位域与联合体

一、位域

位域用 : 指定成员占用的 bit 数：

struct {
    uint16_t len    : 15;
    uint16_t finish : 1;
} sta;
16 bit
┌───────────────────────────────┬───┐
│             len               │fin│
│            15 bit             │1bit
└───────────────────────────────┴───┘

• len：15 bit，范围 0 ~ 32767
• finish：1 bit，通常为 0/1
• 位域位序、存储布局、对齐方式属于实现相关

二、位域的作用

传统方式：

#define TX_ENABLE_BIT  (1U << 0)
#define RX_ENABLE_BIT  (1U << 1)
#define PARITY_MASK    (0x3U << 2)

reg |= TX_ENABLE_BIT;
reg |= RX_ENABLE_BIT;
reg = (reg & ~PARITY_MASK) | (2U << 2);

位域：

reg.bits.tx_enable = 1;
reg.bits.rx_enable = 1;
reg.bits.parity = 2;

核心：

用字段的方式操作 bit。

硬件寄存器中要注意位域布局依赖编译器/ABI。

三、联合体

union 的所有成员共享同一块内存。

typedef union
{
    uint16_t reg;

    struct
    {
        uint16_t pin_mode    : 2;
        uint16_t pin_speed   : 2;
        uint16_t pull_updown : 2;
        uint16_t output_type : 1;
        uint16_t reserved    : 9;
    } bit;

} GPIO_CONFIG_Reg;
GPIO_CONFIG.reg = 0x1234;     // 整体访问
GPIO_CONFIG.bit.pin_mode = 1; // 字段访问

核心：

union：同一块内存，用不同成员解释。

四、位域 + 联合体

同一块数据
├── reg：整体访问
└── bit：按字段访问

常用于：

• 寄存器字段
• 状态标志
• 协议字段

五、映射硬件寄存器

#define GPIOA_CONFIG \
    (*(volatile GPIO_CONFIG_Reg *)0x40020000)
GPIOA_CONFIG.reg = 0;
GPIOA_CONFIG.bit.pin_mode = 1;

六、基本类型大小

类型	STM32 常见 32 位 ARM	Linux x86-64 常见
char	1 字节	1 字节
short	2 字节	2 字节
int	4 字节	4 字节
long	4 字节	8 字节
long long	8 字节	8 字节

long 大小由平台/ABI决定。

七、位域结构体 struct A

struct A
{
    char t : 4;
    char k : 4;
    unsigned short i : 8;
    unsigned long m;
};

注意：

t:4 + k:4 = 8 bit = 1 字节

在 STM32 常见 32 位 ARM GCC 环境下，典型布局：

t+k       1 字节
i         2 字节
padding   1 字节
m         4 字节
----------------
sizeof    8 字节
sizeof(struct A) == 8

但位域布局和 long 大小都与平台有关。

八、结构体中出现 union

struct A
{
    char a;

    union
    {
        int i;
        char buf[4];
    } u;

    char b;
};

假设：

char = 1
int  = 4

则：

union u：
最大成员 = 4 字节
对齐要求 = 4 字节

结构体通常：

a             1
padding       3
u             4
b             1
tail padding  3
----------------
sizeof        12

核心：

union 内部成员共享空间，不累加；union 作为结构体成员时，仍然参与结构体对齐。

九、最终记忆

位域       → 按 bit 划分字段
union      → 成员共享内存
struct     → 成员按各自对齐要求排列
padding    → 为满足对齐而增加的空间

算结构体大小：看成员布局 → 看对齐 → 加 padding → 最后满足整体对齐。