[ARM入门] 联合体在嵌入式编程中的应用

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药无尘|  楼主 | 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
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。
//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


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药无尘|  楼主 | 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。
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

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。
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。

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
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
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
1231962b2cbc7b8205.png

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药无尘|  楼主 | 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
7196262b2cbe8ae698.png
那么代码可以如下编写

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
8662762b2cbff81c04.png
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
438562b2cc0a629ae.png
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。

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
6752162b2cc2687c7d.png
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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