联合体在单片机编程中的应用

2023-02-28

data len 联合体

01联合体之前的文章《枚举和结构体的结合》文中提到，结构体就像是打包封装，把一些有共同特征的变量封装在内部。结构体是一种构造类型或复杂类型，它可以包含多个类型不同的成员。在C语言中，还有另外一种和结构体非常类似的语法，叫做联合体(Union)(有些地方也叫做共用体)。联合体举例如下复制unionda

01联合体

之前的文章《枚举和结构体的结合》文中提到，结构体就像是打包封装，把一些有共同特征的变量封装在内部。结构体是一种构造类型或复杂类型，它可以包含多个类型不同的成员。在C语言中，还有另外一种和结构体非常类似的语法，叫做联合体(Union)(有些地方也叫做共用体)。

联合体举例如下

union data{
    char n;
    char ch;
    char f;
};
union data a, b, c;1.
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结构体和联合体的区别在于：结构体的各个成员会占用不同的内存，互相之间没有影响;而联合体的所有成员占用同一段内存，修改一个成员会影响其余所有成员。

结构体占用的内存大于等于所有成员占用的内存的总和(存在字节对齐问题，这里不深入讨论)。

联合体占用的内存等于最长的成员占用的内存。联合体中如果对新的成员赋值，就会把原来成员的值覆盖掉。

//上文的联合体定义
char data；
a.n = 0x0A;//虽然只修改了成员变量n，但是ch和f变量都会被改变
data = a.f;//那么data的值就会被修改为0x0A1.
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02联合体的应用

联合体在一般中的编程应用中还是很少的，在单片机编程中较多，在之前的文章《枚举和结构体的结合》将枚举和结构体的结合，下面的例子简单说明下联合体在结构体中的应用(我的日常开发中联合体一般都是和结构体一起使用的)。

在做显示屏应用时牵扯到一个概念，显示屏(全彩)上一个像素点是由于Red，Green，Blue三种颜色组成，在888模式下，每个像素点都是由8个bit组成的，这个时候为了便是一个像素点就需要用到结构体，这也对应前面的文章，结构体就像是打包封装，把一些有共同特征的变量封装在内部。

typedef struct{
    uint8_t Red;
    uint8_t Green;
    uint8_t Blue;
    uint32_t Pix_Value;
}LCD_Pixvalue_S;1.
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上面这样的写法是十分清晰的，访问很方便，可以单独访整个像素，也可以访问像素的某个颜色，有个问题那就是我操作红色像素，需要重新给Pix_Value成员赋值，如下

LCD_Pixvalue_S LCD_Pixvalue；
LCD_Pixvalue.Red = 0x12;
LCD_Pixvalue.Pix_Value = LCD_Pixvalue.Red<<16 | LCD_Pixvalue.Red<<8 |LCD_Pixvalue.Blue;1.
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需要多一句代码，并且内存占用也大。当然，直接用下面写法，不会多占用内存，但是访问不方便。

typedef struct{
    uint32_t Pix_Value;
}LCD_Pixvalue_S;1.
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那么这个时候，使用联合体和结构体组合起来，就可以既不会多占内存，访问也很方便。

typedef union{
    struct{
        uint8_t Red;
        uint8_t Green;
        uint8_t Blue;      
    }Pix;
    uint32_t Pix_Value;
}LCD_Pixvalue_S;1.
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那么就可以如下操作

LCD_Pixvalue_S LCD_Pixvalue；
uint32_t data;
LCD_Pixvalue.Pix_Value = 0x0012FF00;
LCD_Pixvalue.Pix.Red = 0x25;//单独修改红色
data = LCD_Pixvalue.Pix_Value;//data的值就为0x0025FF001.
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当然，结构体的定义你也可以写到外面，其他地方可以使用，如下

typedef struct{
    uint8_t Red;
    uint8_t Green;
    uint8_t Blue;      
}Pix_s;
typedef union{
    Pix_s Pix;
    uint32_t Pix_Value;
}LCD_Pixvalue_S;1.
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那么关于内存占用的问题，上面的定义方法，定义一个LCD_Pixvalue_S类型的变量占用4个字节。示例图如下

03联合体在串口开发中的应用

上面举例LCD应用中联合体的应用，这个是由于LCD一个像素由红绿蓝3色组成，所以用联合体很方便。在单片机项目开发中，串口协议解析也可以利用到联合体，十分方便。

在私有自定义协议中，合理定义协议，利用联合体代码十分方便。下面的例子不讲帧头，帧尾部分，举例联合体在协议解析中的应用，灵活应用。

串口协议举例如下

功能	字节长度
命令长度	4
命令字	1
命令内容	7
crc16	2

那么代码可以如下编写

typedef union{
    struct{
        uint32_t cmdlen;
        uint8_t cmd;
        uint8_t cmdbuf[7];
        uint16_t crc16;
    }unit;
    uint8_t buffer[14];
}uart_buffer_s;
uart_buffer_s uart_buffer;
int main(void)
{
  uint8_t len;
  len = 0;
  uart_buffer.buffer[len++] = 0x12;
  uart_buffer.buffer[len++] = 0x34;
  uart_buffer.buffer[len++] = 0x56;
  uart_buffer.buffer[len++] = 0x78;
  uart_buffer.buffer[len++] = 0xAA;
  for(int i=0;i<7;i++)
  {
    uart_buffer.buffer[len++] = i;
  }
  uart_buffer.buffer[len++] = 0x11;
  uart_buffer.buffer[len++] = 0x22;
  while (1);
}1.
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运行的结果如下

可以看到，我们只是往uart_buffer.buffer填充数据，模拟串口接收数据，接收完毕后，就自动解析出来我们自定义的cmdlen，cmd，cmdbuf和crc16。这里需要注意的是16位和32位的数据类型是小端模式，关于小端模式请看之前的文章《C语言在STM32中的内存分配》，这个还是很方便的。

!!!但是!!!需要注意字节对齐的问题，比如把上述cmdbuf修改为8个字节，就会出问题，如下

crc16就会出问题，这个就是字节对齐的问题，不懂的同学自行百度一下，这里不再重点讲解。

除了上述自定义协议解析时会用到联合体，还可以解决浮点型float的读取问题，float是占用4个字节的，如果将从串口接收的4个字节转换成float呢?联合体就可以可以解决这个问题

下面示例代码，我们知道浮点数231.5的16进制表示为0x43678000。

typedef union{
    float data;
    uint8_t buffer[4];
}uart_buffer_s;
uart_buffer_s uart_buffer;
int main(void)
{
  uint8_t len;
  len = 0;
  uart_buffer.buffer[len++] = 0x00;
  uart_buffer.buffer[len++] = 0x80;
  uart_buffer.buffer[len++] = 0x67;
  uart_buffer.buffer[len++] = 0x43;
  while (1);
}1.
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