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STM32 结构体位域操作

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tfqi|  楼主 | 2021-6-8 16:42 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

1、什么是位域

有些信息在存储时,并不需要占用一个完整的字节, 而只需占几个或一个二进制位。

例如:

在存放一个开关量时,只有 0 和 1 两种状态, 用一位二进位即可。

为了节省存储空间,并使处理简便,C语言又提供了一种数据结构,称为“位域”或“位段”。

所谓“位域”是把一个字节中的二进位划分为几 个不同的区域,并说明每个区域的位数。

每个域有一个域名,允许在程序中按域名进行操作。

这样就可以把几个不同的对象用一个字节的二进制位域来表示。

位段成员必须声明为 int、unsigned int 或 signed int 类型(short char long)。


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沙发
tfqi|  楼主 | 2021-6-8 16:43 | 只看该作者

2、位域定义     

struct 位域结构名     
{
  位域列表
};
  
其中位域列表的形式为:

类型说明符 位域名:位域长度     

例如:     



  • struct bs     



  • {     



  • int a:8;     



  • int b:2;     



  • int c:6;     



  • };


位域变量的说明与结构变量说明的方式相同。

可采用先定义后说明,同时定义说明或者直接说明这三种方式。

例如:     



  • struct bs     



  • {     



  • int a:8;     



  • int b:2;     



  • int c:6;     



  • } data;   


说明data为bs变量,共占两个字节。

其中位域a占8位,位域b占2位,位域c占6位。

对于位域的定义尚有以下几点说明:     

1) 如果一个字节所剩空间不够存放另一位域时,应从下一单元起存放该位域。

也可以有意使某位域从下一单元开始。

例如:     



  • struct bs     



  • {     



  • unsigned a:4     



  • unsigned :0 /*空域*/     



  • unsigned b:4 /*从下一单元开始存放*/     



  • unsigned c:4     



  • }     


这个位域定义中,a占第一字节的4位,后4位填0表示不使用,b从第二字节开始,占用4位,c占用4位。     

2)位域的长度不能大于数据类型本身的长度,比如int类型就能超过32位二进位。

3)位域可以无位域名,这时它只用来作填充或调整位置。无名的位域是不能使用的。例如:     



  • struct k     



  • {     



  • int a:1     



  • int :2 /*该2位不能使用*/     



  • int b:3     



  • int c:2     



  • };  


从以上分析可以看出,位域在本质上就是一种结构类型,不过其成员是按二进位分配的。     


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板凳
tfqi|  楼主 | 2021-6-8 16:45 | 只看该作者

3、位域的使用

位域的使用和结构成员的使用相同。

其一般形式为:

位域变量名.位域名 位域允许用各种格式输出。     



  • struct bs     



  • {     



  •     unsigned a:1;     



  •     unsigned b:3;     



  •     unsigned c:4;     



  • } bit,*pbit;   







  • bit.a=1;     



  • bit.b=7;


注意:位域的赋值不能超过该域所能表示的最大值,如b只有3位,能表示的最大数为7,若赋为8,就会出错   



  • bit.c=15;







  • printf("%d,%d,%d/n",bit.a,bit.b,bit.c);



  • pbit=&bit;



  • pbit->a=0;



  • pbit->b&=3;



  • pbit->c=1;



  • printf("%d,%d,%d/n",pbit->a,pbit->b,pbit->c);


上例程序中定义了位域结构bs,三个位域为a,b,c。

说明了bs类型的变量bit和指向bs类型的指针变量pbit,这表示位域也是可以使用指针的。

我们再来看看下面两个结构体定义:



  • struct foo2 {



  • char    a : 2;



  • char    b : 3;



  • char    c : 1;



  • };







  • struct foo3 {



  • char    a : 2;



  • char    b : 3;



  • char    c : 7;



  • };


我们来打印一下这两个结构体的大小,我们得到的结果是:



  • sizeof(struct foo2) = 1



  • sizeof(struct foo3) = 2


显然都不是我们期望的,如果按照正常的内存对齐规则, 这两个结构体大小均应该为3才对,那么问题出在哪了呢?

首先通过这种现象我们可以肯定的是:带有'位域'的结构体并不是按照每个域对齐的,而是将一些位域 成员'捆绑'在一起做对齐的。

以foo2为例,这个结构体中所有的成员都是char型的,而且三个位域占用的总空间为6 bit < 8 bit(1 byte),这时编译器会将这三个成员'捆绑'在一起做对齐,并且以最小空间作代价,这就是为什么我们得到sizeof(struct foo2) = 1这样的结果的原因了。

再看看foo3这个结构体,同foo2一样,三个成员类型也都是char型,但是三个成员位域所占空间之和为9 bit > 8 bit(1 byte),这里位域是不能跨越两个成员基本类型空间的,这时编译器将a和b两个成员'捆绑'按照char做对齐,而c单独拿出来以char类型做对齐, 这样实际上在b和c之间出现了空隙,但这也是最节省空间的方法了。

我们再看一种结构体定义:



  • struct foo4 {



  • char    a : 2;



  • char    b : 3;



  • int c : 1;



  • };


在foo4中虽然三个位域所占用空间之和为6 bit < 8 bit(1 byte),但是由于char和int的对齐系数是不同的,是不能捆绑在一起,那是不是a、b捆绑在一起按照char对齐,c单独按照int对齐呢?

我们 打印一下sizeof(struct foo4)发现结果为8,也就是说编译器把a、b、c一起捆绑起来并以int做对齐了。

就是说不够一个类型的size时,将按其中最大的那个类型对齐,此处按int对齐。

C99规定int、unsigned int和bool可以作为位域类型,但编译器几乎都对此作了扩展,

允许其它类型类型的存在。

使用位域的主要目的是压缩存储,其大致规则为:

1) 如果相邻位域字段的类型相同,且其位宽之和小于类型的sizeof大小,则后面的字段将紧邻前一个字段存储,直到不能容纳为止;

2) 如果相邻位域字段的类型相同,但其位宽之和大于类型的sizeof大小,则后面的字段将从新的存储单元开始,其偏移量为其类型大小的整数倍;

3) 如果相邻的位域字段的类型不同,则各编译器的具体实现有差异,VC6采取不压缩方式,Dev-C++,GCC采取压缩方式;

4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段,则不进行压缩;

5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。



  • struct s1



  • {



  • int i: 8;



  • int j: 4;



  • int a: 3;



  • double b;



  • };







  • struct s2



  • {



  • int i: 8;



  • int j: 4;



  • double b;



  • int a:3;



  • };







  • printf("sizeof(s1)= %d/n", sizeof(s1));



  • printf("sizeof(s2)= %d/n", sizeof(s2));



  • result: 16, 24


第一个结构体中,i,j,a共占15个位,不足8个字节,按double 8字节对齐,共16字节

第二个结构体中,i,j共占12位,不足8字节,按8字节对齐,a也按8字节对齐,加上double共8+8+8=24个字节


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