1.大小端問題的由來

關(guān)于大端小端名詞的由來，有一個有趣的故事，來自于Jonathan Swift的《格利佛游記》：Lilliput和Blefuscu這兩個強國在過去的36個月中一直在苦戰(zhàn)。戰(zhàn)爭的原因：大家都知道，吃雞蛋的時候，原始的方法是打破雞蛋較大的一端，可以那時的皇帝的祖父由于小時侯吃雞蛋，按這種方法把手指弄破了，因此他的父親，就下令，命令所有的子民吃雞蛋的時候，必須先打破雞蛋較小的一端，違令者重罰。然后老百姓對此法令極為反感，期間發(fā)生了多次叛亂，其中一個皇帝因此送命，另一個丟了王位，產(chǎn)生叛亂的原因就是另一個國家Blefuscu的國王大臣煽動起來的，叛亂平息后，就逃到這個帝國避難。據(jù)估計，先后幾次有11000余人情愿死也不肯去打破雞蛋較小的端吃雞蛋。這個其實諷刺當(dāng)時英國和法國之間持續(xù)的沖突。Danny Cohen一位網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開創(chuàng)者，第一次使用這兩個術(shù)語指代字節(jié)順序，后來就被大家廣泛接受。

當(dāng)然啦，這和我們現(xiàn)在的大小端就有些遠(yuǎn)啦，回歸正題，在計算機內(nèi)存中，通常是以字節(jié)（Byte），也就是 8 個位（Bit）為基本存儲單元（也有以 16 位為基本存儲單元的)。

對于像C++中的char這樣的數(shù)據(jù)類型，占用一個字節(jié)的大小，不會產(chǎn)生什么問題。

但是當(dāng)數(shù)據(jù)類型為int，在32bit的中，它需要占用4個字節(jié)（32bit），這個時候就會產(chǎn)生這4個字節(jié)在寄存器中的存放順序的問題。比如int maxHeight = 0x12345678，&maxHeight = 0x0042ffc4。具體的該怎么存放呢？這個時候就需要理解計算機的大小端的原理了。

2.大小端的原理

大端：（Big-Endian）：就是把數(shù)值的高位字節(jié)放在內(nèi)存的低位地址上，把數(shù)值的低位字節(jié)放在內(nèi)存的高位地址上。

小端：（Little-Endian）：就是把數(shù)值的高位字節(jié)放在高位的地址上，低位字節(jié)放在低位地址上。

【注】不管是大端法還是小端法存儲，計算機在內(nèi)存中存放數(shù)據(jù)的順序都是從低地址到高地址，所不同的是首先取低字節(jié)的數(shù)據(jù)存放在低地址還是取高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在低地址。

大端法和小端法指的是字節(jié)在內(nèi)存中存儲時的排列規(guī)則，而不是數(shù)據(jù)中的位的排列規(guī)則。也有以位序排列的機器，但很少見。另外，再次明確一下，大端法或小端法是數(shù)據(jù)在存儲時的表現(xiàn)，而不是在寄存器中參與運算時的表現(xiàn)。

3.大小端比較

我們常用的x86結(jié)構(gòu)都是小端模式，而大部分DSP，ARM也是小端模式，而KEIL C51則為大端模式，而通訊協(xié)議是大端的，因此在網(wǎng)絡(luò)編程時需要經(jīng)字節(jié)序轉(zhuǎn)換。不過有些ARM是可以選擇大小端模式。所以對于上面的maxHeight是應(yīng)該以小端模式來存放，具體情況請看下面兩表。

（1）小端規(guī)則

地址0x0042ffc40x0042ffc50x0042ffc60x0042ffc7

數(shù)據(jù)	0x78	0x56	0x34	0x12

（2）大端規(guī)則

地址0x0042ffc40x0024ffc50x0042ffc60x0042ffc7

數(shù)據(jù)	0x12	0x34	0x56	0x78

通過上面的表格，可以看出來大小端的不同。（注：其實在計算機內(nèi)存中并不存在所謂的數(shù)據(jù)類型，比如char，int等的。這個類型在代碼中的作用就是讓編譯器知道每次應(yīng)該從那個地址起始讀取多少位的數(shù)據(jù)，賦值給相應(yīng)的變量。）

4.存放順序

（1）整數(shù)類型內(nèi)部：低地址存儲低位，高地址存儲高位。

#include <stdio.h>union NUM {short int a;char b[2]; }num;int main(int argc ,char **argv ) {num.a=0x1234;printf("%x %x",num.b[0],num.b[1]);return 0; }

組合的時候，整數(shù)類型內(nèi)部低地址存儲低位，高地址存儲高位，最后的答應(yīng)結(jié)果應(yīng)該是34 12.

