C语言：【位域操作】（结构体中使用冒号）
文章目录
- 一、 什么是C语言位域操作（结构体中使用冒号）
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- 1.1 位操作
- 1.2 位域操作产生的原因
- 1.3 位域操作
- 1.4 备注
- 二、位域操作示例——4字节（32bit）变量操作
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- 2.1 代码
- 2.2 打印结果
- 三、位域操作示例——1字节（8bit）变量操作
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- 3.1 代码
- 3.2 打印结果
- 四、寄存器定义使用示例——32位寄存器实例
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- 4.1 结构体定义：头文件reg.h中定义寄存器通用类型
- 4.2 结构体定义：头文件am437x_io_mux.h中定义外设模块寄存器
- 4.3 结构体使用：文件spi.c
一、 什么是C语言位域操作（结构体中使用冒号）
1.1 位操作
在分析位域操作之前首先知道如何对一个变量进行【位操作】。从计算机存储方面来讲，位操作的优势在于：有时候一些数值无需占用一整个或多个字节，可能只占某几个bit，使用位操作会比较节省内存资源。
在C语言中，对一个变量进行位操作时，最常见的方法是：通过移位、按位与、按位或等操作来对变量进行某个bit的操作，例如：
value |= (1<<23);
1.2 位域操作产生的原因
但是，如果一个32bit的变量反复通过移位、按位与、按位或操作，后期维护的时候，代码看起来难以分析、维护，比如如下代码：
value |= ((1 << xxx) & ~(1 << xxx)) | ((1 << xxx) & ~(1 << 9)) | ((1 << 23) | (xxx)) & (xxx)xxx
具体某个bit的值是几，会变得非常难分析，后期维护很浪费时间。因此，位域操作诞生了！
1.3 位域操作
【位域操作】，是通过联合体、结构体等将变量的每个bit定义出来，如下：
value {
bit0:1;
bit1:1;
bit2:1;
bit3:1;
...
}
这样可以给一个变量某个bit直接赋值，如下：
value.bit0 = 1;
value.bit1 = 0;
value.bit4 = 1;
value.bit7 = 1;
...
后期维护时，代码看起来也非常直观，非常方便。
1.4 备注
备注：对于以上【位域操作产生的原因分析】，说的我自己差点都信了！这纯属瞎扯淡！这仅仅只是自己对【位域操作产生原因】的意淫与个人见解，并不能保证这是本质原因。
但是很明显：位域操作确实有这个很明显的上述优点。
下面就根据实例分析一下C语言如何进行位域操作。
二、位域操作示例——4字节（32bit）变量操作
2.1 代码
示例题目：一个32bit长度的寄存器，使用位域的方式定义一个寄存器变量，并对各个bit进行赋值操作。
#include 2.2 打印结果
lsy@ubuntu18:~/practice/language/c/bit$ gcc bit.c
lsy@ubuntu18:~/practice/language/c/bit$ ./a.out
---------------------
reg value = 0
reg value = 170
---------------------
reg value = 8
---------------------
reg value = 85
三、位域操作示例——1字节（8bit）变量操作
上述代码结构体位于操作中，每个bit都占用1位，但是在实际应用中，每个成员可能并不是都只占用1个bit，也可以占2bit、3bit等，则实际业务中应该根据需求灵活定义，如下示例代码。
3.1 代码
示例题目：一个char类型的变量，使用位域的方式定义变量，并对变量各bit进行赋值操作。
#include 备注：
printf中打印十六进制各类长度描述符如下表格
具体见另一篇博客：【c语言各类型变量按照十六进制printf打印——对应描述符】
| 变量类型 | 十六进制打印，printf中的描述符 | 示例 |
|---|---|---|
| int | %x | printf("%x", val); |
| char | %hhx | printf("%hhx", val); |
3.2 打印结果
lsy@ubuntu18:~/practice/language/c/bit$ gcc bit1.c
lsy@ubuntu18:~/practice/language/c/bit$ ./a.out
sizeof(led) = 1
----------------------
led.all = 0x00
led.all = 0xe2
四、寄存器定义使用示例——32位寄存器实例
以TI的AM437x芯片SPI复用寄存器为例，首先，经过分析后有以下场景：
- 1、通用代码：每个寄存器都是32bit，故可以直接定义一个32bit的通用位域union类型寄存器变量。
- 2、通用代码：寄存器有2个要素：地址和值，所以封装一个结构体含2个成员，分别为地址、值。
- 3、模块代码：对于SPI1模块，复用功能具有多个寄存器，故可以将多个寄存器统一封装成为一个结构体。
代码如下：
4.1 结构体定义：头文件reg.h中定义寄存器通用类型
/* 封装：表示32bit寄存器值的联合体 */
typedef union {
uint32_t all; //value
struct {
uint32_t bit0:1;
uint32_t bit1:1;
uint32_t bit2:1;
uint32_t bit3:1;
uint32_t bit4:1;
uint32_t bit5:1;
uint32_t bit6:1;
uint32_t bit7:1;
uint32_t bit8:1;
uint32_t bit9:1;
uint32_t bit10:1;
uint32_t bit11:1;
uint32_t bit12:1;
uint32_t bit13:1;
uint32_t bit14:1;
uint32_t bit15:1;
uint32_t bit16:1;
uint32_t bit17:1;
uint32_t bit18:1;
uint32_t bit19:1;
uint32_t bit20:1;
uint32_t bit21:1;
uint32_t bit22:1;
uint32_t bit23:1;
uint32_t bit24:1;
uint32_t bit25:1;
uint32_t bit26:1;
uint32_t bit27:1;
uint32_t bit28:1;
uint32_t bit29:1;
uint32_t bit30:1;
uint32_t bit31:1;
} bit;
} reg32_value;
/*
* 寄存器属性结构体：
* vaddr : 寄存器地址
* value : 寄存器值，类型为寄存器值联合体
*/
typedef struct {
uintptr_t vaddr;
reg32_value value;
} am437x_reg;
4.2 结构体定义：头文件am437x_io_mux.h中定义外设模块寄存器
#include "reg.h"
/*
* spi1复用功能寄存器，4个寄存器（SPI的4个复用引脚）
* 类型均为：am437x_reg统一类型
*/
typedef struct {
am437x_reg sts;
am437x_reg conf_mcasp0_aclkx;
am437x_reg conf_mcasp0_fsx;
am437x_reg conf_mcasp0_axr0;
} am437x_pin_mux;
4.3 结构体使用：文件spi.c
void spi_pin_mux_init(am437x_pin_mux *spi_pin)
{
/* 省略非关键代码 */
/* 寄存器赋值示例 */
spi_pin->conf_mcasp0_aclkx.value.bit.bit24 = 1;
spi_pin->conf_mcasp0_aclkx.value.bit.bit18 = 0;
spi_pin->conf_mcasp0_aclkx.value.bit.bit2 = 0;
spi_pin->conf_mcasp0_aclkx.value.bit.bit1 = 1;
spi_pin->conf_mcasp0_fsx.value.bit.bit18 = 0;
spi_pin->conf_mcasp0_fsx.value.bit.bit17 = 1;
spi_pin->conf_mcasp0_fsx.value.bit.bit1 = 1;
spi_pin->conf_mcasp0_axr0.value.bit.bit17 = 1;
spi_pin->conf_mcasp0_axr0.value.bit.bit16 = 1;
spi_pin->conf_mcasp0_axr0.value.bit.bit3 = 0;
/* 省略非关键代码 */
}