大端和小端初探

阳光穿透心脏的1/2处 2022-08-13 16:41 179阅读 0赞

端模式（Endian）的这个词出自Jonathan Swift书写的《格列佛游记》。这本书根据将鸡蛋敲开的方法不同将所有的人分为两类，从圆头开始将鸡蛋敲开的人被归为Big Endian，从尖头开始将鸡蛋敲开的人被归为Littile Endian。小人国的内战就源于吃鸡蛋时是究竟从大头（Big-Endian）敲开还是从小头（Little-Endian）敲开。在计算机业Big Endian和Little Endian也几乎引起一场战争。在计算机业界，Endian表示数据在存储器中的存放顺序。下文举例说明在计算机中大小端模式的区别。

如果将一个32位的整数0x12345678存放到一个整型变量（int）中，这个整型变量采用大端或者小端模式在内存中的存储由下表所示。为简单起见，本书使用OP0表示一个32位数据的最高字节MSB（Most Significant Byte），使用OP3表示一个32位数据最低字节LSB（Least Significant Byte）。

如果将一个16位的整数0x1234存放到一个短整型变量（short）中。这个短整型变量在内存中的存储在大小端模式由下表所示。

由上表所知，采用大小模式对数据进行存放的主要区别在于在存放的字节顺序，大端方式将高位存放在低地址，小端方式将高位存放在高地址。采用大端方式进行数据存放符合人类的正常思维，而采用小端方式进行数据存放利于计算机处理。到目前为止，采用大端或者小端进行数据存放，其孰优孰劣也没有定论。

有的处理器系统采用了小端方式进行数据存放，如Intel的奔腾。有的处理器系统采用了大端方式进行数据存放，如IBM半导体和Freescale的PowerPC处理器。不仅对于处理器，一些外设的设计中也存在着使用大端或者小端进行数据存放的选择。

因此在一个处理器系统中，有可能存在大端和小端模式同时存在的现象。这一现象为系统的软硬件设计带来了不小的麻烦，这要求系统设计工程师，必须深入理解大端和小端模式的差别。大端与小端模式的差别体现在一个处理器的寄存器，指令集，系统总线等各个层次中。

### 1.1.1        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。有过Socket接口编程经验的程序员一定使用过以下几个函数用于大小端字节序的转换。

¨          \#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

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。

<table style="line-height:28px; color:rgb(0,0,0)"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> 
 <div style="line-height:25px"> 
 #define ___swab16(x) 
 { 
 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; __u16 __x = (x); 
 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; ((__u16)(&nbsp;(((__u16)(__x) &amp; (__u16)0x00ffU) &lt;&lt; 8) | 
 &nbsp;&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; (((__u16)(__x) &amp; (__u16)0xff00U) &gt;&gt; 8) )); 
 } 
 #define ___swab32(x) 
 { 
 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; __u32 __x = (x); 
 &nbsp;&nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;((__u32)(&nbsp;(((__u32)(__x) &amp; (__u32)0x000000ffUL) &lt;&lt; 24) | 
 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; (((__u32)(__x) &amp; (__u32)0x0000ff00UL) &lt;&lt; 8) | 
 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; (((__u32)(__x) &amp; (__u32)0x00ff0000UL) &gt;&gt; 8) | 
 &nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; (((__u32)(__x) &amp; (__u32)0xff000000UL) &gt;&gt; 24) )); 
 } 
 </div> </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

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Linux PowerPC中，定义了一系列有关字节序转换的函数，其详细定义在./include/asm-powerpc/byteorder.h文件中。

程序员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。读者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。

###         从系统的角度理解端模式 ###

除了上述节中，软件上对不同端模式编程上的差异，处理器在硬件上也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，这也要求硬件工程师在硬件设计中注意端模式的转换。

本书中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，最低位为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。如图4.5所示。

大端：OP3    OP2    OP1    OP0

0------------------------------->31

小端：OP3    OP2    OP1    OP0

31-------------------------------->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。

#### 　　、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       有时候，用C语言写程序时需要知道是大端模式还是小端模式。 所谓的大端模式，是指数据的低位保存在内存的高地址中，而数据的高位，保存在内存的低地址中；所谓的小端模式，是指数据的低位保存在内存的低地址中，而数据的高位保存在内存的高地址中。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。     下面这段代码可以用来测试一下你的编译器是大端模式还是小端模式：     short int x;   char x0,x1;   x=0x1122;   x0=((char\*)&x)\[0\];  //低地址单元   x1=((char\*)&x)\[1\];  //高地址单元  printf("x0=%x x1=%x\\n",x0,x1);       如果x0=11表示是大端；如果x0=22则表示小端 ####