联合体在嵌入式编程中的应用

只看该作者 · 2022-6-22 15:56

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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union data{

    char n;

    char ch;

    char f;

};

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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//上文的联合体定义

char data；

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

data = a.f;//那么data的值就会被修改为0x0A

只看该作者 · 2022-6-22 15:59

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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typedef struct{

    uint8_t Red;

    uint8_t Green;

    uint8_t Blue;

    uint32_t Pix_Value;

}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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LCD_Pixvalue_S LCD_Pixvalue；

LCD_Pixvalue.Red = 0x12;

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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typedef struct{

    uint32_t Pix_Value;

}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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typedef union{

    struct{

        uint8_t Red;

        uint8_t Green;

        uint8_t Blue;      

    }Pix;

    uint32_t Pix_Value;

}LCD_Pixvalue_S;

那么就可以如下操作

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LCD_Pixvalue_S LCD_Pixvalue；

uint32_t data;

LCD_Pixvalue.Pix_Value = 0x0012FF00;

LCD_Pixvalue.Pix.Red = 0x25;//单独修改红色

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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typedef struct{

    uint8_t Red;

    uint8_t Green;

    uint8_t Blue;      

}Pix_s;

typedef union{

    Pix_s Pix;

    uint32_t Pix_Value;

}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

只看该作者 · 2022-6-22 16:00

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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typedef union{

    struct{

        uint32_t cmdlen;

        uint8_t cmd;

        uint8_t cmdbuf[7];

        uint16_t crc16;

    }unit;

    uint8_t buffer[14];

}uart_buffer_s;

uart_buffer_s uart_buffer;

int main(void)

{

  uint8_t len;

  len = 0;

  uart_buffer.buffer[len++] = 0x12;

  uart_buffer.buffer[len++] = 0x34;

  uart_buffer.buffer[len++] = 0x56;

  uart_buffer.buffer[len++] = 0x78;

  uart_buffer.buffer[len++] = 0xAA;

  for(int i=0;i<7;i++)

  {

    uart_buffer.buffer[len++] = i;

  }

  uart_buffer.buffer[len++] = 0x11;

  uart_buffer.buffer[len++] = 0x22;

  while (1);

}

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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typedef union{

    float data;

    uint8_t buffer[4];

}uart_buffer_s;

uart_buffer_s uart_buffer;

int main(void)

{

  uint8_t len;

  len = 0;

  uart_buffer.buffer[len++] = 0x00;

  uart_buffer.buffer[len++] = 0x80;

  uart_buffer.buffer[len++] = 0x67;

  uart_buffer.buffer[len++] = 0x43;

  while (1);

}

结果如下