嵌入式C語言中的結(jié)構(gòu)是什么？

在介紹結(jié)構(gòu)之后，將看一下這個(gè)強(qiáng)大數(shù)據(jù)對(duì)象的一些重要應(yīng)用。然后將檢查C語言語法以聲明結(jié)構(gòu)。最后將簡(jiǎn)要介紹數(shù)據(jù)對(duì)齊要求?？梢酝ㄟ^簡(jiǎn)單地重新排列其成員的順序來減小結(jié)構(gòu)的大小。

結(jié)構(gòu)

可以將在邏輯上彼此相關(guān)的同一類型的多個(gè)變量分組為數(shù)組。使用一個(gè)組而不是一組自變量，可以更方便地安排和使用數(shù)據(jù)。例如，可以定義以下數(shù)組來存儲(chǔ)數(shù)字化語音輸入的ADC的最后50個(gè)樣本：

uint16_t voice[50];

請(qǐng)注意，uint16_t是無符號(hào)整數(shù)類型，寬度恰好為16位。這是在C標(biāo)準(zhǔn)庫stdint.h中定義的，它提供了與系統(tǒng)規(guī)范無關(guān)的特定位長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)類型。數(shù)組可用于對(duì)多個(gè)具有相同數(shù)據(jù)類型的變量進(jìn)行分組。如果不同數(shù)據(jù)類型的變量之間存在連接怎么辦？可以在程序中將這些變量視為一個(gè)組嗎？例如，假設(shè)需要指定生成上述語音 陣列的ADC的采樣率?？梢远x一個(gè)浮點(diǎn)變量來存儲(chǔ)采樣率：

float sample_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。為了將這兩個(gè)變量相互關(guān)聯(lián)，我們可以使用稱為結(jié)構(gòu)的C語言的強(qiáng)大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)允許將不同的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分組并將它們作為單個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象處理。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)于語音示例可以使用以下結(jié)構(gòu)：

struct record {

uint16_t voice[50];

float sample_rate;

};

在這種情況下，有一個(gè)名為record的結(jié)構(gòu)，它有兩個(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。語法以關(guān)鍵字struct開頭。struct關(guān)鍵字后面的單詞是一個(gè)可選名稱，用于以后引用該結(jié)構(gòu)。將在本文的其余部分討論定義和使用結(jié)構(gòu)的其他細(xì)節(jié)。

結(jié)構(gòu)的重要性

上面的例子指出了結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要應(yīng)用，即定義了可以將不同類型的單個(gè)變量相互關(guān)聯(lián)的依賴于應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)對(duì)象。這不僅可以實(shí)現(xiàn)操作數(shù)據(jù)的有效方式，還可以實(shí)現(xiàn)稱為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的專用結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可用于各種應(yīng)用，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)在非連續(xù)存儲(chǔ)器位置中。

圖1.結(jié)構(gòu)可用于實(shí)現(xiàn)鏈表

另外，當(dāng)程序需要訪問內(nèi)存映射微控制器外圍設(shè)備的寄存器時(shí)，結(jié)構(gòu)是有用的數(shù)據(jù)對(duì)象。

圖2.STM32 MCU的存儲(chǔ)器映射。圖片由ARM

聲明結(jié)構(gòu)

要使用結(jié)構(gòu)，首先需要指定結(jié)構(gòu)模板。請(qǐng)考慮以下示例代碼：

struct record {

uint16_t voice[4];

float sample_rate;

};

這指定了用于創(chuàng)建此類型的未來變量的布局或模板。該模板包含一個(gè)uint16_t數(shù)組和一個(gè)float類型的變量。模板的名稱是record，它位于關(guān)鍵字struct之后。值得一提的是，存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)模板沒有內(nèi)存分配。只有在定義了基于此布局的結(jié)構(gòu)變量之后，才會(huì)進(jìn)行內(nèi)存分配。以下代碼聲明了上述模板的變量mic1：

struct record mic1;

為變量mic1分配了一段內(nèi)存。它有空間來存儲(chǔ)數(shù)組的四個(gè)uint16_t元素和一個(gè)float變量?？梢允褂贸蓡T運(yùn)算符（.）訪問結(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（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

