ARM下浮點(diǎn)數(shù)Middle-Endian問題的處理

摘要：本文描述了嵌入式GIS軟件從X86平臺(tái)移植到ARM體系結(jié)構(gòu)平臺(tái)的過程中遇到的浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)字節(jié)順序問題，并對(duì)該問題進(jìn)行了詳細(xì)分析，最終確定是ARM體系結(jié)構(gòu)下浮點(diǎn)數(shù)的Middle-Endian存儲(chǔ)問題，并提供了解決方案。


　　隨著嵌入式微處理器芯片性能的日益提高，嵌入式設(shè)備也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著應(yīng)用的擴(kuò)展，嵌入式軟件的開發(fā)也呈現(xiàn)出功能多樣化、平臺(tái)多樣化和體系結(jié)構(gòu)多樣化等特點(diǎn)。

　　由于可移植性好，相當(dāng)一部分嵌入式軟件都是用C/C++語言開發(fā)的，而C/C++語言編寫的程序中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)字節(jié)順序是與編譯平臺(tái)所用的CPU相關(guān)的，所以嵌入式軟件移植過程中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)字節(jié)順序是需要重點(diǎn)處理的地方。

　　在嵌入式GIS軟件從X86體系結(jié)構(gòu)下移植到ARM體系結(jié)構(gòu)的過程中，遇到了浮點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)字節(jié)順序的問題。該問題既不是Big-Endian，也不是Little-Endian，而是Middle-Endian字節(jié)順序。本文先介紹該嵌入式GIS軟件開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)，再對(duì)移植過程中遇到的問題進(jìn)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(fā)的，運(yùn)行在PDA上的嵌入式軟件。該軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。

　　在以嵌入式硬件設(shè)備為硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，內(nèi)核版本為2.4.30的嵌入式Linux操作系統(tǒng)和QT/Embedded圖形界面開發(fā)包構(gòu)成了嵌入式GIS軟件的軟件平臺(tái)。嵌入式GIS軟件通過第三方庫GDAL/OGR，提供對(duì)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(yùn)行平臺(tái)是以ARM920T為處理器的三星公司的SMDK開發(fā)板。電子地圖數(shù)據(jù)來自官方發(fā)布的某區(qū)域電子地圖數(shù)據(jù)。

　　嵌入式GIS軟件在X86上調(diào)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(yùn)行。

　　移植到SMDK開發(fā)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(shí)，進(jìn)入死循環(huán)狀態(tài)。根據(jù)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(gè)double類型數(shù)值，與X86下讀取的數(shù)值不一致。例如，Shapefile文件中的數(shù)據(jù)為-3.383 700，而在ARM平臺(tái)下凄出的數(shù)值則為7.49530le+68。ARM體系結(jié)構(gòu)下讀出的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)將導(dǎo)致嵌入式GIS軟件運(yùn)行時(shí)邏輯出錯(cuò)，不能正確最示電子地圖。

　　2 Middle-Endian

　　在不同的體系結(jié)構(gòu)之問移植嵌入式軟件時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)字節(jié)順序是需要處理的問題之一。

　　提到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)字節(jié)順序，就要提到Big-Endian和Little-Endian。在各個(gè)體系結(jié)構(gòu)處理器設(shè)計(jì)之初，Big-Endian和Little-Endian的分歧就一直存在，它們代表著每個(gè)字節(jié)在不同體系結(jié)構(gòu)下的不同存儲(chǔ)方式。如圖2所示，數(shù)值0x1234ABCD在不同的字節(jié)順序下具有不同存儲(chǔ)順序。

　　字節(jié)順序的不同，經(jīng)常導(dǎo)致讀取跨平臺(tái)的文件數(shù)據(jù)不一致。針對(duì)嵌入式GIS軟件移植過程中發(fā)生的數(shù)據(jù)不一致問題，對(duì)ARM體系結(jié)構(gòu)的字節(jié)順序進(jìn)行了測(cè)試，方法如下：

　　Return(htonl(1)==1)?BIG:LITTLE;

　　測(cè)試結(jié)果顯示，ARM同X86一樣．采用的是Little-Endian字節(jié)順序存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并不存在Big-Endilan和Lit-tle-Endian之間轉(zhuǎn)換不當(dāng)?shù)膯栴}。

　　使用簡單的二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件模擬X86下的Shapefile 文件。在X86體系結(jié)構(gòu)下，分別在二進(jìn)制文件中寫入int、f1oat和double類型數(shù)據(jù)，得到X86下的數(shù)據(jù)文件。將該數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)移到SMDK開發(fā)板上，讀取該數(shù)據(jù)文件中的數(shù)值并打印。

