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判断CPU形式是大端还是小段(big-Endian和little-Endian)

2013-10-27 来源:读书人网 【读书人网(Reader8.cn):综合教育门户网站】
判断CPU模式是大端还是小段(big-Endian和little-Endian)一、大端模式和小端模式的起源关于大端小端名词的由

判断CPU模式是大端还是小段(big-Endian和little-Endian)

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        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。

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:
内存地址小端模式存放内容大端模式存放内容0x40000x340x120x40010x120x34

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:

内存地址小端模式存放内容大端模式存放内容0x40000x780x120x40010x560x340x40020x340x560x40030x120x78

 4)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));

ps:通常情况下,ARM是大端模式;X86是小端模式;

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、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

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。

网络字节序:TCP/IP各层协议将字节序定义为Big-Endian,因此TCP/IP协议中使用的字节序通常称之为网络字节序。

网络字节顺序是“所见即所得”的顺序。而Intel类型的CPU的字节顺序与此相反。

比如上面的 shortB=0102H(十六进制,每两位表示一个字节的宽度)。所见到的是“0102”,按一般数学常识,数轴从左到右的方向增加,即内存地址从左到右增加的话,在内存中这个short B的字节顺序是:

01 02

这就是网络字节顺序。所见到的顺序和在内存中的顺序是一致的!


    在ARM体系中,每个字单元包含4个字节单元或者两个半字单元。在字单元中,4个字节哪一个是高位字节,哪一个是低位字节则有两种不同的格式:big-endian和little-endian格式。在小端模式中,低位字节放在低地址,高位字节放在高地址;在大端模式中,低位字节放在高地址,高位字节放在低地址。

在C语言中,不同于结构体,共用体(联合体)中的几种不同类型的变量存放在同一段内存单元中。利用这一特点,可以用联合体变量判断ARM或x86环境下,存储系统是是大端还是小端模式。


五、如何判断机器的字节序

    可以使用程序判断CPU模式是大端还是小端

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>int main(){int a=0x1234;char b=*(char*)&a;if(b==0x12)printf("big end\n");elseprintf("little end\n");return 0;}
六、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。
    本文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。
七、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。这里,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。