C语言学习之union在嵌入式领域的常见应用

1. 什么是union

在 C 语言中，union（联合体）是一种特殊的数据类型，特点是所有成员共享同一块内存空间。定义倒是挺简单的，以前一开始学C语言的时候也知道这个概念，但是基本上也没怎么用过，最近看到了公司代码中的寄存器定义用到了这个类型，来记录一下。union的成员访问方式和结构体一样，都使用.来访问，由于所有的成员共用同一块内存，所以union这个整体的大小就和最大成员一样大，看下列代码：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

typedef union {
    uint8_t a;
    unsigned char b;
    int16_t c;
    uint32_t d;
} testUnion;

int main(){
    printf("sizeof testUnion is %ld \n", sizeof(testUnion));
    return 0;
}

最后输出sizeof testUnion is 4，和uint32_t的大小一样，都是4个字节。

1.1 寄存器映射

最近看到的用法就是这个，一般和位域来搭配使用，拿STM32F103的时钟控制寄存器RCC_CR来举例：

typedef union {
    uint32_t reg;
    struct {
	    uint32_t HSION:1;    //注意，这里与系统是大端存储还是小端存储有关
	    uint32_t HSIRDY:1;
	    uint32_t ：1;
	    uint32_t HSITRIM：5;
	    uint32_t HSICAL：8;
	    uint32_t HSEON:1;
	    uint32_t HSERDY:1;
	    uint32_t HSEBYP:1;
	    uint32_t CSSON:1;
	    uint32_t：4;
	    uint32_t PLLON： 1;
	    uint32_t PLLRDY：1;
	    uint32_t ：6;  
    } bits;
}RCC_CR;

当需要访问该寄存器的某些功能的时候就可以直接访问对应的位了，而不需要解析寄存器存储的十六进制数。

1.2 数据类型转换

有时候需要在不同的数据类型之间进行转换。union可以用于实现这种数据类型的转换，而不需要进行指针操作。比如把一个uint32_t的数据转换成字节数组，以便通过串口发送：

typedef union {
    uint32_t num;
    uint8_t bytes[4];
}testUnion;

这样就可以很方便的进行访问待发送数据的每一字节了。

1.3 消息的打包与解包

在嵌入式通信中，经常需要打包和解包消息。union可以用来定义消息的格式，方便地将多个数据成员组合成一个数据，或者从接收到的消息中提取各个数据成员。比如用union来这样定义某通信报文格式：

typedef union {
    uint8_t buffer;
    struct {
        uint8_t header:1;   // 起始位
        uint8_t data_length:6;
        uint8_t stop:1;   // 停止位
    } frame;
}commMessage;

当要发送消息时，填充frame成员，然后将buffer成员发送出去。接收方接收到buffer后，可以通过frame成员来解析消息。