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结构体与联合体在嵌入式编程中的应用

2024-09-25 14:42
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01联合体

之前的文章《枚举和结构体的结合》文中提到,结构体就像是打包封装,把一些有共同特征的变量封装在内部。结构体是一种构造类型或复杂类型,它可以包含多个类型不同的成员。在C语言中,还有另外一种和结构体非常类似的语法,叫做联合体(Union)(有些地方也叫做共用体)。

联合体举例如下


union data{    char n;    char ch;    char f;};union data a, b, c;

结构体和联合体的区别在于:结构体的各个成员会占用不同的内存,互相之间没有影响;而联合体的所有成员占用同一段内存,修改一个成员会影响其余所有成员。

结构体占用的内存大于等于所有成员占用的内存的总和(存在字节对齐问题,这里不深入讨论)。

联合体占用的内存等于最长的成员占用的内存。联合体中如果对新的成员赋值,就会把原来成员的值覆盖掉。


//上文的联合体定义char data;a.n = 0x0A;//虽然只修改了成员变量n,但是ch和f变量都会被改变data = a.f;//那么data的值就会被修改为0x0A


02联合体的应用

联合体在一般中的编程应用中还是很少的,在单片机编程中较多,在之前的文章《枚举和结构体的结合》将枚举和结构体的结合,下面的例子简单说明下联合体在结构体中的应用(我的日常开发中联合体一般都是和结构体一起使用的)。

在做显示屏应用时牵扯到一个概念,显示屏(全彩)上一个像素点是由于Red,Green,Blue三种颜色组成,在888模式下,每个像素点都是由8个bit组成的,这个时候为了便是一个像素点就需要用到结构体,这也对应前面的文章,结构体就像是打包封装,把一些有共同特征的变量封装在内部。


typedef struct{    uint8_t Red;    uint8_t Green;    uint8_t Blue;    uint32_t Pix_Value;}LCD_Pixvalue_S;

上面这样的写法是十分清晰的,访问很方便,可以单独访整个像素,也可以访问像素的某个颜色,有个问题那就是我操作红色像素,需要重新给Pix_Value成员赋值,如下


LCD_Pixvalue_S LCD_Pixvalue;LCD_Pixvalue.Red = 0x12;LCD_Pixvalue.Pix_Value = LCD_Pixvalue.Red<<16>

需要多一句代码,并且内存占用也大。当然,直接用下面写法,不会多占用内存,但是访问不方便。


typedef struct{    uint32_t Pix_Value;}LCD_Pixvalue_S;

那么这个时候,使用联合体和结构体组合起来,就可以既不会多占内存,访问也很方便。


typedef union{    struct{        uint8_t Red;        uint8_t Green;        uint8_t Blue;          }Pix;    uint32_t Pix_Value;}LCD_Pixvalue_S;

那么就可以如下操作


LCD_Pixvalue_S LCD_Pixvalue;uint32_t data;LCD_Pixvalue.Pix_Value = 0x0012FF00;LCD_Pixvalue.Pix.Red = 0x25;//单独修改红色data = LCD_Pixvalue.Pix_Value;//data的值就为0x0025FF00

当然,结构体的定义你也可以写到外面,其他地方可以使用,如下


typedef struct{    uint8_t Red;    uint8_t Green;    uint8_t Blue;      }Pix_s;typedef union{    Pix_s Pix;    uint32_t Pix_Value;}LCD_Pixvalue_S;

那么关于内存占用的问题,上面的定义方法,定义一个LCD_Pixvalue_S类型的变量占用4个字节。示例图如下

a8637ada5788658b3aa72bf3feadb0.jpg

03联合体在串口开发中的应用

上面举例LCD应用中联合体的应用,这个是由于LCD一个像素由红绿蓝3色组成,所以用联合体很方便。在单片机项目开发中,串口协议解析也可以利用到联合体,十分方便。

在私有自定义协议中,合理定义协议,利用联合体代码十分方便。下面的例子不讲帧头,帧尾部分,举例联合体在协议解析中的应用,灵活应用。

串口协议举例如下


功能


字节长度


命令长度


4


命令字


1


命令内容


7


crc16


2

那么代码可以如下编写


typedef union{    struct{        uint32_t cmdlen;        uint8_t cmd;        uint8_t cmdbuf[7];        uint16_t crc16;    }unit;    uint8_t buffer[14];}uart_buffer_s;uart_buffer_s uart_buffer;int main(void){  uint8_t len;  len = 0;  uart_buffer.buffer[len  ] = 0x12;  uart_buffer.buffer[len  ] = 0x34;  uart_buffer.buffer[len  ] = 0x56;  uart_buffer.buffer[len  ] = 0x78;  uart_buffer.buffer[len  ] = 0xAA;  for(int i=0;i<7;i  )  {    uart_buffer.buffer[len  ] = i;  }  uart_buffer.buffer[len  ] = 0x11;  uart_buffer.buffer[len  ] = 0x22;  while (1);}

运行的结果如下

d8a284ed1a51fe75703230710be704.jpg

可以看到,我们只是往uart_buffer.buffer填充数据,模拟串口接收数据,接收完毕后,就自动解析出来我们自定义的cmdlen,cmd,cmdbuf和crc16。这里需要注意的是16位和32位的数据类型是小端模式,关于小端模式请看之前的文章《C语言在STM32中的内存分配》,这个还是很方便的。

!!!但是!!!需要注意字节对齐的问题,比如把上述cmdbuf修改为8个字节,就会出问题,如下

a95b13ad0a9048865cc66bbf9309ee.jpg

crc16就会出问题,这个就是字节对齐的问题,不懂的同学自行百度一下,这里不再重点讲解。


除了上述自定义协议解析时会用到联合体,还可以解决浮点型float的读取问题,float是占用4个字节的,如果将从串口接收的4个字节转换成float呢?联合体就可以可以解决这个问题

下面示例代码,我们知道浮点数231.5的16进制表示为0x43678000。


typedef union{    float data;    uint8_t buffer[4];}uart_buffer_s;uart_buffer_s uart_buffer;int main(void){  uint8_t len;  len = 0;  uart_buffer.buffer[len  ] = 0x00;  uart_buffer.buffer[len  ] = 0x80;  uart_buffer.buffer[len  ] = 0x67;  uart_buffer.buffer[len  ] = 0x43;  while (1);}

结果如下

22e5aa44769176b7548cb3e54d9510.jpg

可以看到我们模拟从串口收到4个字节,使用联合体,不用我们额外写代码,就可以自动转化为float型。当然这个转换也是小端模式的,小端模式详解请看文章《C语言在STM32中的内存分配》。

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