了解嵌入式C：什么是結(jié)構(gòu)？

本文提供了有關(guān)嵌入式C編程中的結(jié)構(gòu)的一些基本信息。
在介紹了結(jié)構(gòu)之后，我們將看一下這個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)對(duì)象的一些重要應(yīng)用。然后，我們將檢查C語(yǔ)言語(yǔ)法以聲明結(jié)構(gòu)。最后，我們將簡(jiǎn)要介紹數(shù)據(jù)對(duì)齊要求。我們將看到，通過(guò)簡(jiǎn)單地重新排列其成員的順序，我們也許可以減小結(jié)構(gòu)的大小。

結(jié)構(gòu)體

邏輯上彼此相關(guān)的多個(gè)相同類型的變量可以分組為一個(gè)數(shù)組。在組上而不是自變量的集合上工作使我們可以整理數(shù)據(jù)并更方便地使用它。例如，我們可以定義以下數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)將語(yǔ)音輸入數(shù)字化的ADC的最后50個(gè)樣本：

uint16_tvoice[50];

請(qǐng)注意，uint16_t是寬度為16位的無(wú)符號(hào)整數(shù)類型。這在C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)stdint.h中定義，該庫(kù)提供與系統(tǒng)規(guī)格無(wú)關(guān)的特定位長(zhǎng)的數(shù)據(jù)類型。

數(shù)組可用于對(duì)同一數(shù)據(jù)類型的多個(gè)變量進(jìn)行分組。如果不同數(shù)據(jù)類型的變量之間存在聯(lián)系怎么辦？我們可以在程序中將這些變量視為一組嗎？例如，假設(shè)我們需要指定 上面生成語(yǔ)音陣列的ADC的采樣率。我們可以定義一個(gè)float變量來(lái)存儲(chǔ)采樣率：

floatsample_rate;

盡管變量voice和sample_rate彼此相關(guān)，但它們被定義為兩個(gè)獨(dú)立變量。為了使這兩個(gè)變量相互關(guān)聯(lián)，我們可以使用稱為結(jié)構(gòu)的C語(yǔ)言強(qiáng)大的數(shù)據(jù)構(gòu)造。結(jié)構(gòu)允許我們將不同的數(shù)據(jù)類型分組，并將它們作為單個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象處理。一個(gè)結(jié)構(gòu)可以包括不同種類的變量類型，例如其他結(jié)構(gòu)，指向函數(shù)的指針，指向結(jié)構(gòu)的指針等。對(duì)于語(yǔ)音示例，我們可以使用以下結(jié)構(gòu)：

structrecord{
uint16_tvoice[50];
floatsample_rate;
};

在這種情況下，我們有一個(gè)稱為record的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu) 具有兩個(gè)不同的成員或字段：第一個(gè)成員是uint16_t元素的數(shù)組，第二個(gè)成員是float類型的變量。語(yǔ)法以關(guān)鍵字struct開(kāi)頭。struct關(guān)鍵字后的單詞是一個(gè)可選名稱，用于以后引用該結(jié)構(gòu)。我們將在本文的其余部分中討論定義和使用結(jié)構(gòu)的其他細(xì)節(jié)。

為什么結(jié)構(gòu)很重要？

上面的示例指出了結(jié)構(gòu)的重要應(yīng)用，即定義了可以將不同類型的各個(gè)變量相互關(guān)聯(lián)的依賴于應(yīng)用的數(shù)據(jù)對(duì)象。這不僅導(dǎo)致處理數(shù)據(jù)的有效方式，而且使我們能夠?qū)崿F(xiàn)稱為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的專門(mén)結(jié)構(gòu)。
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可用于各種應(yīng)用程序，例如兩個(gè)嵌入式系統(tǒng)之間的消息傳遞以及將從傳感器收集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不連續(xù)的內(nèi)存位置中。


圖1.結(jié)構(gòu)可用于實(shí)現(xiàn)鏈表。
此外，當(dāng)程序需要訪問(wèn)內(nèi)存映射的微控制器外圍設(shè)備的寄存器時(shí)，結(jié)構(gòu)是有用的數(shù)據(jù)對(duì)象。在下一篇文章中，我們將介紹結(jié)構(gòu)應(yīng)用程序。


