嵌入式C中結(jié)構(gòu)與聯(lián)合的區(qū)別

我們討論了嵌入式C中的結(jié)構(gòu)允許我們對(duì)不同數(shù)據(jù)類型的變量進(jìn)行分組，并將它們作為單個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象處理。除了結(jié)構(gòu)之外，C語言還支持另一種稱為聯(lián)合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它可以將不同的數(shù)據(jù)類型分組為單個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象。本文將提供有關(guān)聯(lián)合的一些基本信息。我們首先來看一下聲明一個(gè)union的介紹性例子，然后我們將研究這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象的一個(gè)重要應(yīng)用。

介紹性實(shí)例

聲明聯(lián)合和聲明結(jié)構(gòu)非常類似。我們只需要將關(guān)鍵字“struct”替換為“union”。請(qǐng)考慮以下示例代碼：

union test {

uint8_t c;

uint32_t i;

};

這指定了一個(gè)具有兩個(gè)成員的模板：“c”（占用一個(gè)字節(jié)）和“i”（占用四個(gè)字節(jié)）。現(xiàn)在，我們可以創(chuàng)建此聯(lián)合模板的變量：

union test u1;

使用成員運(yùn)算符（.），我們可以訪問“u1”聯(lián)合的成員。例如，以下代碼將10分配給上述聯(lián)合的第二個(gè)成員，并將“c”的值復(fù)制到“m”變量（必須是uint8_t類型）。

u1.i=10;

m=u1.c;

將分配多少內(nèi)存空間來存儲(chǔ)“u1”變量？雖然結(jié)構(gòu)的大小至少與其成員大小的總和一樣大，但聯(lián)合的大小等于其最大變量的大小。分配給聯(lián)合的內(nèi)存空間將在所有聯(lián)合成員之間共享。在上面的例子中，“u1”的大小等于uint32_t的大小，即四個(gè)字節(jié)。該存儲(chǔ)空間在“i”和“c”之間共享。因此，為這兩個(gè)成員之一分配值將更改另一個(gè)成員的值。

需要共享內(nèi)存空間嗎？

讓我們看一個(gè)聯(lián)合可以成為有用數(shù)據(jù)對(duì)象的例子。假設(shè)，如下面的圖1所示，系統(tǒng)中有兩個(gè)設(shè)備需要相互通信。

圖1

“設(shè)備A”應(yīng)將狀態(tài)，速度和位置信息發(fā)送到“設(shè)備B”。狀態(tài)信息由三個(gè)變量組成，用于指示電池電量、工作模式和環(huán)境溫度。該位置由兩個(gè)顯示x軸和y軸位置的變量表示。最后，速度由單個(gè)變量表示。假設(shè)這些變量的大小如下表所示。

如果“設(shè)備B”經(jīng)常需要包含這些信息的每一部分，我們可以將所有這些變量存儲(chǔ)在一個(gè)結(jié)構(gòu)中并將結(jié)構(gòu)發(fā)送到“設(shè)備B”。結(jié)構(gòu)大小至少與這些變量大小的總和一樣大，即9個(gè)字節(jié)。因此，每次“設(shè)備A”與“設(shè)備B”對(duì)話時(shí)，它需要通過兩個(gè)設(shè)備之間的通信鏈路傳輸9字節(jié)數(shù)據(jù)幀。圖2描繪了“設(shè)備A”用于存儲(chǔ)變量和需要通過通信鏈路的數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)。

圖2

但是，讓我們考慮一個(gè)不同的場景，我們偶爾只需要發(fā)送狀態(tài)信息。另外，假設(shè)在給定時(shí)間不需要同時(shí)獲得位置和速度信息。換句話說，有時(shí)我們只發(fā)送位置，有時(shí)我們只發(fā)送速度，有時(shí)我們只發(fā)送狀態(tài)信息。在這種情況下，將信息存儲(chǔ)在九字節(jié)結(jié)構(gòu)中并通過通信鏈路傳輸似乎不是一個(gè)好主意。

狀態(tài)信息只能用三個(gè)字節(jié)表示; 對(duì)于位置和速度，我們分別只需要四個(gè)和兩個(gè)字節(jié)。因此，“設(shè)備A”在一次傳輸中需要發(fā)送的最大字節(jié)數(shù)是4，因此，我們只需要4個(gè)字節(jié)的內(nèi)存來存儲(chǔ)該信息。這個(gè)四字節(jié)的存儲(chǔ)空間將在我們的三種消息類型之間共享（參見圖3）。另外，請(qǐng)注意，通過通信鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的長度從9個(gè)字節(jié)減少到4個(gè)字節(jié)。

圖3

總而言之，如果我們的程序具有互斥的變量，我們可以將它們存儲(chǔ)在共享的內(nèi)存區(qū)域中，以保留內(nèi)存空間。這可能很重要，尤其是在內(nèi)存受限的嵌入式系統(tǒng)環(huán)境中。在這種情況下，我們可以使用聯(lián)合來創(chuàng)建所需的共享內(nèi)存空間。上面的例子表明，使用聯(lián)合來處理互斥變量也可以幫助我們節(jié)省通信帶寬。節(jié)省通信帶寬有時(shí)甚至比節(jié)省內(nèi)存更重要。

