單片機(jī)編程高效利用RAM資源的方法（2）

位域的定義

位域的定義格式如下：

struct 位域結(jié)構(gòu)體名 
{ 
    數(shù)據(jù)類型  位域名   :位域長(zhǎng)度;
};

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型

標(biāo)準(zhǔn)C規(guī)定位域的數(shù)據(jù)類型只有如下四種：

• unsigned int
• signed int
• int
• _Bool

例如;

/*無(wú)符號(hào)整型位域，范圍：0~7*/
unsigned int b:3; 


/*有符號(hào)整型位域，范圍：-4~3*/
signed int b:3;


/*int 默認(rèn)是 signed int，范圍：0~7 或 -4~3*/
int b:3;


/*布爾類型位域，范圍：0~1*/
bool b:1;

注意：

在 ANSI C 中，位域數(shù)據(jù)類型只有 unsigned int ，signed int，int 三種，到 C99 才加入 _Bool 數(shù)據(jù)類型支持。

int 用作位域數(shù)據(jù)類型，表示無(wú)符號(hào)數(shù)時(shí)，范圍為：07；表示有符號(hào)數(shù)時(shí)，范圍為：-43 。

其他數(shù)據(jù)類型

細(xì)心的小伙伴可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，在【基礎(chǔ)篇】的示例代碼里，我用了 unsigned char 類型來(lái)定義位域成員，上面不是說(shuō)標(biāo)準(zhǔn)C規(guī)定了只有 unsigned int、signed int、int 和 _Bool 這四種數(shù)據(jù)類型才能作為位域的數(shù)據(jù)類型嗎？為什么用 unsigned char 類型定義位域成員也行呢？

其實(shí)這個(gè)問題與編譯器有關(guān)，單片機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)，用到的主流 IDE 一般都是 Keil 和 IAR ，這兩個(gè) IDE 都集成了編譯器，這些編譯器大多都在標(biāo)準(zhǔn)C上做了擴(kuò)展，增加了 char、signed char、unsigned char 等數(shù)據(jù)類型，所以使用 unsigned char 類型定義位域成員也是沒有問題的。

為了方便講解，下面的例子中我都會(huì)使用 unsigned char 類型定義位域成員。

位域名

位域名是可選項(xiàng)，定義位域成員時(shí)，是可以不寫位域名的，格式如下：

struct 位域結(jié)構(gòu)體名 
{ 
    數(shù)據(jù)類型     :位域長(zhǎng)度;
};

這些沒有位域名的位域，叫做無(wú)名位域，有些資料也叫匿名位域；無(wú)名位域沒有位域名，在程序中是無(wú)法引用無(wú)名位域的，無(wú)名位域一般用來(lái)填充指定位數(shù)或調(diào)整成員位置。

位域長(zhǎng)度

位域長(zhǎng)度就是指某個(gè)位域成員變量所占用的二進(jìn)制位數(shù)（bit），位域長(zhǎng)度不能超過定義該位域的數(shù)據(jù)類型的長(zhǎng)度。

這個(gè)很好理解，假設(shè)我定義了一個(gè)位域成員 a ，如下：

struct A
{ 
    unsigned char a  :8;
};

位域成員 a 是由 unsigned char 類型定義的，假設(shè) unsigned char 類型占用一字節(jié)空間，那么位域成員 a 的位域長(zhǎng)度就不能超過 8 。

位域的使用

位域的使用方法和結(jié)構(gòu)體一樣，有如下兩種形式：

位域變量名.位域名
位域變量名- >位域名

例如：

struct Bit_Field_t
{
    unsigned char a      :4;
    unsigned char b      :3;
};


struct Bit_Field_t Bit_Field;
struct Bit_Field_t *Bit_Field_p;


Bit_Field.a
Bit_Field_p- >a

需要注意的是，位域一般只占用一個(gè)字節(jié)的若干個(gè) bit（例如上述的位域 a只占用了一個(gè)字節(jié)的 4bit 空間），而且不一定位于字節(jié)的起始位置。另外，地址的操作單位是字節(jié)，而不是 bit ，因此對(duì)獲取位域的地址是沒有意義的，例如下面的操作是不被允許的：

&Bit_Field.a

C11 中還規(guī)定，不能對(duì)位域使用 sizeof 和 _Alignas 這兩個(gè)關(guān)鍵字。

位域的存儲(chǔ)

