C語(yǔ)言位域解析及在嵌入式編程中的應(yīng)用

時(shí)間：2020-07-06 13:54:48

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[導(dǎo)讀]筆者能力有限，如文中出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方，還請(qǐng)各位朋友能給我指出來(lái)，我將不勝感激，謝謝～位域的概念位域（或者也能稱之為位段，英文表達(dá)是 Bit field）是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以把數(shù)據(jù)以位元的形式緊湊的存儲(chǔ)，并允許程序員對(duì)此結(jié)構(gòu)的位元進(jìn)行操作。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

筆者能力有限，如文中出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方，還請(qǐng)各位朋友能給我指出來(lái)，我將不勝感激，謝謝～

位域的概念

位域（或者也能稱之為位段，英文表達(dá)是 Bit field）是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以把數(shù)據(jù)以位元的形式緊湊的存儲(chǔ)，并允許程序員對(duì)此結(jié)構(gòu)的位元進(jìn)行操作。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的好處是：

可以使數(shù)據(jù)單元節(jié)省存儲(chǔ)空間，當(dāng)程序需要成千上萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)單元時(shí)，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)也就很明顯地突出出來(lái)了。
位段可以很方便地訪問(wèn)一個(gè)整數(shù)值的部分內(nèi)容從而簡(jiǎn)化程序源代碼。

位域的定義

總體來(lái)說(shuō)位域的定義可以分為兩大類，一個(gè)是結(jié)構(gòu)體位域，一個(gè)是共用體體位域，由于共用體和結(jié)構(gòu)體兩者在定義上的形式都是相同的，因此對(duì)于位域的定義從形式上看，兩者也都是相同的。

結(jié)構(gòu)體位域

結(jié)構(gòu)體位域定義的一般形式如下所示：

   
    struct 位域結(jié)構(gòu)體名
    {
     類型說(shuō)明符 位域名 ： 長(zhǎng)度；
    }結(jié)構(gòu)體變量名；

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行說(shuō)明：

   
    struct example0
    {
     unsigned char x : 3;
     unsigned char y : 2;
     unsigned char z : 1;
    }ex0_t;

上述定義是什么意思呢，用一張圖就能很清楚地明白，下圖是所定義的結(jié)構(gòu)體位域在內(nèi)存中的存儲(chǔ)位置：

從圖中我們可以看出，雖然 x 的類型是 unsigned char ，但是并沒(méi)有占 8 個(gè)位，而是占了 3 個(gè)位，其取值范圍也變成了 0 ～ 2^3-1。通過(guò)上述圖片我們也可以猜到這個(gè)結(jié)構(gòu)體位域的大小，筆者通過(guò) printf 函數(shù)輸出結(jié)構(gòu)體位域的大小為：

   
    The Value of sizeof(ex0_t) is : 1 byte

關(guān)于結(jié)構(gòu)體位域的大小遵循這樣一個(gè)原則：整個(gè)結(jié)構(gòu)體位域的總大小為最寬基本類型成員大小的整數(shù)倍，這一原則與筆者在上一篇文章《結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對(duì)齊解析》中寫的結(jié)構(gòu)體的總大小的原則是相同的。

共用體位域

共用體位域定義的一般形式跟結(jié)構(gòu)體定義的一般形式是大致相同的，直接舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行說(shuō)明：

   
    union example1
    {
     unsigned char x : 3;
     unsigned char y : 2;
     unsigned char z : 1;
    }ex1_u;

同樣的，筆者在這里給出共用體位域在內(nèi)存中的存儲(chǔ)位置：

這里筆者也給出共用體位域的大?。?/p>

   
    The Value of sizeof(ex1_u) is : 1 byte

由此也可以得出共用體位域大小遵循的原則是：共用體位域的總大小為最大基本類型成員的大小

結(jié)構(gòu)體位域詳解

位域的類型使用無(wú)符號(hào)型

正如標(biāo)題所示，在位域的使用過(guò)程中使用無(wú)符號(hào)的數(shù)據(jù)類型，下面給出一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明這個(gè)例子：

   
     struct BitField_8
     {
     char a : 2;
     char b : 3;
     }BF8;
    

     BF8.a = 0x3;/* 11 */
     BF8.b = 0x5;/* 101 */
     printf("%d,%d\n",BF8.a,BF8.b);

