE_MASK

reg = set_mode_field(reg, 0b10)   # MODE = 2
show("MODE ফিল্ড = 2 (0b10) সেট করার পর", reg)
print(f"MODE ফিল্ড পড়া হলো: {read_mode_field(reg)} ({format(read_mode_field(reg), '02b')})")

reg = set_mode_field(reg, 0b01)   # MODE = 1 -- DIR (bit7) স্পর্শ না হওয়া উচিত
show("MODE ফিল্ড = 1 (0b01)-এ বদলানোর পর", reg)
print(f"MODE ফিল্ড পড়া হলো: {read_mode_field(reg)} ({format(read_mode_field(reg), '02b')})")
print(f"bit{BIT_DIR} (DIR) এখনও: {(reg >> BIT_DIR) & 1}  -- বিট-ফিল্ড আপডেটে DIR অক্ষত ছিল কিনা যাচাই")