　　測(cè)試結(jié)果顯示ARM體系結(jié)構(gòu)下讀取X86體系結(jié)構(gòu)下生成的二進(jìn)制文件，int和float類型數(shù)據(jù)與X86體系結(jié)構(gòu)下一致，只有double類型數(shù)據(jù)不一致。經(jīng)過進(jìn)一步驗(yàn)證，將double類型數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制形式打印，就可以發(fā)現(xiàn)問題的關(guān)鍵，如圖3所示。

　　同樣的double類型數(shù)據(jù)0x1234 ABCD，在ARM體系結(jié)構(gòu)下讀出變成0xABCD1234。所以在ARM平臺(tái)下讀取的地圖數(shù)據(jù)發(fā)生了變化，導(dǎo)致嵌入式GIS軟件邏輯判斷出錯(cuò)，不能正確運(yùn)行。

　　原來ARM處理器對(duì)浮點(diǎn)數(shù)double類型的存儲(chǔ)不支持IEEE標(biāo)準(zhǔn)，既不是Litrlc-Endian字節(jié)順序，也不是Big-Endian字節(jié)順序。在ARM平臺(tái)下，每個(gè)double類型分為兩個(gè)字，每個(gè)字內(nèi)部采用Little Endian字節(jié)順序，而兩個(gè)字之間采用Big Endian字節(jié)順序組織，即MiddleEndian字節(jié)順序。

　　目前還不能通過硬件或者軟件調(diào)節(jié)改變ARM體系結(jié)構(gòu)對(duì)double類型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)順序，因此，對(duì)于類似嵌入式GIS軟件這樣需要讀取其他體系結(jié)構(gòu)平臺(tái)下生成的二進(jìn)制文件的程序，都需要對(duì)double類型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)順序進(jìn)行處理。

　　3 解決方案

　　針對(duì)ARM體系結(jié)構(gòu)下double類型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的Middle-Endian問題，有兩種解決方案。

　?。?）修改跨體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)文件

　　將跨體系結(jié)構(gòu)文件中的double類型數(shù)據(jù)改成用文本格式存儲(chǔ)。文本格式在跨體系結(jié)構(gòu)的傳輸中不會(huì)改變其存儲(chǔ)格式，從而保證讀取的數(shù)據(jù)一致。但是嵌入式GIS軟件的數(shù)據(jù)是官方發(fā)布的數(shù)據(jù)，很難對(duì)其進(jìn)行修改，所以在本軟件中這種方法不適用。

　　（2）應(yīng)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(shù)據(jù)讀/寫操作，都要事先對(duì)double類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)換，以保證double類型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的跨體系結(jié)構(gòu)一致性。

　　嵌入式GIS軟件是通過調(diào)用GDAL/OGR中的shpopen．c文件提供的函數(shù)對(duì)Shapefile文件進(jìn)行讀/寫操作的。所以在shpopen.c文件中添加對(duì)Middle-Endian字節(jié)順序進(jìn)行判斷的函數(shù)void EndianType(void)，代碼如下：

　　通過對(duì)浮點(diǎn)數(shù)1.982031在軟件運(yùn)行平臺(tái)下的十六進(jìn)制數(shù)值和其在X86下十六進(jìn)制數(shù)值的比較，確定該運(yùn)行平臺(tái)是何種字節(jié)順序。

　　經(jīng)過驗(yàn)證，一旦該平臺(tái)采用Middle-Endian字節(jié)順序存儲(chǔ)double類型數(shù)據(jù)，則可利用函數(shù)“void SwapWord(int length，dout)e*dValue)；”對(duì)double類型數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，以獲取正確的存儲(chǔ)順序。

　　經(jīng)過修改后的sbpopen．c文件，增加了對(duì)ARM體系結(jié)構(gòu)下Middle-Endian字節(jié)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(shù)據(jù)。

　　4 小 結(jié)

　　本文描述了嵌入式GIS軟件從X86平臺(tái)移植到ARM體系結(jié)構(gòu)平臺(tái)的過程中遇到的浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)字節(jié)順序問題，并對(duì)該問題進(jìn)行了詳細(xì)分析，最終確定是ARM體系結(jié)構(gòu)下浮點(diǎn)數(shù)的Middle-Endian存儲(chǔ)問題，并提供了解決方案。希望本文的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)可以對(duì)嵌入式GIS軟件開發(fā)者提供一些有用的幫助。