（2）若干個局部變量（在棧中存儲的）：先定義的高地址，后定義的低地址

#include<stdio.h>int main(int argc ,char **argv ) {int i,j;printf("%x %x",&i,&j);return 0; }

輸出結(jié)果為61ff2c 61ff28，可以看出局部變量是先定義高地址，后定義低地址，其實也就是說棧中存儲是從高地址向地址存儲的。

（3）若干個全局變量或靜態(tài)變量：先定義的低地址，后定義的高地址

#include <stdio.h>int i,j; int a[2];int main(int argc ,char **argv ) {static int m;static int n;printf("%x %x\n",&i,&j);printf("%x %x %x\n",&a,&a[0],&a[1]);printf("%x %x\n",&m,&n);return 0; }

結(jié)果如下所示：

407020 407024 407028 407028 40702c 407034 407038

可以看出，先定義的低地址，后定義的高地址，而且先定義的全局變量，在定義的靜態(tài)變量。

（4）類、結(jié)構(gòu)體或數(shù)組的元素：先定義的低地址，后定義的高地址。

#include <iostream>class Test{ public:int m;int n; };struct NUM {short int a;char b; };int main(int argc ,char **argv ) {int a[2];struct NUM num;Test t;printf("%x %x %x\n",&a,&a[0],&a[1]);printf("%x %x %x\n",&num, &num.a,&num.b);printf("%x %x %x",&t,&t.m,&t.n);return 0; }

結(jié)果如下所示：

61ff28 61ff28 61ff2c 61ff24 61ff24 61ff26 61ff1c 61ff1c 61ff20

從上面的結(jié)果來看，a,num,t屬于局部變量，存放在棧區(qū)，是由高地址向低地址存儲，而在數(shù)組、結(jié)構(gòu)體、類中則是以低地址開始存儲。

總的來說，具體的地址，需要考慮“棧的高地址到低地址”、“字節(jié)對齊”、“數(shù)組”這樣的特殊情況等等。

5.大小端判斷

大端是指低字節(jié)存儲在高地址；小端存儲是指低字節(jié)存儲在低地址。

方法一：指針法

bool IsBigEndian() {short int a = 0x1234;char b = *(char *)&a; //通過將int強制類型轉(zhuǎn)換成char單字節(jié)，通過判斷起始存儲位置。即等于 取b等于a的低地址部分if( b == 0x12){return true;}return false; }

方法二：聯(lián)合體

我們可以根據(jù)聯(lián)合體來判斷該系統(tǒng)是大端還是小端。因為聯(lián)合體變量總是從低地址存儲。

typedef enum{false,true }bool; bool IsBigEndian() {union NUM{short int a;char b;}num;num.a = 0x1234;if( num.b == 0x12 ){return true;}return false; }

上面的共用體變量un，大小sizeof(num)=2,

注意使用共用體（聯(lián)合）判斷時，不能僅依靠公用類型最大者為其共用體變量大小，應(yīng)遵守對其原則和補齊原則。

對齊原則：
結(jié)構(gòu)體變量中元素是按照定義順序一個一個放到內(nèi)存中去的，但并不是緊密排列的。從結(jié)構(gòu)體存儲的首地址開始，每一個元素放置到內(nèi)存中時，它都會認(rèn)為內(nèi)存是以它自己的大小來劃分的，因此元素放置的位置一定會在自己寬度的整數(shù)倍上開始（以結(jié)構(gòu)體變量首地址為0計算）。

