上位机与下位机的交流：编码与字节序的实验

上位机与下位机的交流：编码与字节序的实验
下午在南区的讨论班居然提前结束了，而且，到预定吃晚饭的时候还剩两个半小时，按包师弟的说法，真是个尴尬的时间啊。干做两个半小时，太无聊，如果赶回所编程序，似乎时间又不太够的样子。我甚至想提议去暴走吧，但是想到冷得冻肺子的天气，想到包师弟和我都正感冒，也就只是想想。
包师弟说：要编这程序的想法，真是搅得人...
我忘了他原来的措词，为避免他跑上来纠正，只好留了空白。大意是，热血沸腾啊，夜不能寐啊之类的。现场表现是坐立不安。
好吧。
我们迅速用了十来分钟重新回顾了一下以前做过的计划，然后跑出来打车去所里。
1. 实验计划及基本原理
我们要做的是一个原型实验，确定STM32某芯片 (意法半导体)
的浮点型变量的编码方案与PC[http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_754-2008]是相同的，且大小头
(Endianness) 也是一样的。
几天来，包师弟已经把下位机的板子都整完了，昨天半夜的时候邮件说USB芯片及驱动都整完了。
我们计划的技术路线是：由上位机通过USB向下位机发送一个浮点数的二进制形式，下位机接收到以后，写到串口，然后用PC从串口读了显示出来。
如果PC下发的和最后显示的如果不一致，即可判定STM32与PC使用了不同的浮点变量编码。我们希望一致。
为初学者同学们解释一下，这并非是为了验证PC-STM32-串口的链路是正常的，而是为了验证上位机与下位机使用相同的方式表示一个浮点。
上位机就是PC，下位机是单片机或者ARM芯片的机器。
有的同学可能会问：难道上位机和下位机表示同一个数，会使用不同的方式，不都是"3.14"这样的形式么？
可能不相同，一定不是"3.14"这样的形式。因为我们知道，计算机只接受二进制，而"3.14"显示不是二进制。所以"3.14"是以一种有点诡异的方式表示的。
(1) 编码
在上位机中，一个浮点数，比如3.14，需要经过归一化、求符号、求指数、求有效数字、求尾数……一系列的步骤，终于变成了下面的形式。
如果是32位系统，用十六进制表示就是: 4048F5C3
具体的步骤和4048F5C3中每个二进制位的含义略过，感兴趣的同学请去文后的两个地址自行观赏。
我和包师弟打算用实验确认，上位机与下位机使用了相同的计算方法，或者说，相同的编码方法。即，当上位机发送3.14的时候，它发送4048F5C3这四个字节；当下位机接收4048F5C3这四个字节的时候，它认为这是3.14。
上位机与下位机使用相同的语言，才能通信。如果一方对另一方一无所知，还要指导，情况就可能比较糟糕了。
比如下面的对话。
上位机：你最喜欢莎士比亚的什么作品。
请注意上位机知道莎士比亚是一个人，而是有作品的人，不是意法半导体生产的某个芯片型号。
下位机：英雄双行体。
上位机：……
如果上位机在日本动画里，估计会说"那呢？"。我文学基本白痴，以前从来只知道莎士比亚还写十四行诗，从来没听说过英雄双行体这种东西，不过上位机似乎更白痴一些，他似乎认定莎士比亚就只写过戏剧。
恩，我比较喜欢李清照的词。
上位机：你读过莎士比亚的哪部作品？
