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详解大端模式和小端模式

2019-07-13 17:51发布

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详解大端模式和小端模式

一、大端模式和小端模式的起源

        关于大端小端名词的由来，有一个有趣的故事，来自于Jonathan Swift的《格利佛游记》：Lilliput和Blefuscu这两个强国在过去的36个月中一直在苦战。战争的原因：大家都知道，吃鸡蛋的时候，原始的方法是打破鸡蛋较大的一端，可以那时的皇帝的祖父由于小时侯吃鸡蛋，按这种方法把手指弄破了，因此他的父亲，就下令，命令所有的子民吃鸡蛋的时候，必须先打破鸡蛋较小的一端，违令者重罚。然后老百姓对此法令极为反感，期间发生了多次叛乱，其中一个皇帝因此送命，另一个丢了王位，产生叛乱的原因就是另一个国家Blefuscu的国王大臣煽动起来的，叛乱平息后，就逃到这个帝国避难。据估计，先后几次有11000余人情愿死也不肯去打破鸡蛋较小的端吃鸡蛋。这个其实讽刺当时英国和法国之间持续的冲突。Danny Cohen一位网络协议的开创者，第一次使用这两个术语指代字节顺序，后来就被大家广泛接受。
 

二、什么是大端和小端

        Big-Endian和Little-Endian的定义如下：
1) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。
2) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。
举一个例子，比如数字0x12 34 56 78在内存中的表示形式为：
1)大端模式：低地址 -----------------> 高地址
0x12  |  0x34  |  0x56  |  0x78
2)小端模式：低地址 ------------------> 高地址
0x78  |  0x56  |  0x34  |  0x12
可见，大端模式和字符串的存储模式类似。3)下面是两个具体例子：16bit宽的数0x1234在Little-endian模式（以及Big-endian模式）CPU内存中的存放方式（假设从地址0x4000开始存放）为：
内存地址小端模式存放内容大端模式存放内容0x40000x340x120x40010x120x3432bit宽的数0x12345678在Little-endian模式以及Big-endian模式）CPU内存中的存放方式（假设从地址0x4000开始存放）为：内存地址小端模式存放内容大端模式存放内容0x40000x780x120x40010x560x340x40020x340x560x40030x120x78

 4)大端小端没有谁优谁劣，各自优势便是对方劣势：小端模式 ：强制转换数据不需要调整字节内容，1、2、4字节的存储方式一样。
大端模式 ：符号位的判定固定为第一个字节，容易判断正负。

三、数组在大端小端情况下的存储：

　　以unsigned int value = 0x12345678为例，分别看看在两种字节序下其存储情况，我们可以用unsigned char buf[4]来表示value：
　　Big-Endian: 低地址存放高位，如下：
高地址
        ---------------
        buf[3] (0x78) -- 低位
        buf[2] (0x56)
        buf[1] (0x34)
        buf[0] (0x12) -- 高位
        ---------------
        低地址
Little-Endian: 低地址存放低位，如下：
高地址
        ---------------
        buf[3] (0x12) -- 高位
        buf[2] (0x34)
        buf[1] (0x56)
        buf[0] (0x78) -- 低位
        --------------
低地址

四、为什么会有大小端模式之分呢？

      这是因为在计算机系统中，我们是以字节为单位的，每个地址单元都对应着一个字节，一个字节为8bit。但是在C语言中除了8bit的char之外，还有16bit的short型，32bit的long型（要看具体的编译器），另外，对于位数大于8位的处理器，例如16位或者32位的处理器，由于寄存器宽度大于一个字节，那么必然存在着一个如果将多个字节安排的问题。因此就导致了大端存储模式和小端存储模式。例如一个16bit的short型x，在内存中的地址为0x0010，x的值为0x1122，那么0x11为高字节，0x22为低字节。对于大端模式，就将0x11放在低地址中，即0x0010中，0x22放在高地址中，即0x0011中。小端模式，刚好相反。我们常用的X86结构是小端模式，而KEIL C51则为大端模式。很多的ARM，DSP都为小端模式。有些ARM处理器还可以由硬件来选择是大端模式还是小端模式。

五、如何判断机器的字节序

可以编写一个小的测试程序来判断机器的字节序：
bool IsBigEndian() { int a = 0x1234; char b = *(char *)&a; //通过将int强制类型转换成char单字节，通过判断起始存储位置。即等于 取b等于a的低地址部分 if( b == 0x12) { return true; } return false; } //返回为0 则说明低的地址为0x34 高的地址为0x12 说明为小端 反之为大端 联合体union的存放顺序是所有成员都从低地址开始存放，利用该特性可以轻松地获得了CPU对内存采用Little-endian还是Big-endian模式读写：bool IsBigEndian1() { union NUM { int a; char b; }num; num.a = 0x1234; if( num.b == 0x12 ) { return true; } return false; }

