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ARM體系下浮點數Middle-Endian問題的處理

更新日期:2007-11-12  作者:  來源:光學精密機械網(ChinaOptic.Com.Cn)收集整理

來源:單片機嵌入式系統應用 作者:國防科學技術大學 徐莉偉 黎鐵軍

隨著嵌入式微處理器芯片性能的日益提高,嵌入式設備也得到了廣泛的應用。隨著應用的擴展,嵌入式軟件開發也呈現出功能多樣化、平臺多樣化、體系結構多樣化的特點。

由于可移植性好,相當一部分嵌入式軟件都是用C/C++語言開發的,而C/C++語言編寫的程序中數據存儲字節順序是與編譯平臺所用的CPU相關的,所以嵌入式軟件移植過程中,數據存儲字節順序是需要重點處理的地方。

嵌入式GIS軟件從x86體系結構下移植到ARM體系結構的過程中,遇到了浮點數據存儲字節順序的問題。該問題既不是Big-Endian,也不是Little-Endian,而是Middle-Endian字節順序。本文先介紹該嵌入式GIS軟件開發平臺和運行平臺,再對移植過程中遇到的問題進行跟蹤和分析。找到問題根源,最終給出兩種解決方案。

1 嵌入式GIS軟件
嵌入式GIS軟件是用C++語言開發的,運行在PDA上的嵌入式軟件。該軟件系統結構如圖l所示。



在以嵌入式硬件設備為硬件平臺的基礎上,內核版本為2.4.30的嵌入式Linux操作系統和QT/Embedded圖形界面開發包構成了嵌入式GIS軟件的軟件平臺。嵌入式GIS軟件通過第三方庫GDAL/OGR,提供對多種格式(如Shapefile、mapinfo)等矢量電子地圖的讀取操作。
嵌入式GIS軟件的運行平臺是以ARM920T為處理器的三星公司的SMDK開發板。電子地圖數據來自官方發布的某區域電子地圖數據。
嵌入式GIS軟件在x86上調試通過后,使用2.95.3版本的arm-linux-gcc編譯器交義編譯嵌入式GIS軟件和其他組件;最終將該軟件移植到SMDK上運行。
移植到SMDK開發板上之后,嵌入式GIS軟件能夠正常顯示軟件框架;在讀取Shapefile格式電子地圖時,進入死循環狀態。根據debug信息顯示嵌入式GIS軟件所讀取的Shapefile電子地圖顯示范圍的4個double類型數值,與X86下讀取的數值不一致。例如,Shapefile文件中的數據為-3.383 700,而在ARM平臺下凄出的數值則為7.49530le+68。ARM體系結構下讀出的錯誤數據將導致嵌入式GIS軟件運行時邏輯出錯,不能正確最示電子地圖。



2 Middle-Endian
在不同的體系結構之問移植嵌入式軟件時,數據存儲字節順序是需要處理的問題之一。
提到數據存儲字節順序,就要提到Big-Endian和Little-Endian。在各個體系結構處理器設計之初,Big-Endian和Little-Endian的分歧就一直存在,它們代表著每個字節在不同體系結構下的不同存儲方式。如圖2所示,數值0x1234ABCD在不同的字節順序下具有不同存儲順序。



字節順序的不同,經常導致讀取跨平臺的文件數據不一致。針對嵌入式GIS軟件移植過程中發生的數據不一致問題,對ARM體系結構的字節順序進行了測試,方法如下:
return(htonl(1)==1)?BIG:LITTLE;
測試結果顯示ARM同x86一樣.采用的是Little-Endian字節順序存儲數據,并不存在Big-Endilan和Lit-tle-Endian之間轉換不當的問題。
使用簡單的二進制數據文件模擬x86下的Shapefile文件。在x86體系結構下,分別在二進制文件中寫入int、f1oat和double類型數據,得到x86下的數據文件。將該數據文件轉移到SMDK開發板上,讀取該數據文件中的數值并打印。
測試結果顯示ARM體系結構下讀取x86體系結構下生成的二進制文件,int和float類型數據與x86體系結構下一致,只有double類型數據不一致。經過進一步驗證,將double類型數據以十六進制形式打印,就可以發現問題的關鍵,如圖3所示。



同樣的double類型數據0x1234 ABCD,在ARM體系結構下讀出變成0xABCD1234。所以在ARM平臺下讀取的地圖數據發生了變化,導致嵌入式GIS軟件邏輯判斷出錯,不能正確運行。
原來ARM處理器對浮點數double類型的存儲不支持IEEE標準,既不是Litrlc-Endian字節順序,也不是Big-Endian字節順序。在ARM平臺下,每個double類型分為兩個字,每個字內部采用Little Endian字節順序,而兩個字之間采用Big Endian字節順序組織,即MiddleEndian字節順序。
目前還不能通過硬件或者軟件調節改變ARM體系結構對double類型數據的存儲順序,因此,對于類似嵌入式GIS軟件這樣需要讀取其他體系結構平臺下生成的二進制文件的程序,都需要對double類型數據的存儲順序進行處理。



3 解決方案
針對ARM體系結構下double類型數據存儲的Middle-Endian問題,有兩種解決方案。
(1)修改跨體系結構數據文件
將跨體系結構文件中的double類型數據改成用文本格式存儲。文本格式在跨體系結構的傳輸中不會改變其存儲格式,從而保證讀取的數據一致。但是嵌入式GIS軟件的數據是官方發布的數據,很難對其進行修改,所以在本軟件中這種方法不適用。
(2)應用程序中添加Middle-Endian處理
同Little-Endian和Big-Endian的處理類似,在底層代碼中,凡是涉及double類型的數據讀/寫操作,都要事先對double類型的數據進行調換,以保證double類型數據存儲的跨體系結構一致性。
嵌入式GIS軟件是通過調用GDAL/OGR中的shpopen.c文件提供的函數對Shapefile文件進行讀/寫操作的。所以在shpopen.c文件中添加對Middle-Endian字節順序進行判斷的函數void EndianType(void),代碼如下:



通過對浮點數1.982031在軟件運行平臺下的十六進制數值和其在x86下十六進制數值的比較,確定該運行平臺是何種字節順序。
經過驗證,一旦該平臺采用Middle-Endian字節順序存儲double類型數據,則可利用函數“void SwapWord(int length,dout)e*dValue);”對double類型數據進行交換,以獲取正確的存儲順序。代碼如下:



經過修改后的sbpopen.c文件,增加了對ARM體系結構下Middle-Endian字節順序的支持,最終解決了Micidle-Endian的問題,能夠正確顯示電子地圖數據。


4 小 結
本文描述了嵌入式GIS軟件從x86平臺移植到ARM體系結構平臺的過程中遇到的浮點數存儲字節順序問題,并對該問題進行了詳細分析,最終確定是ARM體系結構下浮點數的Middle-Endian存儲問題,并提供了解決方案。希望本文的開發經驗可以對嵌入式GIS軟件開發者提供一些有用的幫助。

 etyjtykjuy
 
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