上述的輸出結(jié)果為：

   
    -1,-3

輸出結(jié)果并不是我們想要的，究其原因，實(shí)際上是因?yàn)?BF.a ，BF.b 都是有符號(hào)的，那么自然也就有符號(hào)位的存在，而最高位為 1 代表負(fù)數(shù)，負(fù)數(shù)又是以補(bǔ)碼的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的，所以也就有了上述的結(jié)果。因此為了避免上述這種問(wèn)題的出現(xiàn)，應(yīng)該將 BitField_8 中的 char 轉(zhuǎn)換成 unsigned char ,那輸出的結(jié)果就是 3,5

位域禁止的操作

由于位域的特殊，同時(shí)也有了一些跟普通變量不同的特性：

結(jié)構(gòu)體位域成員不能夠使用取址操作

   
     struct BitField_8
     {
     unsigned char a : 2;
     }BF8;
     printf("%p\n",&BF8.a); /*錯(cuò)誤*/

結(jié)構(gòu)體位域成員不能夠用 static 修飾

   
     struct BitField_8
     {
     static unsigned char a : 2;/*錯(cuò)誤*/
     }BF8;

結(jié)構(gòu)體位域成員不能夠使用數(shù)組

   
     struct BitField_8
     {
     unsigned char a[5] : 5;/*錯(cuò)誤*/
     }BF8;

不同處理器，不同編譯器對(duì)位域的影響

位域雖然能夠以位的形式操作數(shù)據(jù)，但是也被人們告知要慎重使用，原因就在于不同的處理器結(jié)構(gòu)，不同的編譯器對(duì)于位域的一些特性會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，這也就是位域移植性差的原因

處理器影響

處理器對(duì)位域造成的影響也很容易理解，大端模式和小端模式的處理器會(huì)對(duì)下面的結(jié)構(gòu)體位域產(chǎn)生不一樣的存儲(chǔ)方式，這里比較簡(jiǎn)單，如果對(duì)這個(gè)問(wèn)題不清楚的朋友可以看筆者的這篇文章《union 的概念及在嵌入式編程中的應(yīng)用》。

編譯器影響

結(jié)構(gòu)體位域成員不同類型

不同的編譯器對(duì)于位域會(huì)有不同的結(jié)果，比如下面這段代碼：

   
    struct BitField_5
    {
     unsigned int a : 4;
     unsigned char b : 4; 
    }BF_8;
    

    int main(void)
    {
     printf("The Value of sizeof(BF_8) is:%lu bytes\n",sizeof(BF_8));
    }

上述所定義的結(jié)構(gòu)體位域中，對(duì)于結(jié)構(gòu)體位域內(nèi)成員不同數(shù)據(jù)類型，不同的編譯器有不同的處理，對(duì)于 Visual Studio 來(lái)說(shuō)，面對(duì)不同的數(shù)據(jù)類型時(shí)，對(duì)于上述這個(gè)例子，存儲(chǔ)完第一個(gè)成員 a 后，會(huì)重新另起 4 byte 的空間進(jìn)行存儲(chǔ)，因此對(duì)于上述代碼在 Visual Studio 的運(yùn)行結(jié)果是：

   
    The Value of sizeof(BF_8) is 8 bytes

可見(jiàn)在 vs 環(huán)境下這樣使用位域不但沒(méi)有能夠節(jié)省內(nèi)存空間，反而相比于結(jié)構(gòu)體還擴(kuò)大了。上述是 VS 環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果，下面是在 GCC 環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果：

   
    The Value of sizeof(BF_8) is 4 bytes

可見(jiàn)在 GCC 環(huán)境下，就算結(jié)構(gòu)體位域成員的數(shù)據(jù)類型不一致，它其實(shí)按照“壓縮”數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行存儲(chǔ)的，也就是說(shuō)結(jié)構(gòu)體位域里的成員都是挨著存放的。

成員大小之和超過(guò)一個(gè)基本存儲(chǔ)空間

除了上述成員不同類型對(duì)于不同編譯器有不同的處理方式，當(dāng)成員大小之和超過(guò)一個(gè)基本存儲(chǔ)空間時(shí)，不同的編譯器也有不同的處理方式，比如下面這段代碼：

   
    struct short_flag_t
    {
     unsigned short a : 7;
     unsigned short b : 10; 
    };