六、常见的字节序

一般操作系统都是小端，而通讯协议是大端的。
4.1 常见CPU的字节序
Big Endian : PowerPC、IBM、Sun
Little Endian : x86、DEC
ARM既可以工作在大端模式，也可以工作在小端模式。
 
4.2 常见文件的字节序
Adobe PS – Big Endian
BMP – Little Endian
DXF(AutoCAD) – Variable
GIF – Little Endian
JPEG – Big Endian
MacPaint – Big Endian
RTF – Little Endian
 
另外，Java和所有的网络通讯协议都是使用Big-Endian的编码。
 

七、如何进行转换

对于字数据（16位）：
[cpp] view plain copy
  1. #define BigtoLittle16(A)   (( ((uint16)(A) & 0xff00) >> 8)    |   
  2.                                        (( (uint16)(A) & 0x00ff) << 8))  
对于双字数据（32位）：[cpp] view plain copy
  1. #define BigtoLittle32(A)   ((( (uint32)(A) & 0xff000000) >> 24) |   
  2.                                        (( (uint32)(A) & 0x00ff0000) >> 8)   |   
  3.                                        (( (uint32)(A) & 0x0000ff00) << 8)   |   
  4.                                        (( (uint32)(A) & 0x000000ff) << 24))  

八、从软件的角度理解端模式

        从软件的角度上，不同端模式的处理器进行数据传递时必须要考虑端模式的不同。如进行网络数据传递时，必须要考虑端模式的转换。在Socket接口编程中，以下几个函数用于大小端字节序的转换。
[cpp] view plain copy
  1. #define ntohs(n)     //16位数据类型网络字节顺序到主机字节顺序的转换  
  2. #define htons(n)     //16位数据类型主机字节顺序到网络字节顺序的转换  
  3. #define ntohl(n)      //32位数据类型网络字节顺序到主机字节顺序的转换  
  4. #define htonl(n)      //32位数据类型主机字节顺序到网络字节顺序的转换  

其中互联网使用的网络字节顺序采用大端模式进行编址，而主机字节顺序根据处理器的不同而不同，如PowerPC处理器使用大端模式，而Pentuim处理器使用小端模式。
       大端模式处理器的字节序到网络字节序不需要转换，此时ntohs(n)=n，ntohl = n；而小端模式处理器的字节序到网络字节必须要进行转换，此时ntohs(n) = __swab16(n)，ntohl = __swab32(n)。__swab16与__swab32函数定义如下所示。
[cpp] view plain copy
  1. #define ___swab16(x)  
  2. {  
  3.             __u16 __x = (x);  
  4.             ((__u16)(  
  5.                         (((__u16)(__x) & (__u16)0x00ffU) << 8) |  
  6.                         (((__u16)(__x) & (__u16)0xff00U) >> 8) ));  
  7. }  
  8.   
  9.   
  10. #define ___swab32(x)  
  11. {  
  12.             __u32 __x = (x);  
  13.             ((__u32)(  
  14.                         (((__u32)(__x) & (__u32)0x000000ffUL) << 24) |  
  15.                         (((__u32)(__x) & (__u32)0x0000ff00UL) << 8) |  
  16.                         (((__u32)(__x) & (__u32)0x00ff0000UL) >> 8) |  
  17.                         (((__u32)(__x) & (__u32)0xff000000UL) >> 24) ));  
  18. }  

        PowerPC处理器提供了lwbrx，lhbrx，stwbrx，sthbrx四条指令用于处理字节序的转换以优化__swab16和__swap32这类函数。此外PowerPC处理器中的rlwimi指令也可以用来实现__swab16和__swap32这类函数。
       在对普通文件进行处理也需要考虑端模式问题。在大端模式的处理器下对文件的32，16位读写操作所得到的结果与小端模式的处理器不同。单纯从软件的角度理解上远远不能真正理解大小端模式的区别。事实上，真正的理解大小端模式的区别，必须要从系统的角度，从指令集，寄存器和数据总线上深入理解，大小端模式的区别。

九、从系统的角度理解端模式

先补充两个关键词，MSB和LSB：
　　MSB:MoST Significant Bit ------- 最高有效位
        LSB:Least Significant Bit ------- 最低有效位

