一个结构和联合“妙用”分析

 在《NiosII那些事儿》串口实验中，有这样一段程序：

sopc.h

.......
typedef struct
{
//接收寄存器
union
{
  struct
  {  
    volatile unsigned long int RECEIVE_DATA        :8;  
    volatile unsigned long int NC                  :24;  
  }BITS;
  volatile unsigned long int WORD;
}RXDATA;

//发送寄存器
union
{
  struct
  {
    volatile unsigned long int TRANSMIT_DATA        :8;
    volatile unsigned long int NC                  :24;
  }BITS;
  volatile unsigned long int WORD;
}TXDATA;

//状态寄存器
union
{
  struct
  {
    volatile unsigned long int PE                  :1;
    volatile unsigned long int FE                  :1;
    volatile unsigned long int BRK                 :1;
    volatile unsigned long int ROE                 :1;
    volatile unsigned long int TOE                 :1;
    volatile unsigned long int TMT                 :1;
    volatile unsigned long int TRDY                :1;
    volatile unsigned long int RRDY                :1;
    volatile unsigned long int E                   :1;
    volatile unsigned long int NC                  :1;
    volatile unsigned long int DCTS                :1;
    volatile unsigned long int CTS                 :1;
    volatile unsigned long int EOP                 :1;
    volatile unsigned long int NC1                 :19;
  
  }BITS;
  volatile unsigned long int WORD;
}STATUS;

//控制寄存器
union
{
  struct
  {
    volatile unsigned long int IPE                  :1;
    volatile unsigned long int IFE                  :1;
    volatile unsigned long int IBRK                 :1;
    volatile unsigned long int IROE                 :1;
    volatile unsigned long int ITOE                 :1;
    volatile unsigned long int ITMT                 :1;
    volatile unsigned long int ITRDY                :1;
    volatile unsigned long int IRRDY                :1;
    volatile unsigned long int IE                   :1;
    volatile unsigned long int TRBK                 :1;
    volatile unsigned long int IDCTS                :1;
    volatile unsigned long int RTS                  :1;
    volatile unsigned long int IEOP                 :1;
    volatile unsigned long int NC                   :19;
  
  }BITS;
  volatile unsigned long int WORD;
}CONTROL;

//波特率分频器
union{
  struct
  {
    volatile unsigned long int BAUD_RATE_DIVISOR     :16;
    volatile unsigned long int NC                    :16;
  }BITS;

  volatile unsigned long int WORD;
}DIVISOR;

}UART_STR;
......

这个程序用得很巧妙，看起来十分复杂。

【原理】

(1) 联合体中的成员共用一个内存，初始化操作对第一个成员进行；

(2) 位段将一个类型变量拆分为不同的位，从而对同一个类型定义的变量可以方便的进行位操作，相当于给位取别名

【分析】

(1) 首先建立了一个类型名为UART_STR的结构体，注意typedef的使用；

(2) 该结构体中包含了5个联合体，分别为RXDATA、TXDATA、STATUS、CONTROL、DIVISOR；

(3) 每个联合体中包含了一个使用位段的BITS和一个WORD，注意都是4字节，32bit

由【原理1】可知，BITS和WORD共用了一个内存，所以每个联合体只占了1个unsigned int，即4字节，对BITS操作时，WORD的取值也会改变，反之亦然。一方面节省了内存空间，另一方面，对BITS进行操作和对WORD操作是相当的，好像是给变量取了个别名。对BITS操作可以方便的实现各个位的操作，而WORD可以实现整体的操作。

【举例】

uart.c

(1) 利用BITS对单个位进行操作

static int uart_send_byte(unsigned char data)
{
  UART->TXDATA.BITS.TRANSMIT_DATA=data;
  while(!UART->STATUS.BITS.TRDY);
  return 0;
}

(2) 利用WORD对整体进行操作

static int set_baudrate(unsigned int baudrate)
{
  UART->DIVISOR.WORD=(unsigned int)(ALT_CPU_FREQ/baudrate+0.5);
  return 0;
}

 【位段】

位段的使用方便了对各位进行操作。但位段也有难以移植的缺陷。以32位机器为例。在PC机上，位段的储存顺序是从右向左存储的。而Macintosh上却是自左向右存储的。这就会造成一些问题。现有一个16位的结构。分别用BITS(位段结构，如示例)和WORD(unsigned int)表示。在PC机上进行操作时，BITS和WORD均存储在最低16位。但在Macintosh上，BITS被装入高16位，而WORD被装入低16位。这时，对BITS和WORD操作就不是等效的。