嵌入式開(kāi)發(fā)中C語(yǔ)言位結(jié)構(gòu)體有哪些用途詳細(xì)分析講解

在嵌入式開(kāi)發(fā)中，經(jīng)常需要表示各種系統(tǒng)狀態(tài)，位結(jié)構(gòu)體的出現(xiàn)大大方便了我們，尤其是在進(jìn)行一些硬件層操作和數(shù)據(jù)通信時(shí)。但是在使用位結(jié)構(gòu)體的過(guò)程中，是否深入思考一下它的相關(guān)屬性？是否真正用到它的便利性，來(lái)提高系統(tǒng)效率？

下面將進(jìn)行一些相關(guān)實(shí)驗(yàn)（這里以項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中的實(shí)際代碼為例）：

1.位結(jié)構(gòu)體類(lèi)型設(shè)計(jì)

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1.//datastructureexceptfornumberstructure

2.typedefstructsymbol_struct

3.{

4.uint_32SYMBOL_TYPE:5;//datatype,havetheaffecton"datadisplaytype"

5.uint_32reserved_1:4;

6.

7.uint_32SYMBOL_NUMBER:7;//effectivedatanumberinoneelement

8.uint_32SYMBOL_ACTIVE:1;//symbolactivestatus

9.

10.uint_32SYMBOL_INDEX:8;//dataindexinnorflash,resultisrelatedto"xxx_BASE_ADDR"

11.uint_32reserved_2:8;

12.

13.}SYMBOL_STRUCT,_PTR_SYMBOL_STRUCT_PTR;

分析：這里定義了一個(gè)位結(jié)構(gòu)體類(lèi)型SYMBOL_STRUCT，那么用該類(lèi)型定義的變量都哪些屬性呢？

看下面運(yùn)行結(jié)果：

WORDS是定義的另一個(gè)外層類(lèi)型定義封裝，可以把它當(dāng)作變量來(lái)看待。WORDS變量里前5個(gè)數(shù)據(jù)域的地址都是0x1ffff082c，而reserved_2的地址0x1fff0830,緊接著的PressureState變量是0x1fff0834。

開(kāi)始以為：reserved_1和SYMBOL_TYPE不在一個(gè)地址上，因?yàn)樗麄?+4共9位，超過(guò)了1個(gè)字節(jié)地址，但實(shí)際他們共用首地址了；而且reserved_2只定義了8位，竟然實(shí)際占用了4個(gè)字節(jié)（0x1fff0834 - 0x1fff0830），我本來(lái)是想讓他占用1個(gè)字節(jié)的。WORDS整體占了8個(gè)字節(jié)（0x1fff0834 - 0x1fff082c），設(shè)計(jì)時(shí)分析占用5個(gè)字節(jié)

（SYMBOL_TYPE 1個(gè)；reserved_1 1個(gè)；SYMBOL_NUMBER+SYMBOL_ACTIVE 1個(gè)；SYMBOL_INDEX 1個(gè)；reserved_2 1個(gè)）。

uint_32 reserved_2 : 8; 占用4個(gè)字節(jié)，估計(jì)是uint_32在起作用，而這里寫(xiě)的8位，只是我使用的有效位數(shù)，另外24位空閑，如果在下面再定義一個(gè)uint_32 reserved_3 : 8，地址也是一樣的，都是以u(píng)int_32為單位取地址。

同理，上面的5個(gè)變量，共用一個(gè)地址就不足為奇了。而且有效位的分配不是連續(xù)進(jìn)行的，例如SYMBOL_TYPE+reserved_1 共9位，超過(guò)了一個(gè)字節(jié)，索性系統(tǒng)就分配兩個(gè)字節(jié)給他們，每人一個(gè)；SYMBOL_NUMBER+SYMBOL_ACTIVE 共8位，一個(gè)字節(jié)就能搞定。

2、修改數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證上述猜想

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1.//datastructureexceptfornumberstructure

2.typedefstructsymbol_struct

3.{

4.uint_8SYMBOL_TYPE:5;//datatype,havetheaffecton"datadisplaytype"

5.uint_8reserved_1:4;

6.

7.uint_8SYMBOL_NUMBER:7;//effectivedatanumberinoneelement

8.uint_8SYMBOL_ACTIVE:1;//symbolactivestatus

9.

10.uint_8SYMBOL_INDEX:8;//dataindexinnorflash,resultisrelatedto"xxx_BASE_ADDR"

11.uint_8reserved_2:8;

12.

13.}SYMBOL_STRUCT,_PTR_SYMBOL_STRUCT_PTR;

14.

地址數(shù)據(jù)如下：

當(dāng)換成uint_8后，可以看到地址空間占用大大減小，reserved_2只占用1個(gè)字節(jié)(0x1fff069f - 0x1fff069e)，其他變量也都符合上面的結(jié)論猜想。但是，注意看上面黃色和紅色的語(yǔ)句，總感覺(jué)有些勉強(qiáng)，那么我又會(huì)想，前兩個(gè)變量數(shù)據(jù)域是9位，那么他們實(shí)際上是不是真正的獨(dú)立呢？雖然在uint_8上面他們是不同的地址，在uint_32的時(shí)候是不是也是不同的地址空間呢？

3、分析結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的數(shù)據(jù)域是否連續(xù)，看下圖及結(jié)果

本來(lái)假設(shè)：由前2次試驗(yàn)的結(jié)論，一共占用8個(gè)字節(jié)，節(jié)空間占用：(2+4)+(4+4)+(2+2+4)+(2+2)+(6)?？墒?，實(shí)際效果并不是想的那樣。實(shí)際只占用了4個(gè)字節(jié)，系統(tǒng)并沒(méi)有按照預(yù)想的方式，為RESERVED變量分配4個(gè)字節(jié)。