圖2.STM32MCU的存儲(chǔ)器映射。圖片由帶ARM的嵌入式系統(tǒng)提供。
聲明結(jié)構(gòu)

要使用結(jié)構(gòu)，我們首先需要指定一個(gè)結(jié)構(gòu)模板。考慮下面的示例代碼：

structrecord{
uint16_tvoice[4];
floatsample_rate;
};

這指定了用于創(chuàng)建此類型的將來(lái)變量的布局或模板。該模板包括一個(gè)uint16_t數(shù)組和一個(gè)float類型的變量。模板的名稱為record，它位于關(guān)鍵字struct之后。值得一提的是，沒(méi)有用于存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)模板的內(nèi)存分配。僅在定義了基于此布局的結(jié)構(gòu)變量之后，才進(jìn)行內(nèi)存分配。以下代碼聲明 了上述模板的mic1變量：

structrecordmic1;

現(xiàn)在，為變量mic1分配了一部分內(nèi)存。它有空間存儲(chǔ)數(shù)組的四個(gè)uint16_t元素和一個(gè)float變量。

可以使用成員運(yùn)算符（。）訪問(wèn)結(jié)構(gòu)的成員。例如，以下代碼將100分配給數(shù)組的第一個(gè)元素，并將sample_rate的值復(fù)制到fs變量（該變量必須是float類型）。

mic1.voice[0]=100;
fs=mic1.sample_rate;

聲明結(jié)構(gòu)的其他方法
在上一節(jié)中，我們介紹了一種聲明結(jié)構(gòu)的方法。C語(yǔ)言支持其他一些格式，本節(jié)將進(jìn)行介紹。在整個(gè)程序中，您可能會(huì)堅(jiān)持使用一種格式，但有時(shí)可能會(huì)對(duì)其他格式有所幫助。

聲明結(jié)構(gòu)模板的一般語(yǔ)法為：

structtag_name{
type_1member_1;
type_2member_2;
…
type_nmember_n;

}variable_name;

該TAG_NAME和變量名是可選的標(biāo)識(shí)符。通常，我們會(huì)至少看到這兩個(gè)標(biāo)識(shí)符之一，但是在某些情況下，我們可以消除這兩個(gè)標(biāo)識(shí)符。

語(yǔ)法1：當(dāng)同時(shí)存在tag_name和variable_name時(shí)，我們?cè)谀０搴竺娑x結(jié)構(gòu)變量。使用此語(yǔ)法，我們可以重寫(xiě)以下示例：

structrecord{
uint16_tvoice[4];
floatsample_rate;
}mic1;

現(xiàn)在，如果我們需要定義另一個(gè)變量（mic2），我們可以編寫(xiě)

structrecordmic2;

語(yǔ)法2：僅 包含variable_name。使用此語(yǔ)法，我們可以按以下方式重寫(xiě)上一節(jié)中的示例：

struct{
uint16_tvoice[4];
floatsample_rate;
}mic1;

在這種情況下，我們必須在模板之后定義所有變量，而我們以后不能在程序中定義任何其他變量（因?yàn)槟０鍥](méi)有名稱，以后也不能引用它）。

語(yǔ)法3：在這種情況下，沒(méi)有tag_name或variable_name。以這種方式定義的結(jié)構(gòu)模板稱為匿名結(jié)構(gòu)。可以在另一個(gè)結(jié)構(gòu)或聯(lián)合中定義匿名結(jié)構(gòu)。下面是一個(gè)示例：

structtest{
//Anonymousstructure
struct{
floatf;
chara;
};
}test_var;

要訪問(wèn)上述匿名結(jié)構(gòu)的成員，我們可以使用成員運(yùn)算符（。）。以下代碼將1.2分配給成員f。

test_var.f=1.2;

由于該結(jié)構(gòu)是匿名的，因此我們僅使用一次成員運(yùn)算符訪問(wèn)其成員。如果它的名稱如下面的示例所示，我們將不得不兩次使用成員運(yùn)算符：

structtest{
struct{
floatf;
chara;
}nested;
}test_var;

