单片机编程高效利用RAM资源的方法（1）

前言

对于大多数单片机来说，片内的 RAM 空间通常都比片内 ROM 空间小，开发过程中，RAM 空间不足的情况更为常见，那么现在就来讲讲在编程的过程中，如何更加高效地利用好本就不充裕的 RAM 资源。

位域简介

百度百科关于位域的定义如下：

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) 。

理解位域的定义其实很简单，抓住两个关键点就行：

• 在一个结构体中
• 以位为单位

在如下的结构体中，定义了两个成员变量 field_1 和 field_2 ：

struct Bit_Field_t
{
    unsigned char field_1      :4;
    unsigned char field_2      :4;
};

其中成员 field_1 占用 4bit 内存空间，成员 field_2 占用 4bit 内存空间，共计占用 8bit 的内存空间；在结构体 Bit_Field_t 中，成员 field_1 和 field_2 所占用的内存长度是以位为单位来指定的，所以成员 field_1 和 field_2 都叫位段（位域）。

使用位域最大的好处就是可以节省内存，以上述的位域为例：

struct Bit_Field_t
{
    unsigned char field_1      :4;
    unsigned char field_2      :4;
};
struct Bit_Field_t Bit_Field;

这个位域总共占用 8bit 内存空间，所以定义出来的变量 Bit_Field 只会占用一个字节的内存空间。

如果不用位域，就定义普通的结构体成员变量：

struct Bit_Field_t
{
    unsigned char field_1;
    unsigned char field_2;
};
struct Bit_Field_t Bit_Field;

那么这个结构体变量 Bit_Field 就会占用两字节（假设结构体字节对齐）的内存空间。

需要注意的是，2^4=16，所以用位域的方式定义成员变量 field_1 和 field_2 时，field_1 和 field_2 所能存储的数据范围是 0~15。

位域在程序开发中的妙用

实际开发过程中，可以发现很多信息其实用 0 或 1 就可以表示清楚了，例如按键状态。

假设有 8 个按键，按键触发时为 1 ，空闲时为 0。当需要将这八个按键的状态保存到变量里，提供给其他功能模块调用获取按键状态时，最简单的方法就是定义 8 个 unsigned char 的变量，为了方便其他功能模块调用，可以是数组模式或者是结构体模式，例如：

//数组形式
unsigned char key_state[8] = {0x00};


//结构体形式
struct key_sta_t
{
    unsigned char key_0;
    unsigned char key_1;
    ......
    unsigned char key_6;
    unsigned char key_7;

}key_state;


//key_state[0] 或者 key_state.key_0 就表示按键0的状态

不管是采用哪种方式，都会占用8字节的内存空间（假设结构体字节对齐）。

仔细分析，其实一个按键只有 0 和 1 两种状态，一个按键的状态用 1bit 的内存空间存储就足够了，8个按键就刚好一个字节内存空间，这时候用位域的方式就非常合适了，例如：

//位域形式
struct key_sta_t
{
    unsigned char key_0        :1;
    unsigned char key_1        :1;
    ......
    unsigned char key_6        :1;
    unsigned char key_7        :1;

}key_state;


//key_state.key_0 表示按键0状态

如果再优化一下，在位域的基础上再加上联合体，那就更加实用了，例如：

union key_sta_t
{
    unsigned char res;
    struct
    {
       unsigned char key_0        :1;
       unsigned char key_1        :1;
       ......
       unsigned char key_6        :1;
      unsigned char key_7        :1;     

    }key_bit;

}key_state;

使用 key_state.key_bit.key_0 就可以表示按键0的状态；有趣的来了，由于联合体中所有成员占用的是同一段内存，所以 有如下对应关系：

key_state.key_bit.key_0  == >  key_state.res 的 bit0
key_state.key_bit.key_7  == >  key_state.res 的 bit7

这样的话就可以很轻松地判断组合按键了。

例如按键0和按键1同时按下，那么就会有如下状态：

key_state.key_bit.key_0 = 1;
key_state.key_bit.key_1 = 1;
key_state.res = 3;

我们只需要判断 key_state.res 的值就可以知道那些组合按键被触发了，如果需要清除所有按键状态时，只需要将 key_state.res 清零即可，是不是十分方便！