使用 Linux 内核的 API 进行数据字节序的可移植转换

Question

我如何改进以下代码，即使用 Linux 内核 API 中的函数和宏，使其在类型安全和字节顺序方面更加健壮？例如，在下面的示例中，src_data 是两个 16 位有符号整数的数组（通常以小端顺序存储），将以大端字节顺序通过 UART 发送出去。

s16 src_data[2] = {...}; /* note: this is signed data! */
u8 tx_data[4];

u8* src_data_u8 = (u8*)src_data;

tx_data[0] = src_data_u8[1];
tx_data[1] = src_data_u8[0];
tx_data[2] = src_data_u8[3];
tx_data[3] = src_data_u8[2];

我认为函数 cpu_to_be16 and cpu_to_be16p 应该在进行这种转换中发挥作用。尽管我不确定如何以安全且稳健的方式使用它们。

Answer 1

如果 Linux 机器永远是小端，协议永远是大端，那么代码工作正常，你不需要改变任何东西。

如果您出于某种原因需要使 Linux 代码与字节序无关，那么您可以使用：

tx_data[0] = ((unsigned int)src_data[0] >> 8) & 0xFF;
tx_data[1] = ((unsigned int)src_data[0] >> 0) & 0xFF;
tx_data[2] = ((unsigned int)src_data[1] >> 8) & 0xFF;
tx_data[3] = ((unsigned int)src_data[1] >> 0) & 0xFF;

强制转换是为了确保不对签名类型执行右移，这将调用不可移植的实现定义的行为。

与任何其他版本相比，移位的优势在于它们在硬件和字节序之上的抽象级别上工作，让特定的编译器生成底层内存访问的指令。 u16 >> 8 之类的代码始终表示 "give me the least significant byte"，无论该字节存储在内存中的何处。

Answer 2

您的安全问题似乎是 htons(x) function/macro 需要一个无符号整数，但您拥有一个有符号整数。不是问题：

union {
    int16_t signed_repr;
    uint16_t unsigned_repr;
} data;

data.signed_repr = ...;

u16 unsigned_big_endian_data = htons(data.unsigned_repr);

memcpy(tx_data, &unsigned_big_endian_data,
       min(sizeof tx_data, sizeof unsigned_big_endian_data));

PS。通过联合进行类型双关是 perfectly well-defined.

Answer 3

我认为以下是对我的问题的最佳回答之一。我使用了@0andriy 提供的链接到内核源代码中的现有示例。

正在转换带符号的 16 位值以进行传输

s16 src = -5;
u8 dst[2];
__be16 tx_buf;
*(__be16*)dst = cpu_to_be16(src);

转换多个带符号的 16 位值以进行传输

s16 src[2] = {-5,-2};
u8 dst[4];
s16* psrc = src;
u8* pdst = dst;
int len = sizeof(src);

for ( ; len > 1; len -= 2) {
    *(__be16 *)pdst = cpu_to_be16p(psrc++);
    pdst += 2;
}

快速免责声明，我仍然需要检查此代码是否正确/编译。

总的来说，我对复制和转换多个值的字节序的解决方案有点不满意，因为它容易出现错别字并且可以很容易地实现到宏中。

Answer 4

据我了解，两个16位的字，在转换成bigendian格式后，一个接一个发送。我觉得下面应该可以吧

s16 src_data[2] = {...}; /* note: this is signed data! */
s16 tx_data[2];
tx_data[0] = cpu_to_be16(src_data_u8[0]);
tx_data[1] = cpu_to_be16(src_data_u8[1]);

使用 Linux 内核的 API 进行数据字节序的可移植转换

Portable conversion of data endianness using the Linux kernel's API

endianness

memory-alignment

linux-kernel