在這種情況下，我們應(yīng)該使用以下代碼將1.2分配給f：

test_var.nested.f=1.2;

如您所見(jiàn)，匿名結(jié)構(gòu)可以使代碼更具可讀性，而又不那么冗長(zhǎng)。也可以將typedef關(guān)鍵字與結(jié)構(gòu)一起使用以定義新的數(shù)據(jù)類型。我們將在以后的文章中介紹這種方法。

結(jié)構(gòu)的內(nèi)存布局

C標(biāo)準(zhǔn)保證結(jié)構(gòu)的成員將按照在結(jié)構(gòu)中聲明成員的順序一個(gè)接一個(gè)地位于內(nèi)存中。第一個(gè)成員的內(nèi)存地址將與結(jié)構(gòu)本身的地址相同。考慮以下示例：

將分配四個(gè)存儲(chǔ)位置來(lái)存儲(chǔ)變量c，d，e和f。內(nèi)存位置的順序?qū)⑴c聲明成員的順序匹配：c的位置將具有最低的地址，然后是d，e，最后出現(xiàn)f。我們需要多少字節(jié)來(lái)存儲(chǔ)此結(jié)構(gòu)？考慮到變量的大小，我們知道至少需要1 + 4 + 1 + 2 = 8個(gè)字節(jié)來(lái)存儲(chǔ)此結(jié)構(gòu)。但是，如果我們將此代碼編譯為32位計(jì)算機(jī)，則會(huì)令人驚訝地觀察到MyStruct的大小是12個(gè)字節(jié)而不是8個(gè)字節(jié)！這是由于以下事實(shí)：編譯器在為結(jié)構(gòu)的不同成員分配內(nèi)存時(shí)具有某些約束。例如，一個(gè)32位整數(shù)只能存儲(chǔ)在其地址可被4整除的內(nèi)存位置。實(shí)施這種約束，稱為數(shù)據(jù)對(duì)齊要求，以使處理器更有效地訪問(wèn)變量。數(shù)據(jù)對(duì)齊會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存布局浪費(fèi)一些空間（或填充）。僅在這里介紹該主題。我們將在本系列的下一篇文章中詳細(xì)介紹。


圖3.數(shù)據(jù)對(duì)齊會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存布局中的空間浪費(fèi)（或填充）。
意識(shí)到數(shù)據(jù)對(duì)齊要求后，我們也許可以重新排列結(jié)構(gòu)中成員的順序，并使內(nèi)存使用效率更高。例如，如果我們按如下所示重寫(xiě)上述結(jié)構(gòu)，則在32位計(jì)算機(jī)上，其大小將減小為8個(gè)字節(jié)。

structTest2{
uint32_td;
uint16_tf;
uint8_tc;
uint8_te;
}MyStruct;

對(duì)于受內(nèi)存限制的嵌入式系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)對(duì)象的大小從12個(gè)字節(jié)減少到8個(gè)字節(jié)可節(jié)省大量資金，尤其是當(dāng)程序需要許多此類數(shù)據(jù)對(duì)象時(shí)。
下一篇文章將更詳細(xì)地討論數(shù)據(jù)對(duì)齊，并研究在嵌入式系統(tǒng)中使用結(jié)構(gòu)的一些示例。

概要

• 結(jié)構(gòu)允許我們定義依賴于應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)對(duì)象，這些對(duì)象可以將不同類型的各個(gè)變量相互關(guān)聯(lián)。這導(dǎo)致了一種有效的數(shù)據(jù)處理方法。

• 稱為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的專用結(jié)構(gòu)可用于各種應(yīng)用程序，例如兩個(gè)嵌入式系統(tǒng)之間的消息傳遞以及將從傳感器收集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不連續(xù)的內(nèi)存位置中。

• 當(dāng)我們需要訪問(wèn)存儲(chǔ)器映射的微控制器外設(shè)的寄存器時(shí)，結(jié)構(gòu)很有用。

• 通過(guò)重新排列結(jié)構(gòu)中成員的順序，我們也許可以使內(nèi)存使用效率更高。