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[ARM入门] 联合体在嵌入式编程中的应用

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 楼主| 药无尘 发表于 2022-6-22 15:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
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
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  1. union data{
    

  2.     char n;
    

  3.     char ch;
    

  4.     char f;
    

  5. };
    

  6. 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。
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  1. //上文的联合体定义
    

  2. char data；
    

  3. 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
    

  4. data = a.f;//那么data的值就会被修改为0x0A


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 楼主| 药无尘 发表于 2022-6-22 15:59 | 显示全部楼层
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。
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  1. typedef struct{
    

  2.     uint8_t Red;
    

  3.     uint8_t Green;
    

  4.     uint8_t Blue;
    

  5.     uint32_t Pix_Value;
    

  6. }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
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  1. 

  2. LCD_Pixvalue_S LCD_Pixvalue；
    

  3. LCD_Pixvalue.Red = 0x12;
    

  4. LCD_Pixvalue.Pix_Value = LCD_Pixvalue.Red<<16 | LCD_Pixvalue.Red<<8 |LCD_Pixvalue.Blue;
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。
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  1. typedef struct{
    

  2.     uint32_t Pix_Value;
    

  3. }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。
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  1. 

  2. typedef union{
    

  3.     struct{
    

  4.         uint8_t Red;
    

  5.         uint8_t Green;
    

  6.         uint8_t Blue;      
    

  7.     }Pix;
    

  8.     uint32_t Pix_Value;
    

  9. }LCD_Pixvalue_S;
那么就可以如下操作
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  1. LCD_Pixvalue_S LCD_Pixvalue；
    

  2. uint32_t data;
    

  3. LCD_Pixvalue.Pix_Value = 0x0012FF00;
    

  4. LCD_Pixvalue.Pix.Red = 0x25;//单独修改红色
    

  5. 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
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  1. typedef struct{
    

  2.     uint8_t Red;
    

  3.     uint8_t Green;
    

  4.     uint8_t Blue;      
    

  5. }Pix_s;
    

  6. typedef union{
    

  7.     Pix_s Pix;
    

  8.     uint32_t Pix_Value;
    

  9. }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

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 楼主| 药无尘 发表于 2022-6-22 16:00 | 显示全部楼层
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
那么代码可以如下编写
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  1. 

  2. typedef union{
    

  3.     struct{
    

  4.         uint32_t cmdlen;
    

  5.         uint8_t cmd;
    

  6.         uint8_t cmdbuf[7];
    

  7.         uint16_t crc16;
    

  8.     }unit;
    

  9.     uint8_t buffer[14];
    

  10. }uart_buffer_s;
    

  11. uart_buffer_s uart_buffer;
    

  12. int main(void)
    

  13. {
    

  14.   uint8_t len;
    

  15.   len = 0;
    

  16.   uart_buffer.buffer[len++] = 0x12;
    

  17.   uart_buffer.buffer[len++] = 0x34;
    

  18.   uart_buffer.buffer[len++] = 0x56;
    

  19.   uart_buffer.buffer[len++] = 0x78;
    

  20.   uart_buffer.buffer[len++] = 0xAA;
    

  21.   for(int i=0;i<7;i++)
    

  22.   {
    

  23.     uart_buffer.buffer[len++] = i;
    

  24.   }
    

  25.   uart_buffer.buffer[len++] = 0x11;
    

  26.   uart_buffer.buffer[len++] = 0x22;
    

  27.   while (1);
    

  28. }
运行的结果如下
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
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。
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  1. 

  2. typedef union{
    

  3.     float data;
    

  4.     uint8_t buffer[4];
    

  5. }uart_buffer_s;
    

  6. uart_buffer_s uart_buffer;
    

  7. int main(void)
    

  8. {
    

  9.   uint8_t len;
    

  10.   len = 0;
    

  11.   uart_buffer.buffer[len++] = 0x00;
    

  12.   uart_buffer.buffer[len++] = 0x80;
    

  13.   uart_buffer.buffer[len++] = 0x67;
    

  14.   uart_buffer.buffer[len++] = 0x43;
    

  15.   while (1);
    

  16. }
结果如下
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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天命风流 发表于 2022-6-29 15:43 | 显示全部楼层
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