嵌入式C中結構與聯(lián)合的區(qū)別

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

介紹性實例

聲明聯(lián)合和聲明結構非常類似。我們只需要將關鍵字“struct”替換為“union”。請考慮以下示例代碼：

union test {

uint8_t c;

uint32_t i;

};

這指定了一個具有兩個成員的模板：“c”（占用一個字節(jié)）和“i”（占用四個字節(jié)）?，F(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)合的第二個成員，并將“c”的值復制到“m”變量（必須是uint8_t類型）。

u1.i=10;

m=u1.c;

將分配多少內存空間來存儲“u1”變量？雖然結構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，即四個字節(jié)。該存儲空間在“i”和“c”之間共享。因此，為這兩個成員之一分配值將更改另一個成員的值。

需要共享內存空間嗎？

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

圖1

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

如果“設備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在一個結構中并將結構發(fā)送到“設備B”。結構大小至少與這些變量大小的總和一樣大，即9個字節(jié)。因此，每次“設備A”與“設備B”對話時，它需要通過兩個設備之間的通信鏈路傳輸9字節(jié)數(shù)據(jù)幀。圖2描繪了“設備A”用于存儲變量和需要通過通信鏈路的數(shù)據(jù)幀的結構。

圖2

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

狀態(tài)信息只能用三個字節(jié)表示; 對于位置和速度，我們分別只需要四個和兩個字節(jié)。因此，“設備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個字節(jié)的內存來存儲該信息。這個四字節(jié)的存儲空間將在我們的三種消息類型之間共享（參見圖3）。另外，請注意，通過通信鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀的長度從9個字節(jié)減少到4個字節(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在共享的內存區(qū)域中，以保留內存空間。這可能很重要，尤其是在內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)省通信帶寬有時甚至比節(jié)省內存更重要。

對消息包使用聯(lián)合

讓我們看看我們如何使用聯(lián)合來存儲上面例子的變量。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)建一個結構（以便將這些消息的變量分組并作為單個數(shù)據(jù)對象進行操作）。以下結構用于此目的：

struct {

uint8_t power;

unit8_t op_mode;

uint8_t temp;

} status;struct {

uint16_t x_pos;

unit16_t y_pos;

} position;

我們可以將這些結構與“vel”變量一起放在一個聯(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聯(lián)合模板，并創(chuàng)建了該模板的一個變量（名為“msg_union”）。在這個聯(lián)合內部，有兩個結構（“狀態(tài)”和“位置”）和一個雙字節(jié)變量（“vel”）。此并集的大小將等于其最大成員的大小，即“位置”結構，它占用四個字節(jié)的內存。該“存儲空間”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)合的共享內存空間來存儲我們的變量；但是，還有一個問題：接收器應該如何確定發(fā)送了哪種類型的消息？接收器需要識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)的所有四個字節(jié)都很重要，但對于“velocity”消息，只應使用兩個接收字節(jié)。要解決這個問題，我們需要將聯(lián)合與另一個變量相關聯(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的聯(lián)合稱為“區(qū)分聯(lián)合”或“標記聯(lián)合”。

關于“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)建符號常量。但是，我們將使用一個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”結構發(fā)送到“設備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“設備B”將知道共享存儲空間包含兩個2字節(jié)變量。請注意，我們必須向通過通信鏈路發(fā)送的數(shù)據(jù)幀添加另一個字節(jié)，因為我們需要傳輸“msg_type”變量。另請注意，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存區(qū)域以節(jié)省內存空間和通信帶寬。但是，存在另一種存儲互斥變量的方法，例如上例中的變量。第二種解決方案使用動態(tài)內存分配來存儲每種消息類型的變量。同樣，我們需要一個變量“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“設備A”需要發(fā)送位置消息，它會將“msg_type”設置為“p”并分配四個字節(jié)的內存空間來存儲“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?shù)拇鎯臻g，用于存儲和解釋傳入的數(shù)據(jù)幀。

使用動態(tài)內存在內存使用方面可以更有效，因為我們?yōu)槊糠N消息類型分配了足夠的空間?；诼?lián)合的解決方案并非如此。在那里，我們有四個字節(jié)的共享內存來存儲所有三種消息類型，盡管“狀態(tài)”和“速度”消息分別只需要三個和兩個字節(jié)。但是，動態(tài)內存分配可能較慢，程序員需要包含釋放分配內存的代碼。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)合的應用

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