測(cè)試環(huán)境

先說(shuō)明一下我的測(cè)試環(huán)境，下面涉及到的代碼，是在ubuntu 系統(tǒng)下，使用 GCC 編譯的。

測(cè)試各常用變量長(zhǎng)度如下：

printf("sizeof(char)   = %dn", sizeof(char));
printf("sizeof(short)  = %dn", sizeof(short));
printf("sizeof(int)    = %dn", sizeof(int));
printf("sizeof(long)   = %dn", sizeof(long));


printf("n");


printf("sizeof(unsigned char)   = %dn", sizeof(unsigned char));
printf("sizeof(unsigned short)  = %dn", sizeof(unsigned short));
printf("sizeof(unsigned int)    = %dn", sizeof(unsigned int));
printf("sizeof(unsigned long)   = %dn", sizeof(unsigned long));

相鄰位域數(shù)據(jù)類型相同

當(dāng)相鄰的位域數(shù)據(jù)類型相同時(shí)，各個(gè)位域都是緊挨著存儲(chǔ)的，如果剩余空間不足以存放下一個(gè)位域，則下一個(gè)位域從新的存儲(chǔ)單元開始存儲(chǔ)，例如：

struct Bit_Field_t
{
    unsigned char a      :4;
    unsigned char b      :3;
    unsigned char c      :5;
};


struct Bit_Field_t Bit_Field;

位域 a 和位域 b 占用了 7bit 空間，剩余 1bit 空間不足以存儲(chǔ)位域 c ，所以位域 c 從下一存儲(chǔ)空間開始存儲(chǔ)，unsigned char 類型占用一字節(jié)空間，所以位域 c 從下一字節(jié)開始存儲(chǔ)，如下：

相鄰位域數(shù)據(jù)類型不同

當(dāng)相鄰的位域數(shù)據(jù)類型不同時(shí)，不同數(shù)據(jù)類型的位域可能緊挨著存儲(chǔ)，也有可能從下一個(gè)存儲(chǔ)單元開始存儲(chǔ)，這個(gè)存儲(chǔ)機(jī)制與編譯器有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，GCC 編譯器會(huì)將不同數(shù)據(jù)類型的相鄰位域緊挨著存儲(chǔ)，例如：

struct Bit_Field_t
{
    unsigned char  a      :4;
    unsigned char  b      :3;
    unsigned short c      :5;
};


struct Bit_Field_t Bit_Field;

位域 a 和位域 b 類型相同，沒有超出字節(jié)長(zhǎng)度，緊挨著存儲(chǔ)，剩余 1bit 空間，位域 c 與位域 b 類型不同，如果編譯器將這兩個(gè)相鄰位域緊挨著存儲(chǔ)的話，示意圖如下：

位域之間有無(wú)名位域

當(dāng)兩個(gè)位域之間有無(wú)名位域時(shí)，位域的存儲(chǔ)位置與無(wú)名位域長(zhǎng)度有關(guān)。

當(dāng)無(wú)名位域長(zhǎng)度為 0 時(shí)，指定下個(gè)位域從下一個(gè)存儲(chǔ)單元開始存放，例如：

struct Bit_Field_t
{
    unsigned char a : 3;
    unsigned char   : 0;
    unsigned char b : 4;
};


struct Bit_Field_t Bit_Field;

unsigned char 類型占用一字節(jié)空間，位域 a 占用了 3bit 空間，緊挨著就是一個(gè)長(zhǎng)度為0的無(wú)名位域，這就意味著位域 b 需要從下一個(gè)存儲(chǔ)單元開始存儲(chǔ)，unsigned char 類型占用一字節(jié)空間，所以位域 b 從下一字節(jié)開始存儲(chǔ)。

當(dāng)無(wú)名位域長(zhǎng)度大于 0 時(shí)，跳過指定 bit 后再開始存放下一位域，例如：

struct Bit_Field_t
{
    unsigned char a : 3;
    unsigned char   : 4;
    unsigned char b : 4;
};


struct Bit_Field_t Bit_Field;

unsigned char 類型占用一字節(jié)空間，位域 a 占用了 3bit 空間，緊挨著就是一個(gè)長(zhǎng)度為4的無(wú)名位域，此時(shí)會(huì)跳過 4bit 不用，在 bit7 的位置開始存放位域 b 。

小結(jié)

位域的優(yōu)點(diǎn)很明顯，合理運(yùn)用的話可以極大地節(jié)省內(nèi)存資源；然而，位域的缺點(diǎn)也同樣明顯，不同的平臺(tái)，不同的編譯器，不同的大小端模式，都會(huì)影響位域在內(nèi)存中的存儲(chǔ)，因此，使用位域的程序，想在不同的平臺(tái)間移植，是件很頭疼的事情。

上面舉的例子，都是以單個(gè)字節(jié)作為存儲(chǔ)單元，以字節(jié)對(duì)齊的方式為前提講解的，在使用其他長(zhǎng)度的類型作為存儲(chǔ)單元以及使用其他對(duì)齊方式都會(huì)有不同的結(jié)果，這個(gè)大家在實(shí)際開發(fā)中需要靈活應(yīng)用。