我們?cè)谇耙还?jié)中研究了一種聲明結(jié)構(gòu)的方法。C語言支持本節(jié)中將要討論的一些其他格式。你可能會(huì)在整個(gè)程序中堅(jiān)持使用一種格式，但熟悉其他格式有時(shí)可能會(huì)有所幫助。聲明結(jié)構(gòu)模板的一般語法是：

struct tag_name {

type_1 member_1;

type_2 member_2;

…

type_n member_n;

} variable_name;

該tag_name和variable_name是可選的標(biāo)識(shí)符。我們通常會(huì)看到這兩個(gè)標(biāo)識(shí)符中的至少一個(gè)，但在某些情況下我們可以消除它們。語法1：當(dāng)tag_name和variable_name都存在時(shí)，我們就在模板之后定義結(jié)構(gòu)變量。使用此語法，我們可以重寫上一個(gè)示例，如下所示：

struct record {

uint16_t voice[4];

float sample_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

struct record mic2;

語法2：僅包含variable_name。使用這種語法，我們可以重寫上一節(jié)中的示例，如下所示：

struct {

uint16_t voice[4];

float sample_rate;

} mic1;

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

語法3：在這種情況下，沒有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)?？梢栽诹硪粋€(gè)結(jié)構(gòu)或聯(lián)合中定義匿名結(jié)構(gòu)。下面給出一個(gè)例子：

struct test {

// Anonymous structure

struct {

float f;

char a;

};

} test_var;

要訪問上述匿名結(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;

由于結(jié)構(gòu)是匿名的，所以我們只使用一次成員運(yùn)算符來訪問它的成員。如果它有如下示例中所示的名稱，則必須使用成員運(yùn)算符兩次：

struct test {

struct {

float f;

char a;

} 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;

如你所見，匿名結(jié)構(gòu)可以使代碼更具可讀性和更簡(jiǎn)潔。也可以使用typedef關(guān)鍵字和結(jié)構(gòu)來定義新的數(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。請(qǐng)考慮以下示例：

struct Test2{

uint8_t c;

uint32_t d;

uint8_t e;

uint16_t f;

} MyStruct;

將分配四個(gè)存儲(chǔ)器位置來存儲(chǔ)變量C、D、E和F。內(nèi)存位置的順序?qū)⑴c聲明成員的順序相匹配：C的位置將具有最低地址，然后是D、E和最終的F。我們需要多少字節(jié)來存儲(chǔ)這個(gè)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)來存儲(chǔ)這個(gè)結(jié)構(gòu)。但是，如果我們?yōu)?2位機(jī)器編譯這段代碼，我們會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)MyStruct的大小是12個(gè)字節(jié)而不是8個(gè)字節(jié)！這是因?yàn)榫幾g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，32位整數(shù)只能存儲(chǔ)在地址可被4整除的內(nèi)存位置。實(shí)現(xiàn)這種稱為數(shù)據(jù)對(duì)齊要求的約束，以使處理器更有效地訪問變量。數(shù)據(jù)對(duì)齊會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存布局中的一些浪費(fèi)空間（或填充）。這個(gè)主題只在這里介紹; 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)齊導(dǎo)致內(nèi)存布局中的一些浪費(fèi)

了解數(shù)據(jù)對(duì)齊要求后，我們可能能夠重新排列結(jié)構(gòu)中成員的順序，并提高內(nèi)存使用效率。例如，如果我們重寫上面給出的結(jié)構(gòu)，它的大小將在32位機(jī)器上減少到8個(gè)字節(jié)。

struct Test2{

uint32_t d;

uint16_t f;

uint8_t c;

uint8_t e;

} MyStruct;

對(duì)于內(nèi)存受限的嵌入式系統(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)可以節(jié)省大量成本，特別是當(dāng)程序需要許多這些數(shù)據(jù)對(duì)象時(shí)。

總結(jié)

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單個(gè)變量相互關(guān)聯(lián)，這就產(chǎn)生了一種有效的數(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，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)在非連續(xù)存儲(chǔ)器位置中；當(dāng)我們需要訪問內(nèi)存映射微控制器外圍設(shè)備的寄存器時(shí)，結(jié)構(gòu)是有用的；我們可以通過重新排列結(jié)構(gòu)中成員的順序來提高內(nèi)存使用效率。