對(duì)于上面這段代碼，同類型成員除了這樣定義之外，也可以這樣定義：

   
    struct short_flag_t
    {
     unsigned short a : 7,/*注意此處是逗號(hào)*/
     b : 10;
    };

上面的代碼因?yàn)?unsigned short 的大小是 2 個(gè)字節(jié)，而成員 a,b加起來(lái)的大小已經(jīng)超過(guò)了 2 個(gè)字節(jié)，所以這種情況下也就有了以下兩種存儲(chǔ)方式：

a , b 緊鄰
b 在下一個(gè)可存儲(chǔ)它的存儲(chǔ)單元內(nèi)分配內(nèi)存

不同編譯器可能面對(duì)這種情況會(huì)采用不同的存儲(chǔ)方式，對(duì)于 GCC 來(lái)說(shuō)，采用的是第二種，如果編譯器采用的是第一種方式，而程序要求又需要按照第二種方式來(lái)進(jìn)行存儲(chǔ)，又該如何辦呢？這時(shí)就要利用匿名 0 長(zhǎng)度位域字段的語(yǔ)法強(qiáng)制位域在下一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)，示例代碼如下：

   
    struct short_flag_t
    {
     unsigned short a : 2;
     unsigned short : 0;
     unsigned short b : 3;
    }

上述代碼對(duì)于 a , b 來(lái)講，b 便不會(huì)緊挨著 a 進(jìn)行存儲(chǔ)，而是強(qiáng)制使 b 在下一個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行存儲(chǔ)。

位域的應(yīng)用

上述便是位域涉及的基本概念，那知道了基本概念之后，又能使用位域做些什么呢？最容易另人想到的就是使用結(jié)構(gòu)體位域定義標(biāo)志位，由于我們?cè)诼銠C(jī)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，沒(méi)有信號(hào)量，事件等機(jī)制，通常會(huì)定義一些范圍只存在于 0~1 的開(kāi)關(guān)量，而在沒(méi)有使用位域之前，最小的變量類型都是 1 個(gè)字節(jié)，使用結(jié)構(gòu)體位域?qū)⒛軌蚋鶕?jù)取值范圍定義該變量的位數(shù)，從而起到節(jié)省內(nèi)存的作用。

用于訪問(wèn)微控制器的寄存器

位域受到處理器和編譯器的影響，在使用前我們必須清楚當(dāng)前處理器是大端對(duì)齊還是小端對(duì)齊，必須清楚當(dāng)前編譯器對(duì)所定義的位域有何影響

如果我們現(xiàn)在要使用位域訪問(wèn)一個(gè) 8 位的寄存器，這個(gè)寄存器大致長(zhǎng)這個(gè)樣子：

那么我們就可以使用結(jié)構(gòu)體位域構(gòu)造這樣一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

   
    typedef union
    {
     unsigned char Byte;
     struct
     {
     unsigned char bit012 : 3;
     unsigned char bit34 : 2;
     unsigned char bit5 : 1;
     unsigned char bit6 : 1;
     unsigned char bit7 : 1;
     }bits;
    }registerType;

現(xiàn)在假設(shè)我們這個(gè)寄存器的地址是 0x0000 8000，那么我們就可以定義一個(gè)指針并使其指向這個(gè)地址，如下：

   
    registerType *pReg = (registerType *)0x0000 8000;

在進(jìn)行了上述定義之后，我們就可以對(duì)寄存器進(jìn)行操作了，首先，我們可以使用位域的方式操作寄存器的位，比如這樣：

   
    pReg->bits.bit5 = 1;
    pReg->bits.bit012 = 7;

當(dāng)然也可以利用 union 的特性直接操作整個(gè)寄存器，如下：

   
    pReg->Byte = 0x55;

使用位域完成對(duì)于寄存器的訪問(wèn)，對(duì)于上述例子來(lái)講，我們必須要注意的一點(diǎn)是此例子是基于小端對(duì)齊模式的。

總結(jié)

位域的用法雖然看起來(lái)更加靈活了，但是在使用時(shí)也要對(duì)我們的處理器和編譯器有所了解，如果為了寫出移植性較高的程序，應(yīng)該避免使用位域。

參考資料：

[1] https://aticleworld.com/access-the-port-and-register-using-bit-field-in-embedded-c/

[2] https://www.raviyp.com/bitfields-in-c-for-accessing-microcontroller-registers/

[3]https://aticleworld.com/bit-field-in-c/

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