字节序:大端与小端

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● 原文作者: 戴晓天 @ 云飞机器人实验室
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本文作者:云飞工作室,戴晓天

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本文背景:

对于嵌入式工程师来说,不仅要熟悉各种数据类型,还需要熟谙各种数据在内存中的表达形式。软件高手们通过内存与指针微妙的配合,总能摩擦出惊艳的火花。在讨论数据的存储结构时,必然会涉及到大端模式(Big-Endian)和小端模式(Little-Endian)的问题。平时编程时对于这个概念并不会有太多接触,但是在通讯协议的处理、可移植性方面就必须要考虑到字节序的问题。以下就来讨论这个问题。

一、大端和小端的起源

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。

大端小端没有谁优谁劣,各自优势便是对方劣势:

大端:容易判断正负(offset(0));

小端:易于进行数据类型转换,1、2、4字节的存储方式一样。

三、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;	// 取b等于a的低地址部分
if( b == 0x12)
{
	return TRUE;
}
return FALSE;
}

网上还有一种使用联合体的方法:

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

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、如何进行转换

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、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,仍然需要工程师去仔细揣摩考虑,尤其是在以太网通讯、MODBUS通讯、软件移植性方面。
这里,我举一个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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