下位机：我演过麦克白中的巫婆。
上位机：你是演员？
上位机显然不知道，而不是在调笑，他不知道英文专业学习英文的重要方法之一，从高中的时候就是这样，就是表演英文经典名著或者非名著。每个学英语的好像还都有剧照什么的。
不幸的是，下位机也不知道上位机如此无知。
上位机：你英语这么好，为什么要学英语呢？
下位机：我们为什么要学汉语呢？
我补充一下：因为英语系根本不是学英语的，就像下位机的回答所暗示的，中文系不是学中文的，历史系不是学历史演义的，而计算机系也不是学计算机的。很多英语系还有个全称，叫英语言文学，中文系一般还有个名字，叫汉语言文学，历史系……历史系好像叫历史文化学院，计算机系则根本不学怎么修理计算机拆壳子什么的。
深入地研究一个东西，跟简单的使用，根本就是天壤之别。
有人可能误认为：上位机误会了自己的身份，那些指责只有BOSS们才有资格做。
不，不是这样。没有人有资格指责别人，尤其，尤其，尤其是你身居高位的时候。身为BOSS，被安排居高临下，你对看不惯的人唯一能说的话也就是：我们不适合你。被你指责的那个人，没有花钱请你做他的顾问。
上位机下位机，不过是为了称呼方便给的一个名字，你真以为自己就高人一等了，你当小资的时候口口声声赞扬的独立宣言里有一句"人生而平等"不知道是不是忘光了。你花钱买到的不过是劳动时间，并不包括人的尊严。
所以，如果编码不同，还是承认不同罢了，少扯别人低级自己高级什么的。
又，故做平易近人和蔼可亲低下头来和你说话这样的姿态的，也不是什么好鸟，因为他们假设自己高人一等。
(2)大小头
目前有两种Endianness在计算机中普遍存在，一种是，在内存里，4048F5C3就表示为4048F5C3，这个叫做 big endian，大头儿。
有同学说，还能有啥表示方法？
还有一种叫 little endian，小头儿，4048F5C3会表示成C3F54840，正好按逆序排列每个字节。
有同学可能说，居然还有小头儿这么诡异的表示方法。是啊，事实上，我们一般用的PC，x86体系的，都是小头儿，是诡异的那一方。而ARM，是大头那一方。
大头小头，这个名字来自格列弗游记，两个小人国战争的原因是，到底吃鸡蛋应该从大头还是小头先打碎。这个问题也困扰计算机网络，发送数据前，也可能需要重排一下字节的顺序。
说到这里插一句，有意思的是，在小头的x86体系中，浮点数恰恰很诡异地使用了大头方案。这是由于历史的原因，你看，我们已经是一门有历史的学科了。
以上，我和包师经要验证的是上位机 (并非多么尊贵) 与下位机 (并非理应谦卑)使用了相同的 (1)编码、 (2)大小头。
可能有的同学会说：查下手册不就完了么。大多数时候我乐意相信手册，不过昨天马利同学刚刚抱怨了Thinkphp手册之不咋地，还是小心为妙。
2. 实验环境
上位机一台，跑windows7，64位CPU。杨注：可能运行在32位模式，或者应用程序工作在32位模式。
上位机的应用程序包括：
* labview
* symbolink 可能是这个名字，不能确认了。windows驱动开发工具之一，用来显  示驱动提供用来读写的文件名的。
* 虚机里跑了个windows xp，里面有个visual studio.
