经调试,Windows 下为 Little_Endian,OD 中堆栈数据区的 (dword)0xAABB0102,0x02 存储在低地址,0x01 存储在高地址。
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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
1) Little-Endian :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 :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。
举个例子,比如数字0x12 34 56 78在内存中的表示形式为:
大端模式:
低地址 -----------------> 高地址 0x12 | 0x34 | 0x56 | 0x78
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、判断机器的字节序
1 // 获知 CPU 对内存采用 Little-endian 还是 Big-endian 读写模式 2 #include <stdio.h> 3 4 int isBigEndian() 5 { 6 int a = 0x1234; 7 char b = *(char*)&a; // b 等于 a 的低地址部分 8 if(b == 0x12) 9 { 10 return 1; 11 } 12 return 0; 13 } 14 15 // 联合体的存放顺序是所有成员都从低地址开始存放 16 int isLittleEndian() 17 { 18 union NUM 19 { 20 int a; 21 char b; 22 }num; 23 num.a = 0x1234; 24 if( num.b == 0x12 ) 25 { 26 return 0; 27 } 28 return 1; 29 } 30 31 int main() 32 { 33 printf("isBigEndian() return %d ", isBigEndian()); 34 printf("isLittleEndian() return %d ", isLittleEndian()); 35 return 0; 36 }
四、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。
五、大小端转换
对于字数据(16位):
#define BigtoLittle16(A) ((((uint16)(A) & 0xff00) >> 8) | (((uint16)(A) & 0x00ff) << 8 ) )
对于双字数据(32位):
#define BigtoLittle32(A) ((( (uint32)(A) & 0xff000000) >> 24) | (( (uint32)(A) & 0x00ff0000) >> 8) | (( (uint32)(A) & 0x0000ff00) << 8) | (( (uint32)(A) & 0x000000ff) << 24))
六、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。
#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;
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。
#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) )); }
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。
七、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。
这里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。
八、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。