補齊原則：
檢查計算出的存儲單元是否為所有元素中所占內(nèi)存最大的元素的長度的整數(shù)倍，是，則結(jié)束；若不是，則補齊為它的整數(shù)倍。

舉一個例子：

union Un {int i;char arr[5]; };

sizeof(union Un)=8

6.大小端轉(zhuǎn)換

對于字?jǐn)?shù)據(jù)（16位）：

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

對于雙字?jǐn)?shù)據(jù)（32位）：

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

7.大小端的理解

從軟件的角度理解端模式

從軟件的角度上，不同端模式的處理器進行數(shù)據(jù)傳遞時必須要考慮端模式的不同。如進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞時，必須要考慮端模式的轉(zhuǎn)換。在Socket接口編程中，以下幾個函數(shù)用于大小端字節(jié)序的轉(zhuǎn)換。

#define ntohs(n) //16位數(shù)據(jù)類型網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序到主機字節(jié)順序的轉(zhuǎn)換 #define htons(n) //16位數(shù)據(jù)類型主機字節(jié)順序到網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序的轉(zhuǎn)換 #define ntohl(n) //32位數(shù)據(jù)類型網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序到主機字節(jié)順序的轉(zhuǎn)換 #define htonl(n) //32位數(shù)據(jù)類型主機字節(jié)順序到網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序的轉(zhuǎn)換

其中互聯(lián)網(wǎng)使用的網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序采用大端模式進行編址，而主機字節(jié)順序根據(jù)處理器的不同而不同，如PowerPC處理器使用大端模式，而Pentuim處理器使用小端模式。

大端模式處理器的字節(jié)序到網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序不需要轉(zhuǎn)換，此時ntohs(n)=n，ntohl = n；而小端模式處理器的字節(jié)序到網(wǎng)絡(luò)字節(jié)必須要進行轉(zhuǎn)換，此時ntohs(n) =__swab16(n)，ntohl = __swab32(n)。__swab16與__swab32函數(shù)定義如下所示。

#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處理器提供了lwbrx，lhbrx，stwbrx，sthbrx四條指令用于處理字節(jié)序的轉(zhuǎn)換以優(yōu)化__swab16和__swap32這類函數(shù)。此外PowerPC處理器中的rlwimi指令也可以用來實現(xiàn)__swab16和__swap32這類函數(shù)。

在對普通文件進行處理也需要考慮端模式問題。在大端模式的處理器下對文件的32，16位讀寫操作所得到的結(jié)果與小端模式的處理器不同。單純從軟件的角度理解上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能真正理解大小端模式的區(qū)別。事實上，真正的理解大小端模式的區(qū)別，必須要從系統(tǒng)的角度，從指令集，寄存器和數(shù)據(jù)總線上深入理解，大小端模式的區(qū)別。

從系統(tǒng)的角度理解端模式
先補充兩個關(guān)鍵詞，MSB和LSB：
　　MSB:MoST Significant Bit ------- 最高有效位
LSB:Least Significant Bit ------- 最低有效位

處理器在硬件上由于端模式問題在設(shè)計中有所不同。從系統(tǒng)的角度上看，端模式問題對軟件和硬件的設(shè)計帶來了不同的影響，當(dāng)一個處理器系統(tǒng)中大小端模式同時存在時，必須要對這些不同端模式的訪問進行特殊的處理。

PowerPC處理器主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)市場，可以說絕大多數(shù)的通信設(shè)備都使用PowerPC處理器進行協(xié)議處理和其他控制信息的處理，這也可能也是在網(wǎng)絡(luò)上的絕大多數(shù)協(xié)議都采用大端編址方式的原因。因此在有關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的軟件設(shè)計中，使用小端方式的處理器需要在軟件中處理端模式的轉(zhuǎn)變。而Pentium主導(dǎo)個人機市場，因此多數(shù)用于個人機的外設(shè)都采用小端模式，包括一些在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中使用的PCI總線，Flash等設(shè)備，這也要求在硬件設(shè)計中注意端模式的轉(zhuǎn)換。

