C語言位域解析及在嵌入式編程中的應(yīng)用
筆者能力有限，如文中出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方，還請各位朋友能給我指出來，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了。
位段可以很方便地訪問一個(gè)整數(shù)值的部分內(nèi)容從而簡化程序源代碼。
位域的定義
總體來說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
{
類型說明符 位域名 ： 長度；
}結(jié)構(gòu)體變量名；
舉個(gè)簡單的例子進(jìn)行說明：
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 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)簡單的例子進(jìn)行說明：
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小：
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
位域的類型使用無符號型
正如標(biāo)題所示，在位域的使用過程中使用無符號的數(shù)據(jù)類型，下面給出一個(gè)例子來說明這個(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 都是有符號的，那么自然也就有符號位的存在，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，這里比較簡單，如果對這個(gè)問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，對于 Visual Studio 來說，面對不同的數(shù)據(jù)類型時(shí)，對于上述這個(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
可見在 vs 環(huán)境下這樣使用位域不但沒有能夠節(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)境下的測試結(jié)果，下面是在 GCC 環(huán)境下的測試結(jié)果：
The Value of sizeof(BF_8) is 4 bytes
可見在 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。
成員大小之和超過一個(gè)基本存儲(chǔ)空間
除了上述成員不同類型對于不同編譯器有不同的處理方式，當(dāng)成員大小之和超過一個(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*/
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加起來的大小已經(jīng)超過了 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這種情況會(huì)采用不同的存儲(chǔ)方式，對于 GCC 來說，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進(jìn)行存儲(chǔ)，又該如何辦呢？這時(shí)就要利用匿名 0 長度位域字段的語法強(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;
}
上述代碼對于 a , b 來講，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，由于我們在裸機(jī)開發(fā)的過程中，沒有信號量，事件等機(jī)制，通常會(huì)定義一些范圍只存在于 0~1 的開關(guān)量，而在沒有使用位域之前，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)前處理器是大端對齊還是小端對齊，必須清楚當(dāng)前編譯器對所定義的位域有何影響
如果我們現(xiàn)在要使用位域訪問一個(gè) 8 位的寄存器，這個(gè)寄存器大致長這個(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;
使用位域完成對于寄存器的訪問，對于上述例子來講，我們必須要注意的一點(diǎn)是此例子是基于小端對齊模式的。
總結(jié)
位域的用法雖然看起來更加靈活了，但是在使用時(shí)也要對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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