* 下位机的交叉编译和烧写软件
* 串口通信工具，用来看下位机发到串口的东西
* bushond
下位机：
* 意法办导体STM32某芯片，USB驱动已完成，串口驱动已完成
其他的硬件环境包括：我和包师弟各据一个显示器，连接在同一台上位机上，两套鼠标两套键盘。
两套鼠标两套键盘的结对编程方式，是ZHUMAO同学最先采用的，我们两个似乎当时调的是个JAVA程序。两套输入设备，结对时就不必抢键盘了，只要说一句"放着我来"，就行了。论起争执和争夺，嘴还是比手快。
其他的硬件环境，我在实验其间还征用了关同学的座机一会，用来拷出symbolink，包师弟其间用过他的笔记本一阵，查资料。
还用了一个不知道什么软件，为了计时工作，西红柿时间管理。一共两次迭代，第二次严重超时，刚好在最后一分钟结束所有工作。
2. 实验过程
* 下位机输出到串口，浮点变量
改下位机程序，把浮点数，比如3.14，忘记当时用的是什么了，输出到串口。用上位机的串口通信软件读，符合3.14。
这步是为了确认串口通信及下位机的浮点数格式化输出正确。
float a = 3.14;printf("%f", a);
我们观察到了单精度浮点数精度不够的情况，略。
* labview，不知道如何把浮点写下去
用labview，打算把浮点数对应的二进制四个字节写到USB口。遇到个问题，不知道应该怎么取得浮点数对应的二进制那四个字节。
这时，我们转到了另一个技术路线。
请某些同学注意，这里的另一个技术路线，原本就是我们计划的技术路线之一，而不是因为前一路线"可能"不通，而临时想到的。同时，我们非常确认另一条技术路线可能，而且我和包师弟各喜欢一条路线，所以才会转向。这与某些同学"一遇困难就转向，再遇困难再转回来，始终也不知道毛病在哪里，这个方法到底行不行"是完全不同的。事实上，我们基本确认labview有这样的能力，只是不打算再花时间。前面提过，我们原计划加交通也只有两个半小时。
* C，不知道symbolic link name
然后，开始用C写USB口，但是CreateFile的时候不知道驱动给提供的文件名(symbolic
link)是什么，因为正使用labview的驱动，不是我们自己写的那个版本。
自己马上写个驱动，也是方法，但是我们需要马上架起驱动开发的环境。原来有个驱动，但当前的这块板子vid,pid,endpoint设置全不一样。时间关系，也放到一边。请还是那部分同学注意，我们仍随时可以开始这一路线。
* 用symbolink (？) ，不能确定文件名是正确的，CreateFile没有发出数据
开关同学的机器，找到了能查驱动提供的文件名的工具。
这里有个插曲，我们拥有N多个虚拟机，以致于找到需要的那个，花了不少时间。后来全盘搜索才找到。
当时我想起了之前某次"结对"编程，我的身后有四位同学，包独坐一边，还是上面的硬件环境，我们把众多文件在真实的和虚拟的共达七台计算机间来回挪腾，最终一切都跑了起来。大家说，这很盗梦空间。
不过，这一次比较不幸，我按symbolikn查到的文件名发数据，下位机没有接收到。
* 包接受用C写用文件，然后用labview读
这时包提到一个之间的方案：我用C语言把float变量的二进制写到一个文件中，然后包用labview读进来，按字节读。
我说：咱们还是直接用手写吧。
* 用C输出float的4个字节
我们用C程序，把float变量对应的十六进制，显示在控制台上。这样：
#include <stdio.h>main(){    float a = 3.14;    printf("%x", *
(unsigned char*) &a);    printf("%x", * ((unsigned char*) &a + 1) );
printf("%x", * ((unsigned char*) &a + 2) );    printf("%x", *
((unsigned char*) &a + 3) );}
* 用bushound，而不是labview写到下位机
然后，我们没有用labview，而是用另一个更轻量级的工具，bushound，直接向usb的endpoint中写入了十六进制。
* 下位机，强制转换指针类型
在下位机中，我们按收到数据以后，把这四个字节十六进制转换成了浮点型变量，然后printf到串口。大致这样：
printf("%f", * (float*) buf);
* 上位机显示下位机串口
上位机显示，下位机的串口输出了 3.14。
我们又改了几个浮点数，由上位机把C算出来的十六进制通过USB口写给下位机，下位机又通过串口把这四个字节当成浮点型变量格式化输出。上位机显示下位机的串口输出，与我们预期的值是相同的。
* 然后，我们去东方肉馆吃肉去了。
虽然我的挂钩还疼着，尤其嚼脆骨的时候，不过心情不错。当你知道这个世界上有一些人与你用相同的语言交流，有些相同的习惯，比如大半夜的上网发贴子看贴子，怎么能心情不好。
就让那些 听不懂别人说话，还命令别人按自己的方式说话的 上位机孤独去吧。
3. 结论
浮点型单精度变量，PC与ARM使用了相同的编码和字节序。
参考文献：
[http://en.wikipedia.org/wiki/IEEE_754-2008][http://babbage.cs.qc.cuny.edu/IEEE-754/]