分析：

這些數(shù)據(jù)域，整體相加一共32位，占用4個(gè)字節(jié)(不考慮數(shù)據(jù)對(duì)齊問(wèn)題)。而實(shí)際確實(shí)是占用了4個(gè)字節(jié)，唯一的原因就是：這些數(shù)據(jù)域以緊湊的方式鏈接，沒(méi)有任何空閑位。實(shí)際是不是這樣呢？

看下圖和結(jié)果：

這里為了驗(yàn)證是否緊湊鏈接，用到了一個(gè)union數(shù)據(jù)，后面會(huì)講到用union不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)組織方式有任何影響，看實(shí)際與上次的一樣，也能分析出來(lái)。

主要是分析第2和第3個(gè)數(shù)據(jù)域是否緊密鏈接的。OBJECT_ACTIVE_PRE賦值0b00001111，NUMBER_ACTIVE賦值0b00000101，其他變量都是0，看到WORD數(shù)值0b1011111000000。分析WORD數(shù)據(jù)，可以看到這款MCU還是小端格式(高位數(shù)據(jù)在高端，低位數(shù)據(jù)在低端，這里不對(duì)大小端進(jìn)行討論)，斷開(kāi)數(shù)據(jù)變成(0)10111 11000000，正好是0101+1111，OBJECT_ACTIVE_PRE數(shù)據(jù)域，跨越了兩個(gè)字節(jié)，并不是剛開(kāi)始設(shè)想的那樣。這就印證了上面的緊密鏈接的結(jié)論，也符合數(shù)據(jù)結(jié)果輸出。

4、再次實(shí)驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)是否緊密鏈接，看下圖和結(jié)果

可以看到，RESERVED數(shù)據(jù)域已經(jīng)不再屬于4個(gè)地址空間內(nèi)了(0x1fff0518 - 0x1fff051b)，但是他們整體加起來(lái)還是32個(gè)位域。這說(shuō)明數(shù)據(jù)中間肯定有“空隙”存在了，空隙在哪？看一下NUMBER_STATE，如果緊密的話(huà)它應(yīng)該跟NUMBER_ACTIVE在同一個(gè)字節(jié)地址上，可是他們并不在一塊，“空隙”就存在這里。

這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體有什么不一樣？數(shù)據(jù)類(lèi)型不一致，一個(gè)是uint_32，一個(gè)是uint_8。綜上所述：數(shù)據(jù)類(lèi)型影響的是編譯器在分配物理空間時(shí)的大小單位，uint_32是以4個(gè)字節(jié)為單位，而后面的位域則是指在已經(jīng)分配好的物理空間內(nèi)部再緊湊的方式分配數(shù)據(jù)位，當(dāng)物理空間不能滿(mǎn)足位域時(shí)，那么系統(tǒng)就再次以一定大小單位進(jìn)行物理空間分配，這個(gè)單位就是上面提到的uint_8或者uint_32。

舉例：上面uint_32時(shí)，這些位域不管是不是在一個(gè)字節(jié)地址上，如果能夠緊湊的分配在一個(gè)4字節(jié)空間大小上，就直接緊湊分配。如果不能則繼續(xù)分配(總空間超過(guò)4字節(jié))，則再次以4字節(jié)空間分配，并把新的位域建立在新的地址空間上(條目1上的就是)。當(dāng)uint_8時(shí)，很明顯如果位域不能緊湊的放在一個(gè)字節(jié)空間上，那么就從新分配新的1字節(jié)空間大小，道理是一樣的。

5、結(jié)構(gòu)體組合、共用體組合是否影響上述結(jié)論

可以看到，系統(tǒng)并沒(méi)有因?yàn)槲唤Y(jié)構(gòu)體上面有uint_4的4字節(jié)變量或者共用體類(lèi)型，就改變分配策略把位域都擠到4字節(jié)之內(nèi)，看來(lái)他們是沒(méi)有什么實(shí)質(zhì)性聯(lián)系的。這里把uint_32改成uint_8，或者把位結(jié)構(gòu)體也替換掉，經(jīng)我試驗(yàn)證明，都是沒(méi)有任何影響的。

總結(jié)

1、在操作位結(jié)構(gòu)體時(shí)，要關(guān)注變量的位域是否在一個(gè)變量類(lèi)型（uint_32或者uint_8）上，判斷占用空間大小

2、除了位域，還要關(guān)注變量定義類(lèi)型，因?yàn)榫幾g器空間分配始終是按類(lèi)型分配的，位域只是指出了有效位(小于類(lèi)型占用空間)，而且如果位域大于類(lèi)型空間，編譯器直接報(bào)錯(cuò)（如 uint_8 test :15，可自行實(shí)驗(yàn)）。

3、這兩個(gè)因素都影響變量占用空間大小，具體可以結(jié)合調(diào)試窗口，通過(guò)地址分配分析判斷

4、最重要的一點(diǎn)：上面的所有結(jié)果，都是基于我自己的CodeWarrior10.2和MQX3.8分析出來(lái)的，不同的編譯環(huán)境和操作系統(tǒng)，都可能會(huì)有不同的結(jié)果；而且即便是環(huán)境相同，編譯器的配置和優(yōu)化選項(xiàng)都有可能影響系統(tǒng)處理結(jié)果。結(jié)論并不重要，主要想告訴大家這一塊隱藏陷阱，在以后處理類(lèi)似問(wèn)題時(shí)，要注意分析避讓并掌握方法。