2020年10月28日 | ARM下浮点数Middle-Endian问题的处理

　　摘要：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。

　　随着嵌入式微处理器芯片性能的日益提高，嵌入式设备也得到了广泛的应用。随着应用的扩展，嵌入式软件的开发也呈现出功能多样化、平台多样化和体系结构多样化等特点。

　　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。

　　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。