07.C语言进阶——位域

C语言进阶——位域

位段，C语言允许在一个结构体中以位为单位来指定其成员所占内存长度，这种以位为单位的成员称为“位段”或称“位域”( bit field) 。利用位段能够用较少的位数存储数据。

1. 位域定义：
   信息的存取一般以字节为单位。实际上，有时存储一个信息不必用一个或多个字节，例如，“真”或“假”用0或1表示，只需1位即可。在计算机用于过程控制、参数检测或数据通信领域时，控制信息往往只占一个字节中的一个或几个二进制位，常常在一个字节中放几个信息。

2. 位域性质：
   位段（或称“位域”，Bit field）为一种数据结构，可以把数据以位的形式紧凑的储存，并允许程序员对此结构的位进行操作。这种数据结构的好处：

• 可以使数据单元节省储存空间，当程序需要成千上万个数据单元时，这种方法就显得尤为重要。

• 位段可以很方便的访问一个整数值的部分内容从而可以简化程序源代码。

而位域这种数据结构的缺点在于，其内存分配与内存对齐的实现方式依赖于具体的机器和系统，在不同的平台可能有不同的结果，这导致了位段在本质上是不可移植的。

3. 位域案例：
   在C语言中，位段的声明和结构（struct）类似，但它的成员是一个或多个位的字段，这些不同长度的字段实际储存在一个或多个整型变量中。在声明时，位段成员必须是整形或枚举类型（通常是无符号类型），且在成员名的后面是一个冒号和一个整数，整数规定了成员所占用的位数。位域不能是静态类型。不能使用&对位域做取地址运算，因此不存在位域的指针，编译器通常不支持位域的引用（reference）。以下程序则展示了一个位段的声明：

struct CHAR
{
    unsigned int ch   : 8;    //8位
    unsigned int font : 6;    //6位
    unsigned int size : 18;   //18位
};
struct CHAR ch1;

以下程序展示了一个结构体的声明：

struct CHAR2
{
    unsigned char ch;    //8位
    unsigned char font;  //8位
    unsigned int  size;  //32位
};
struct CHAR2 ch2;

第一个声明取自一段文本格式化程序，应用了位段声明。它可以处理256个不同的字符（8位），64种不同字体（6位），以及最多262,144个单位的长度（18位）。这样，在ch1这个字段对象中，一共才占据了32位的空间。而第二个程序利用结构体进行声明，可以看出，处理相同的数据，CHAR2类型占用了48位空间，如果考虑边界对齐并把要求最严格的int类型最先声明进行优化，那么CHAR2类型则要占据64位的空间。

4. 无名位域
   如果位域的定义没有给出标识符名字，那么这是无名位域，无法被初始化。无名位域用于填充（padding）内存布局。只有无名位域的比特数可以为0。这种占0比特的无名位域，用于强迫下一个位域在内存分配边界对齐。

5. 位域实现
   通常在大端序系统（如PowerPC），安排位域从最重要字节（most-significant byte）到最不重要位（least-significant byte），在一个字节内部从最重要位（most-significant bit）到最不重要位（least-significant bit）；而在小端序系统（如x86），安排位域从最不重要位（least-significant byte）到最重要字节（most-significant byte），在一个字节内部从最不重要位（least-significant bit）到最重要位（most-significant bit）。共同遵从的原则是内存字节地址从低到高，内存内部的比特编号从低到高。

Microsoft Visual C++实现
在一个整数（integer）内的位域从最不重要位（least-significant）向最重要位（most-significant）依次分配。
相邻的两个位域如果基类型（underlying type）的长度相同，在后的位域适合当前内存分配单元且没有跨内存分配边界，那么这两个位域分配到同一个（1、2或4字节的）分配单元。这可以通俗理解为：具有相同的基类型（underlying type）长度的相邻位域尽量装入基类型的同一个对象，如果装得下的话。

6. 位域应用

1.位段的使用
（1）位段成员的类型必须指定为unsigned或int类型。
（2） 若某一位段要从另一个字开始存放，可用以下形式定义：
unsigned  a：1；
unsigned  b：2;  // 一个存储单元
unsigned  0；    // 空域，从下一个单元开始
unsigned　c：3； // 另一存储单元

a、b、c应连续存放在一个存储单元中，由于用了长度为0的位段，其作用是使下一个位段从下一个存储单元开始存放。因此，只将a、b存储在一个存储单元中，c另存在下一个单元(“存储单元”可能是一个字节，也可能是2个字节，视不同的编译系统而异)。
(3) 一个位段必须存储在同一存储单元中，不能跨两个单元。如果第一个单元空间不能容纳下一个位段，则该空间不用，而从下一个单元起存放该位段。
(4) 可以定义无名位段。
(5) 位段的长度不能大于存储单元的长度，也不能定义位段数组。
(6) 位段可以用整型格式符输出。
(7) 位段可以在数值表达式中引用，它会被系统自动地转换成整型数。
(8) 位段定义的第一个位段长度不能为0。

2.STM32F10xxx系列中的应用
bit_word_addr=bit_band_base+(byte_offset×32)+(bit_number×4)
其中：
bit_word_addr是别名存储器区中字的地址，它映射到某个目标位。
bit_band_base是别名区的起始位。
byte_offset是包含目标位的字节在位段里的序号。
bit_number是目标位所在位置（0~31）。

例如：
0x22006008=0x22000000+(0x300×32)+(2×4)
对0x22006008地址的写操作与对0x20000300字节的位2执行读—改—写操作效果相似。

本文参考位域——百科