本文提供了有關嵌入式C編程中的結構的一些基本信息。
在介紹了結構之后，我們將看一下這個強大的數據對象的一些重要應用。然后，我們將檢查C語言語法以聲明結構。最后，我們將簡要介紹數據對齊要求。我們將看到，通過簡單地重新排列其成員的順序，我們也許可以減小結構的大小。

結構體

邏輯上彼此相關的多個相同類型的變量可以分組為一個數組。在組上而不是自變量的集合上工作使我們可以整理數據并更方便地使用它。例如，我們可以定義以下數組來存儲將語音輸入數字化的ADC的最后50個樣本：

uint16_tvoice[50];

請注意，uint16_t是寬度為16位的無符號整數類型。這在C標準庫stdint.h中定義，該庫提供與系統規格無關的特定位長的數據類型。

數組可用于對同一數據類型的多個變量進行分組。如果不同數據類型的變量之間存在聯系怎么辦？我們可以在程序中將這些變量視為一組嗎？例如，假設我們需要指定 上面生成語音陣列的ADC的采樣率。我們可以定義一個float變量來存儲采樣率：

floatsample_rate;

盡管變量voice和sample_rate彼此相關，但它們被定義為兩個獨立變量。為了使這兩個變量相互關聯，我們可以使用稱為結構的C語言強大的數據構造。結構允許我們將不同的數據類型分組，并將它們作為單個數據對象處理。一個結構可以包括不同種類的變量類型，例如其他結構，指向函數的指針，指向結構的指針等。對于語音示例，我們可以使用以下結構：

structrecord{
uint16_tvoice[50];
floatsample_rate;
};

在這種情況下，我們有一個稱為record的結構，該結構 具有兩個不同的成員或字段：第一個成員是uint16_t元素的數組，第二個成員是float類型的變量。語法以關鍵字struct開頭。struct關鍵字后的單詞是一個可選名稱，用于以后引用該結構。我們將在本文的其余部分中討論定義和使用結構的其他細節。

為什么結構很重要？

上面的示例指出了結構的重要應用，即定義了可以將不同類型的各個變量相互關聯的依賴于應用的數據對象。這不僅導致處理數據的有效方式，而且使我們能夠實現稱為數據結構的專門結構。
數據結構可用于各種應用程序，例如兩個嵌入式系統之間的消息傳遞以及將從傳感器收集的數據存儲在不連續的內存位置中。


圖1.結構可用于實現鏈表。
此外，當程序需要訪問內存映射的微控制器外圍設備的寄存器時，結構是有用的數據對象。在下一篇文章中，我們將介紹結構應用程序。


圖2.STM32MCU的存儲器映射。圖片由帶ARM的嵌入式系統提供。
聲明結構

要使用結構，我們首先需要指定一個結構模板。考慮下面的示例代碼：

structrecord{
uint16_tvoice[4];
floatsample_rate;
};

這指定了用于創建此類型的將來變量的布局或模板。該模板包括一個uint16_t數組和一個float類型的變量。模板的名稱為record，它位于關鍵字struct之后。值得一提的是，沒有用于存儲結構模板的內存分配。僅在定義了基于此布局的結構變量之后，才進行內存分配。以下代碼聲明 了上述模板的mic1變量：

structrecordmic1;

現在，為變量mic1分配了一部分內存。它有空間存儲數組的四個uint16_t元素和一個float變量。

可以使用成員運算符（。）訪問結構的成員。例如，以下代碼將100分配給數組的第一個元素，并將sample_rate的值復制到fs變量（該變量必須是float類型）。

mic1.voice[0]=100;
fs=mic1.sample_rate;

聲明結構的其他方法
在上一節中，我們介紹了一種聲明結構的方法。C語言支持其他一些格式，本節將進行介紹。在整個程序中，您可能會堅持使用一種格式，但有時可能會對其他格式有所幫助。

聲明結構模板的一般語法為：

structtag_name{
type_1member_1;
type_2member_2;
…
type_nmember_n;

}variable_name;

