ARM体系结构下浮点数的Middle-Endian存储问题
eeskill 2021-09-15

由于可移植性好,相当一部分嵌入式软件都是用C/C++语言开发的,而C/C++语言编写的程序中数据存储字节顺序是与编译平台所用的CPU相关的,所以嵌入式软件移植过程中,数据存储字节顺序是需要重点处理的地方。

在嵌入式GIS软件从x86体系结构下移植到ARM体系结构的过程中,遇到了浮点数据存储字节顺序的问题。该问题既不是Big-Endian,也不是Little-Endian,而是Middle-Endian字节顺序。本文先介绍该嵌入式GIS软件开发平台和运行平台,再对移植过程中遇到的问题进行跟踪和分析。找到问题根源,最终给出两种解决方案。

1 嵌入式GIS软件

嵌入式GIS软件是用C++语言开发的,运行在PDA上的嵌入式软件。该软件系统结构如图l所示。

在以嵌入式硬件设备为硬件平台的基础上,内核版本为2.4.30的嵌入式Linux操作系统和QT/Embedded图形界面开发包构成

了嵌入式GIS软件的软件平台。嵌入式GIS软件通过第三方库GDAL/OGR,提供对多种格式(如Shapefile、mapinfo)等矢量电子地图的读取操作。

嵌入式GIS软件的运行平台是以ARM920T为处理器的三星公司的SMDK开发板。电子地图数据来自官方发布的某区域电子地图数据。

嵌入式GIS软件在x86上调试通过后,使用2.95.3版本的arm-linux-gcc编译器交义编译嵌入式GIS软件和其他组件;最终将该软件移植到SMDK上运行。

移植到SMDK开发板上之后,嵌入式GIS软件能够正常显示软件框架;在读取Shapefile格式电子地图时,进入死循环状态。根据debug信息显示,嵌入式GIS软件所读取的Shapefile电子地图显示范围的4个double类型数值,与X86下读取的数值不一致。例如,Shapefile文件中的数据为-3.383 700,而在ARM平台下凄出的数值则为7.49530le+68。ARM体系结构下读出的错误数据将导致嵌入式GIS软件运行时逻辑出错,不能正确最示电子地图。

2 Middle-Endian

在不同的体系结构之问移植嵌入式软件时,数据存储字节顺序是需要处理的问题之一。

提到数据存储字节顺序,就要提到Big-Endian和Little-Endian。在各个体系结构处理器设计之初,Big-Endian和Little-Endian的分歧就一直存在,它们代表着每个字节在不同体系结构下的不同存储方式。如图2所示,数值0x1234ABCD在不同的字节顺序下具有不同存储顺序

字节顺序的不同,经常导致读取跨平台的文件数据不一致。针对嵌入式GIS软件移植过程中发生的数据不一致问题,对ARM体系结构的字节顺序进行了测试,方法如下:

return(htonl(1)==1)?BIG:LITTLE;

测试结果显示,ARM同x86一样.采用的是Little-Endian字节顺序存储数据,并不存在Big-Endilan和Lit-tle-Endian之间转换不当的问题。

使用简单的二进制数据文件模拟x86下的Shapefile 文件。在x86体系结构下,分别在二进制文件中写入int、f1oat和double类型数据,得到x86下的数据文件。将该数据文件转移到SMDK开发板上,读取该数据文件中的数值并打印。

测试结果显示ARM体系结构下读取x86体系结构下生成的二进制文件,int和float类型数据与x86体系结构下一致,只有double类型数据不一致。经过进一步验证,将double类型数据以十六进制形式打印,就可以发现问题的关键,如图3所示。

同样的double类型数据0x1234 ABCD,在ARM体系结构下读出变成0xABCD1234。所以在ARM平台下读取的地图数据发生了变化,导致嵌入式GIS软件逻辑判断出错,不能正确运行。

原来ARM处理器对浮点数double类型的存储不支持IEEE标准,既不是Litrlc-Endian字节顺序,也不是Big-Endian字节顺序。在ARM平台下,每个double类型分为两个字,每个字内部采用Little Endian字节顺序,而两个字之间采用Big Endian字节顺序组织,即MiddleEndian字节顺序。

目前还不能通过硬件或者软件调节改变ARM体系结构对double类型数据的存储顺序,因此,对于类似嵌入式GIS软件这样需要读取其他体系结构平台下生成的二进制文件的程序,都需要对double类型数据的存储顺序进行处理。

3 解决方案

针对ARM体系结构下double类型数据存储的Middle-Endian问题,有两种解决方案。

(1)修改跨体系结构数据文件

将跨体系结构文件中的double类型数据改成用文本格式存储。文本格式在跨体系结构的传输中不会改变其存储格式,从而保证读取的数据一致。但是嵌入式GIS软件的数据是官方发布的数据,很难对其进行修改,所以在本软件中这种方法不适用。

(2)应用程序中添加Middle-Endian处理

同Little-Endian和Big-Endian的处理类似,在底层代码中,凡是涉及double类型的数据读/写操作,都要事先对double类型的数据进行调换,以保证double类型数据存储的跨体系结构一致性。

嵌入式GIS软件是通过调用GDAL/OGR中的shpopen.c文件提供的函数对Shapefile文件进行读/写操作的。所以在shpopen.c文件中添加对Middle-Endian字节顺序进行判断的函数void EndianType(void),代码如下:

通过对浮点数1.982031在软件运行平台下的十六进制数值和其在x86下十六进制数值的比较,确定该运行平台是何种字节顺序。

经过验证,一旦该平台采用Middle-Endian字节顺序存储double类型数据,则可利用函数“void SwapWord(int length,dout)e*dValue);”对double类型数据进行交换,以获取正确的存储顺序。代码如下:

经过修改后的sbpopen.c文件,增加了对ARM体系结构下Middle-Endian字节顺序的支持,最终解决了Micidle-Endian的问题,能够正确显示电子地图数据。

4 小 结

本文描述了嵌入式GIS软件从x86平台移植到ARM体系结构平台的过程中遇到的浮点数存储字节顺序问题,并对该问题进行了详细分析,最终确定是ARM体系结构下浮点数的Middle-Endian存储问题,并提供了解决方案。希望本文的开发经验可以对嵌入式GIS软件开发者提供一些有用的帮助。

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