對(duì)消息包使用聯(lián)合

讓我們看看我們?nèi)绾问褂寐?lián)合來存儲(chǔ)上面例子的變量。我們有三種不同的消息類型：狀態(tài)、位置和速度。我們可以為狀態(tài)和位置消息的變量創(chuàng)建一個(gè)結(jié)構(gòu)（以便將這些消息的變量分組并作為單個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行操作）。以下結(jié)構(gòu)用于此目的：

struct {

uint8_t power;

unit8_t op_mode;

uint8_t temp;

} status;struct {

uint16_t x_pos;

unit16_t y_pos;

} position;

我們可以將這些結(jié)構(gòu)與“vel”變量一起放在一個(gè)聯(lián)合中：

union {struct {

uint8_t power;

unit8_t op_mode;

uint8_t temp;

} status;struct {

uint16_t x_pos;

unit16_t y_pos;

} position;

uint16_t vel;

} msg_union;

上面的代碼指定了一個(gè)聯(lián)合模板，并創(chuàng)建了該模板的一個(gè)變量（名為“msg_union”）。在這個(gè)聯(lián)合內(nèi)部，有兩個(gè)結(jié)構(gòu)（“狀態(tài)”和“位置”）和一個(gè)雙字節(jié)變量（“vel”）。此并集的大小將等于其最大成員的大小，即“位置”結(jié)構(gòu)，它占用四個(gè)字節(jié)的內(nèi)存。該“存儲(chǔ)空間”在“status”、“position”和“vel”變量之間共享。

如何跟蹤聯(lián)合活躍成員

我們可以使用上面聯(lián)合的共享內(nèi)存空間來存儲(chǔ)我們的變量；但是，還有一個(gè)問題：接收器應(yīng)該如何確定發(fā)送了哪種類型的消息？接收器需要識(shí)別消息類型以能夠成功地解釋所接收的信息。例如，如果我們發(fā)送“位置”消息，則接收數(shù)據(jù)的所有四個(gè)字節(jié)都很重要，但對(duì)于“velocity”消息，只應(yīng)使用兩個(gè)接收字節(jié)。要解決這個(gè)問題，我們需要將聯(lián)合與另一個(gè)變量相關(guān)聯(lián)，比如“msg_type”，它指示消息類型（或最后寫入的聯(lián)合成員）。與表示聯(lián)合的活躍成員的離散值配對(duì)的聯(lián)合稱為“區(qū)分聯(lián)合”或“標(biāo)記聯(lián)合”。

關(guān)于“msg_type”變量的數(shù)據(jù)類型，我們可以使用C語言的枚舉數(shù)據(jù)類型來創(chuàng)建符號(hào)常量。但是，我們將使用一個(gè)字符來指定消息類型，只是為了使事情盡可能簡單：

struct {

uint8_t msg_type;union {struct {

uint8_t power;

unit8_t op_mode;

uint8_t temp;

} status;struct {

uint16_t x_pos;

unit16_t y_pos;

} position;

uint16_t vel;

} msg_union;

} message;

我們可以考慮“msg_type”變量的三個(gè)可能值：“s”表示“狀態(tài)”消息，“p”表示“位置”消息，“v”表示“速度”消息。我們可以將“消息”結(jié)構(gòu)發(fā)送到“設(shè)備B”，并使用“msg_type”變量的值作為消息類型的指示符。例如，如果接收到的“msg_type”的值為“p”，則“設(shè)備B”將知道共享存儲(chǔ)空間包含兩個(gè)2字節(jié)變量。請(qǐng)注意，我們必須向通過通信鏈路發(fā)送的數(shù)據(jù)幀添加另一個(gè)字節(jié)，因?yàn)槲覀冃枰獋鬏敗癿sg_type”變量。另請(qǐng)注意，使用此解決方案，接收器不需要提前知道正在發(fā)送什么類型的消息。

另一種解決方案

我們看到聯(lián)合允許我們聲明共享內(nèi)存區(qū)域以節(jié)省內(nèi)存空間和通信帶寬。但是，存在另一種存儲(chǔ)互斥變量的方法，例如上例中的變量。第二種解決方案使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配來存儲(chǔ)每種消息類型的變量。同樣，我們需要一個(gè)變量“msg_type”來指定通信鏈路的發(fā)送器和接收器端的消息類型。例如，如果“設(shè)備A”需要發(fā)送位置消息，它會(huì)將“msg_type”設(shè)置為“p”并分配四個(gè)字節(jié)的內(nèi)存空間來存儲(chǔ)“x_pos”和“y_pos”變量。接收器將檢查“msg_type”的值，并根據(jù)其值創(chuàng)建適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)空間，用于存儲(chǔ)和解釋傳入的數(shù)據(jù)幀。

使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存在內(nèi)存使用方面可以更有效，因?yàn)槲覀優(yōu)槊糠N消息類型分配了足夠的空間。基于聯(lián)合的解決方案并非如此。在那里，我們有四個(gè)字節(jié)的共享內(nèi)存來存儲(chǔ)所有三種消息類型，盡管“狀態(tài)”和“速度”消息分別只需要三個(gè)和兩個(gè)字節(jié)。但是，動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配可能較慢，程序員需要包含釋放分配內(nèi)存的代碼。這就是程序員通常喜歡使用基于聯(lián)合的解決方案的原因。

聯(lián)合的應(yīng)用

似乎聯(lián)合的最初目的是為互斥變量創(chuàng)建共享內(nèi)存區(qū)域。但是，聯(lián)合也被廣泛用于從較大的數(shù)據(jù)對(duì)象中提取較小的數(shù)據(jù)部分。