        处理器在硬件上由于端模式问题在设计中有所不同。从系统的角度上看，端模式问题对软件和硬件的设计带来了不同的影响，当一个处理器系统中大小端模式同时存在时，必须要对这些不同端模式的访问进行特殊的处理。
       PowerPC处理器主导网络市场，可以说绝大多数的通信设备都使用PowerPC处理器进行协议处理和其他控制信息的处理，这也可能也是在网络上的绝大多数协议都采用大端编址方式的原因。因此在有关网络协议的软件设计中，使用小端方式的处理器需要在软件中处理端模式的转变。而Pentium主导个人机市场，因此多数用于个人机的外设都采用小端模式，包括一些在网络设备中使用的PCI总线，Flash等设备，这也要求在硬件设计中注意端模式的转换。
       本文提到的小端外设是指这种外设中的寄存器以小端方式进行存储，如PCI设备的配置空间，NOR FLASH中的寄存器等等。对于有些设备，如DDR颗粒，没有以小端方式存储的寄存器，因此从逻辑上讲并不需要对端模式进行转换。在设计中，只需要将双方数据总线进行一一对应的互连，而不需要进行数据总线的转换。
       如果从实际应用的角度说，采用小端模式的处理器需要在软件中处理端模式的转换，因为采用小端模式的处理器在与小端外设互连时，不需要任何转换。而采用大端模式的处理器需要在硬件设计时处理端模式的转换。大端模式处理器需要在寄存器，指令集，数据总线及数据总线与小端外设的连接等等多个方面进行处理，以解决与小端外设连接时的端模式转换问题。在寄存器和数据总线的位序定义上，基于大小端模式的处理器有所不同。
       一个采用大端模式的32位处理器，如基于E500内核的MPC8541，将其寄存器的最高位msb（most significant bit）定义为0，最低位lsb（lease significant bit）定义为31；而小端模式的32位处理器，将其寄存器的最高位定义为31，低位地址定义为0。与此向对应，采用大端模式的32位处理器数据总线的最高位为0，最高位为31；采用小端模式的32位处理器的数据总线的最高位为31，最低位为0。         
       大小端模式处理器外部总线的位序也遵循着同样的规律，根据所采用的数据总线是32位，16位和8位，大小端处理器外部总线的位序有所不同。大端模式下32位数据总线的msb是第0位，MSB是数据总线的第0~7的字段；而lsb是第31位，LSB是第24~31字段。小端模式下32位总线的msb是第31位，MSB是数据总线的第31~24位，lsb是第0位，LSB是7~0字段。大端模式下16位数据总线的msb是第0位，MSB是数据总线的第0~7的字段；而lsb是第15位，LSB是第8~15字段。小端模式下16位总线的msb是第15位，MSB是数据总线的第15~7位，lsb是第0位，LSB是7~0字段。大端模式下8位数据总线的msb是第0位，MSB是数据总线的第0~7的字段；而lsb是第7位，LSB是第0~7字段。小端模式下8位总线的msb是第7位，MSB是数据总线的第7~0位，lsb是第0位，LSB是7~0字段。
         由上分析，我们可以得知对于8位，16位和32位宽度的数据总线，采用大端模式时数据总线的msb和MSB的位置都不会发生变化，而采用小端模式时数据总线的lsb和LSB位置也不会发生变化。
         为此，大端模式的处理器对8位，16位和32位的内存访问（包括外设的访问）一般都包含第0~7字段，即MSB。小端模式的处理器对8位，16位和32位的内存访问都包含第7~0位，小端方式的第7~0字段，即LSB。由于大小端处理器的数据总线其8位，16位和32位宽度的数据总线的定义不同，因此需要分别进行讨论在系统级别上如何处理端模式转换。在一个大端处理器系统中，需要处理大端处理器对小端外设的访问。

十、实际中的例子

       虽然很多时候，字节序的工作已由编译器完成了，但是在一些小的细节上，仍然需要去仔细揣摩考虑，尤其是在以太网通讯、MODBUS通讯、软件移植性方面。这里，举一个MODBUS通讯的例子。在MODBUS中，数据需要组织成数据报文，该报文中的数据都是大端模式，即低地址存高位，高地址存低位。假设有一16位缓冲区m_RegMW[256]，因为是在x86平台上，所以内存中的数据为小端模式：m_RegMW[0].low、m_RegMW[0].high、m_RegMW[1].low、m_RegMW[1].high……
为了方便讨论，假设m_RegMW[0] = 0x3456; 在内存中为0x56、0x34。
       现要将该数据发出，如果不进行数据转换直接发送，此时发送的数据为0x56,0x34。而Modbus是大端的，会将该数据解释为0x5634而非原数据0x3456，此时就会发生灾难性的错误。所以，在此之前，需要将小端数据转换成大端的，即进行高字节和低字节的交换，此时可以调用步骤五中的函数BigtoLittle16(m_RegMW[0])，之后再进行发送才可以得到正确的数据。

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