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详解大端模式和小端模式

2013年11月24日 C++知识 评论 1 条 阅读 407 次

文章来源:http://blog.csdn.net/ce123_zhouwei/article/details/6971544#t0

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
0x4000 0x34 0x12
0x4001 0x12 0x34

32bit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
0x4000 0x78 0x12
0x4001 0x56 0x34
0x4002 0x34 0x56
0x4003 0x12 0x78

 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:

[code]

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;
}

[/code]

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:

[code]

BOOL IsBigEndian()
{
union NUM
{
int a;
char b;
}num;
num.a = 0x1234;
if( num.b == 0x12 )
{
return TRUE;
}
return FALSE;
}

[/code]

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):

[code]

#define BigtoLittle16(A) (( ((uint16)(A) & 0xff00) >> 8) | \
(( (uint16)(A) & 0x00ff) << 8))

[/code]

对于双字数据(32位):

[code]

#define BigtoLittle32(A) ((( (uint32)(A) & 0xff000000) >> 24) | \
(( (uint32)(A) & 0x00ff0000) >> 8) | \
(( (uint32)(A) & 0x0000ff00) << 8) | \
(( (uint32)(A) & 0x000000ff) << 24))

[/code]

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。

[code]

#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
#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
#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
#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

[/code]

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。

[code]

#define ___swab16(x)
{
__u16 __x = (x);
((__u16)(
(((__u16)(__x) & (__u16)0x00ffU) << 8) |
(((__u16)(__x) & (__u16)0xff00U) >> 8) ));
}
#define ___swab32(x)
{
__u32 __x = (x);
((__u32)(
(((__u32)(__x) & (__u32)0x000000ffUL) << 24) |
(((__u32)(__x) & (__u32)0x0000ff00UL) << 8) |
(((__u32)(__x) & (__u32)0x00ff0000UL) >> 8) |
(((__u32)(__x) & (__u32)0xff000000UL) >> 24) ));
}

[/code]

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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1 条留言  访客:1 条  博主:0 条

  1. vfhky

    比较详细清晰,不错。

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