C 語言 - 位元欄位

C語言 2020-04-10 899

在 C 語言中,如果我們要對特定的 bit(s) 做操作的話,最直覺的方式是用 bit and(&)跟 bit or(|):

int bit_sample = 0x0123; /* 0000 0001 0010 0011 */

/* 將第 2 個 bit 改成 1 */
bit_samplee |= (0x1 << 2); /* 0000 0001 0010 0011 */

/* 將第 5 個 bit 改成 1 */
bit_samplee |= ~(0x1 << 5); /* 0000 0001 0010 0011 */

從上面的例子可以看到如何使用 bit and/or 來操作特定的 bit,這種方式對於單一個 bit 並不會太麻煩,但有以下缺點:

  • 無法覆用:這種方式不能快速地建立一個方法,也比較不好理解
  • 對於區間上就不好使了

如果要解決上述缺點,有一個方式是使用 union,一個在嵌入式、驅動程式裡常常用到的方法。


Union#

union 是 C 語言裡面可以對一個結構裡面的元素,可以有不同的資料型態去理解,如以下例子:

union sample {
int sample_int;
char sample_str[4];
};

需要注意的是:同一時間內只能存取一個屬性,準確來說他們是共用一個記憶體區塊,所以改第一個值第二個值會同時更改。[1]

struct#

奇怪,不是在講 union 嗎,怎麼會提到 struct 呢?那是因為 C 裡面有一個有趣的東西叫做位元欄位[2],這個東西必須搭配結構使用;先看例子:

struct bit_row {
unsigned short row1 : 1;
unsigned int row2 : 6;
unsigned short row3 : 1;
};

乍看之下好像跟一般的結構差不多,可是我們注意到在每個元素宣告的結尾多了一個 : 數字,這是什麼意思?

  1. 首先,unsigned short 在 64 位元裡大小是 4位,unsigned int 則是 8位
  2. 加上 : 數字,這個東西就叫位元欄位,我們可以限制當前元素的大小
  3. 因此,元素 1 的大小就被我們縮至 1 位,依此類推

有了上述的工具就可以建立一個好用而且好理解的位元操作方法!

union method_ex {
int real_val;
struct bits {
short bit0to2 : 3;
short bit3and4 : 2;
short bit5to7 : 3;
};
}

建立好上面這個 union 後,如果要將某一個整數的第 3 到 4 位 的值改掉,可以這樣寫

union method_ex int_ex;
int_ex.real_val = 0x0123; /* 0000 0001 0010 0011 */

/* change 3 and 4 bits to 01 */
int_ex.bits.bit3and4 = B01; /* 0000 0001 0010 1011 */

這樣的寫法,更簡單,更易懂。


剩下的空間#

值得注意的一件事,我們沿用上面的例子;method_ex 有一個元素叫真正的值,他是一個整數(8 位),剛好另外一個元素我們使用位元欄位的技巧也控制在 8 位;但,如果我們沒有這麼做呢?

答案是:你可以這麼寫,不會有什麼問題,但不建議。

更大#

如果 bits 結構今天大於 8 位,那我們就沒辦法透過更改真正的值來改變到高於 8 位的值,因此這麼做是沒意義的。

更小#

如果 bits 結構今天小於 8 位,這麼做完全不會有任何問題,但習慣上,我們會把它補齊,像是我們在 attribute 篇裡提到的 padding。

union method_ex {
int real_val;
struct bits {
short bit0to2 : 3;
short bit3and4 : 2;
short bit5and6 : 2;
};
}

沒有定義第 7 位

union method_ex {
int real_val;
struct bits {
short bit0to2 : 3;
short bit3and4 : 2;
short bit5and6 : 2;
short notused : 1;
};
}

隨便取名,只要有定義就好