本文提到的小端外設(shè)是指這種外設(shè)中的寄存器以小端方式進行存儲，如PCI設(shè)備的配置空間，NOR FLASH中的寄存器等等。對于有些設(shè)備，如DDR顆粒，沒有以小端方式存儲的寄存器，因此從邏輯上講并不需要對端模式進行轉(zhuǎn)換。在設(shè)計中，只需要將雙方數(shù)據(jù)總線進行一一對應(yīng)的互連，而不需要進行數(shù)據(jù)總線的轉(zhuǎn)換。

如果從實際應(yīng)用的角度說，采用小端模式的處理器需要在軟件中處理端模式的轉(zhuǎn)換，因為采用小端模式的處理器在與小端外設(shè)互連時，不需要任何轉(zhuǎn)換。而采用大端模式的處理器需要在硬件設(shè)計時處理端模式的轉(zhuǎn)換。大端模式處理器需要在寄存器，指令集，數(shù)據(jù)總線及數(shù)據(jù)總線與小端外設(shè)的連接等等多個方面進行處理，以解決與小端外設(shè)連接時的端模式轉(zhuǎn)換問題。在寄存器和數(shù)據(jù)總線的位序定義上，基于大小端模式的處理器有所不同。

一個采用大端模式的32位處理器，如基于E500內(nèi)核的MPC8541，將其寄存器的最高位msb（most significant bit）定義為0，最低位lsb（lease significant bit）定義為31；而小端模式的32位處理器，將其寄存器的最高位定義為31，低位地址定義為0。與此向?qū)?yīng)，采用大端模式的32位處理器數(shù)據(jù)總線的最高位為0，最高位為31；采用小端模式的32位處理器的數(shù)據(jù)總線的最高位為31，最低位為0。

大小端模式處理器外部總線的位序也遵循著同樣的規(guī)律，根據(jù)所采用的數(shù)據(jù)總線是32位，16位和8位，大小端處理器外部總線的位序有所不同。大端模式下32位數(shù)據(jù)總線的msb是第0位，MSB是數(shù)據(jù)總線的第0~ 7的字段；而lsb是第31位，LSB是第24~ 31字段。小端模式下32位總線的msb是第31位，MSB是數(shù)據(jù)總線的第31~ 24位，lsb是第0位，LSB是7~ 0字段。大端模式下16位數(shù)據(jù)總線的msb是第0位，MSB是數(shù)據(jù)總線的第0~ 7的字段；而lsb是第15位，LSB是第8~ 15字段。小端模式下16位總線的msb是第15位，MSB是數(shù)據(jù)總線的第15~ 7位，lsb是第0位，LSB是7~ 0字段。大端模式下8位數(shù)據(jù)總線的msb是第0位，MSB是數(shù)據(jù)總線的第0~ 7的字段；而lsb是第7位，LSB是第0~ 7字段。小端模式下8位總線的msb是第7位，MSB是數(shù)據(jù)總線的第7~ 0位，lsb是第0位，LSB是7~0字段。

由上分析，我們可以得知對于8位，16位和32位寬度的數(shù)據(jù)總線，采用大端模式時數(shù)據(jù)總線的msb和MSB的位置都不會發(fā)生變化，而采用小端模式時數(shù)據(jù)總線的lsb和LSB位置也不會發(fā)生變化。

為此，大端模式的處理器對8位，16位和32位的內(nèi)存訪問（包括外設(shè)的訪問）一般都包含第0~ 7字段，即MSB。小端模式的處理器對8位，16位和32位的內(nèi)存訪問都包含第7~ 0位，小端方式的第7~0字段，即LSB。由于大小端處理器的數(shù)據(jù)總線其8位，16位和32位寬度的數(shù)據(jù)總線的定義不同，因此需要分別進行討論在系統(tǒng)級別上如何處理端模式轉(zhuǎn)換。在一個大端處理器系統(tǒng)中，需要處理大端處理器對小端外設(shè)的訪問。

歡迎訪問我的網(wǎng)站：
BruceOu的嗶哩嗶哩
BruceOu的主頁
BruceOu的博客
CSDN博客

接收更多精彩文章及資源推送，請訂閱我的微信公眾號：

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的深入剖析大小端的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。