位域与共用体在通讯领域的应用

最近看到些代码，定义变量还能指定位宽，很有意思。像这样

 unsigned int bit1 : 1;

冒号 ( 后面的数字1表示变量的位宽或大小。
像这样的大小声明在低级编程和位操作中常被使用，以便精确控制变量的大小。
通讯协议解析用的多。
下面是两个实际示例
示例1

typedef union IEEE754
{
  float float_value;
  long  long_value;
  char  char_table[4];
  
  unsigned char byte;
  struct
  {
    unsigned int bit0 : 1;//低位
    unsigned int bit1 : 1;
    unsigned int bit2 : 1;
    unsigned int bit3 : 1;
    unsigned int bit4 : 1;
    unsigned int bit5 : 1;
    unsigned int bit6 : 1;
    unsigned int bit7 : 1;
  } bits;
}IEEE754;

示例2

typedef struct 
{
  {
      unsigned int address : 8;
      unsigned int functionCode : 8;
      unsigned int dataAddress : 16;
  } ModbusRequest;

  typedef union 
  {
      ModbusRequest request;
      unsigned char raw[5];
  } ModbusPacket;
} ModbusPacket;

使用位域和共用体进行Modbus协议解析

Modbus是一种常用的通讯协议，用于在工业自动化系统中实现设备间的数据交换。

在Modbus协议解析过程中，使用位域和共用体可以有效地解析和构建Modbus数据包。

1. 引言

Modbus协议是一种简单而广泛采用的通讯协议，它定义了在现场设备和主站之间进行数据传输的规定。在数据传输过程中，需要对Modbus消息进行解析和构建，这就需要使用到位域和共用体。

2. 位域和共用体简介

2.1 位域

位域是C语言中一种特殊的数据类型，用于表示一个整型变量中的特定位字段。位域使用冒号（:）运算符来定义变量的位宽，从而限制该位域变量的取值范围。在Modbus协议解析中，位域可用于表示协议头部字段、标志位和数据字段。

2.2 共用体

共用体是C语言中的一种特殊数据类型，它允许不同类型的变量共享同一块内存空间。共用体的成员变量共享同一地址，可以根据需要以不同的方式解释共用体的值。在Modbus协议解析中，共用体常用于解析和构建Modbus消息的不同部分。

3. Modbus协议解析实例

接下来，我们通过一个示例来演示如何使用位域和共用体解析Modbus协议。假设我们有一个包含Modbus读取数据请求的数据包，其中包括设备地址、功能码和数据地址。我们将使用位域和共用体来解析该数据包。

typedef struct {
  {
      unsigned int address : 8;
      unsigned int functionCode : 8;
      unsigned int dataAddress : 16;
  } ModbusRequest;

  typedef union 
  {
      ModbusRequest request;
      unsigned char raw[5];
  } ModbusPacket;
} ModbusPacket;

4. 解析Modbus数据包

在上面的代码中，我们定义了一个ModbusRequest结构体，其中包含设备地址、功能码和数据地址三个位域字段。接下来，我们定义了一个ModbusPacket共用体，它包含了ModbusRequest结构体和一个原始字节数组。

通过使用位域和共用体，我们可以将数据包解析为不同的字段。例如：

ModbusPacket packet;
packet.raw[0] = 0x01;  // 设备地址
packet.raw[1] = 0x03;  // 功能码
packet.raw[2] = 0x00;  // 数据地址高位
packet.raw[3] = 0x01;  // 数据地址低位

可以通过以下方式访问解析后的字段：

unsigned int address = packet.request.address;
unsigned int functionCode = packet.request.functionCode;
unsigned int dataAddress = packet.request.dataAddress;

5. 构建Modbus数据包

除了解析数据包，我们还可以使用位域和共用体来构建Modbus数据包。例如，我们可以构建一个读取数据的请求数据包：

ModbusPacket packet;
packet.request.address = 0x01;  // 设备地址
packet.request.functionCode = 0x03;  // 功能码
packet.request.dataAddress = 0x0100;  // 数据地址

然后，可以通过以下方式获取构建后的原始字节数组：

unsigned char* raw = packet.raw;

6. 总结

本文介绍了位域、共用体和其在Modbus协议解析中的应用。通过位域和共用体，我们可以灵活地解析和构建Modbus协议中的数据包。通过位域，我们可以将二进制数据拆分为不同的字段，并通过逐位解析来获取字段的值。而共用体可以让不同类型的变量共享同一块内存空间，方便地解释和构建数据。

使用位域和共用体解析Modbus协议具有以下优势：

a. 结构清晰：位域可以直观地表示协议中的不同字段，使得代码更加清晰易懂。

b. 灵活解析：通过位域，可以轻松地从二进制数据中提取出各个字段的值，以满足具体需求。

c. 空间节省：位域可以减少字段占用的内存空间，特别是在数据字段长度较小时，可以有效降低内存的占用。

d. 方便构建：通过共用体，可以根据需要将不同类型的字段组合到同一内存空间中，方便构建特定的数据包。

然而，使用位域和共用体也需要注意一些注意事项：

a. 可移植性：位域的布局和顺序依赖于编译器和平台的实现，因此在不同平台上运行时可能会有差异。需要确保代码在不同环境中的兼容性。

b. 字节序问题：位域和共用体的使用可能涉及字节序（大端或小端）的问题，需要根据具体情况进行适配和处理。

c. 对齐问题：位域和共用体的使用可能涉及类型对齐的问题，需要注意编译器的对齐规则，以避免出现未定义的行为。

总之，使用位域和共用体可以提高Modbus协议解析的效率和可读性。在实际应用中，需要根据具体协议和应用场景的要求，合理选择和使用位域和共用体，以保证代码的可移植性、可靠性和性能。

下面联合体可以用于将浮点数、长整型、字符数组和单个字节进行互相转换。如果通讯数据里的内容是多种格式的，非常方便。

typedef union IEEE754
{
  float float_value;
  long  long_value;
  char  char_table[4];
  
  unsigned char byte;
  struct
  {
    unsigned int bit0 : 1;//低位
    unsigned int bit1 : 1;
    unsigned int bit2 : 1;
    unsigned int bit3 : 1;
    unsigned int bit4 : 1;
    unsigned int bit5 : 1;
    unsigned int bit6 : 1;
    unsigned int bit7 : 1;
  } bits;
}IEEE754;