該TAG_NAME和變量名是可選的標識符。通常，我們會至少看到這兩個標識符之一，但是在某些情況下，我們可以消除這兩個標識符。

語法1：當同時存在tag_name和variable_name時，我們在模板后面定義結構變量。使用此語法，我們可以重寫以下示例：

structrecord{
uint16_tvoice[4];
floatsample_rate;
}mic1;

現在，如果我們需要定義另一個變量（mic2），我們可以編寫

structrecordmic2;

語法2：僅 包含variable_name。使用此語法，我們可以按以下方式重寫上一節中的示例：

struct{
uint16_tvoice[4];
floatsample_rate;
}mic1;

在這種情況下，我們必須在模板之后定義所有變量，而我們以后不能在程序中定義任何其他變量（因為模板沒有名稱，以后也不能引用它）。

語法3：在這種情況下，沒有tag_name或variable_name。以這種方式定義的結構模板稱為匿名結構。可以在另一個結構或聯合中定義匿名結構。下面是一個示例：

structtest{
//Anonymousstructure
struct{
floatf;
chara;
};
}test_var;

要訪問上述匿名結構的成員，我們可以使用成員運算符（。）。以下代碼將1.2分配給成員f。

test_var.f=1.2;

由于該結構是匿名的，因此我們僅使用一次成員運算符訪問其成員。如果它的名稱如下面的示例所示，我們將不得不兩次使用成員運算符：

structtest{
struct{
floatf;
chara;
}nested;
}test_var;

在這種情況下，我們應該使用以下代碼將1.2分配給f：

test_var.nested.f=1.2;

如您所見，匿名結構可以使代碼更具可讀性，而又不那么冗長。也可以將typedef關鍵字與結構一起使用以定義新的數據類型。我們將在以后的文章中介紹這種方法。

結構的內存布局

C標準保證結構的成員將按照在結構中聲明成員的順序一個接一個地位于內存中。第一個成員的內存地址將與結構本身的地址相同。考慮以下示例：

將分配四個存儲位置來存儲變量c，d，e和f。內存位置的順序將與聲明成員的順序匹配：c的位置將具有最低的地址，然后是d，e，最后出現f。我們需要多少字節來存儲此結構？考慮到變量的大小，我們知道至少需要1 + 4 + 1 + 2 = 8個字節來存儲此結構。但是，如果我們將此代碼編譯為32位計算機，則會令人驚訝地觀察到MyStruct的大小是12個字節而不是8個字節！這是由于以下事實：編譯器在為結構的不同成員分配內存時具有某些約束。例如，一個32位整數只能存儲在其地址可被4整除的內存位置。實施這種約束，稱為數據對齊要求，以使處理器更有效地訪問變量。數據對齊會導致內存布局浪費一些空間（或填充）。僅在這里介紹該主題。我們將在本系列的下一篇文章中詳細介紹。


圖3.數據對齊會導致內存布局中的空間浪費（或填充）。
意識到數據對齊要求后，我們也許可以重新排列結構中成員的順序，并使內存使用效率更高。例如，如果我們按如下所示重寫上述結構，則在32位計算機上，其大小將減小為8個字節。

structTest2{
uint32_td;
uint16_tf;
uint8_tc;
uint8_te;
}MyStruct;

對于受內存限制的嵌入式系統，將數據對象的大小從12個字節減少到8個字節可節省大量資金，尤其是當程序需要許多此類數據對象時。
下一篇文章將更詳細地討論數據對齊，并研究在嵌入式系統中使用結構的一些示例。

概要

• 結構允許我們定義依賴于應用程序的數據對象，這些對象可以將不同類型的各個變量相互關聯。這導致了一種有效的數據處理方法。

• 稱為數據結構的專用結構可用于各種應用程序，例如兩個嵌入式系統之間的消息傳遞以及將從傳感器收集的數據存儲在不連續的內存位置中。

• 當我們需要訪問存儲器映射的微控制器外設的寄存器時，結構很有用。

• 通過重新排列結構中成員的順序，我們也許可以使內存使用效率更高。