详解大端模式和小端模式

只看该作者 · 2015-5-26 21:50

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**蛋的时候，原始的方法是打破**蛋较大的一端，可以那时的皇帝的祖父由于小时侯吃**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**蛋的时候，必须先打破**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**蛋较小的端吃**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。

只看该作者 · 2015-5-26 21:51

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。

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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。

只看该作者 · 2015-5-26 21:52

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：

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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：

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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。

只看该作者 · 2015-5-26 21:53

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

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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。

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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：

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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;  

}

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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;  

}

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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：

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BOOL IsBigEndian()  

{  

    union NUM  

    {  

        int a;  

        char b;  

    }num;  

    num.a = 0x1234;  

    if( num.b == 0x12 )  

    {  

        return TRUE;  

    }  

    return FALSE;  

}

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BOOL IsBigEndian()  

{  

    union NUM  

    {  

        int a;  

        char b;  

    }num;  

    num.a = 0x1234;  

    if( num.b == 0x12 )  

    {  

        return TRUE;  

    }  

    return FALSE;  

}

只看该作者 · 2015-5-26 21:56

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。

只看该作者 · 2015-5-26 21:56

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。

只看该作者 · 2015-5-26 21:57

七、如何进行转换
对于字数据（16位）：

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

                                       (( (uint16)(A) & 0x00ff) << 8))

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

                                       (( (uint16)(A) & 0x00ff) << 8))

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对于双字数据（32位）：

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#define BigtoLittle32(A)   ((( (uint32)(A) & 0xff000000) >> 24) | \   

                                       (( (uint32)(A) & 0x00ff0000) >> 8)   | \  

                                       (( (uint32)(A) & 0x0000ff00) << 8)   | \  

                                       (( (uint32)(A) & 0x000000ff) << 24))

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#define BigtoLittle32(A)   ((( (uint32)(A) & 0xff000000) >> 24) | \  

                                       (( (uint32)(A) & 0x00ff0000) >> 8)   | \  

                                       (( (uint32)(A) & 0x0000ff00) << 8)   | \  

                                       (( (uint32)(A) & 0x000000ff) << 24))

只看该作者 · 2015-5-26 21:59

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。

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#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

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#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

只看该作者 · 2015-5-26 22:00

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。

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#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) ));  

}

只看该作者 · 2015-5-26 22:00

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#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) ));  

}

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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。