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字节序(Endianness):大端和小端

程序员文章站 2022-05-19 14:14:13
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写在前面:

本文章旨在总结备份、方便以后查询,由于是个人总结,如有不对,欢迎指正;另外,内容大部分来自网络、书籍、和各类手册,如若侵权请告知,马上删帖致歉。

一、介绍

字节序,也就是字节的顺序,指的是多字节的数据在内存中的存放顺序;在内存中,数据是以字节(8bit)存储的,当存储 16bit或者 32bit时,就面临着大端 (Big-Endian)存储, 还是小端 (Little-Endian) 存储的问题。


二、由来

先来讲一个故事:从前,有一个国王的儿子,在吃鸡蛋的时候,被蛋壳割破了手指;之所以发生这种情况是因为这个国家有一个传统,那就是在吃鸡蛋前从鸡蛋的较大一端开始打破。因为这次事件,国王非常焦虑,决定禁止所有臣民在鸡蛋较大的一端敲蛋;但是该政权的反对者躲了起来,他们想要保持传统,继续从较大的一边打开鸡蛋;为了这一区区争端,导致了小人国的内战,甚至殃及邻国,于是此举也使得这两个岛屿爆发了一场关于鸡蛋的血腥战争… ——《格列佛游记

字节序(Endianness):大端和小端

当然了,实际上并不是这样的,其实是因为 IBM、Intel等大公司不愿合作,自搞自的,而且当时也没有发布固定的标准,所以就一直沿用,才导致有大小端之分;说到底还是历史遗留问题。

然后就牵涉出两大 CPU派系:

  • Motorola 6800,PowerPC 970,SPARC(除V9外)等处理器采用 Big Endian方式存储数据
  • x86系列,VAX,PDP-11等处理器采用 Little Endian方式存储数据

因此,字节序只和处理器架构有关


三、大端序和小端序

鸡蛋有两个末端,一个较窄的末端(小端)和一个较宽的末端(大端)
字节序(Endianness):大端和小端
1、大端(big-endian)

大端存储:高字节存储在低地址中,即高位先存

  • 数据以 8bit为单位
地址增长方向
... 0x0A 0x0B 0x0C 0x0D ...

示例中,最高位字节是 0x0A 存储在最低的内存地址处。下一个字节 0x0B存在后面的地址处。正类似于十六进制字节从左到右的阅读顺序。

  • 数据以 16bit为单位
地址增长方向
... 0x0A0B 0x0C0D ...

最高的16bit单元 0x0A0B存储在低位。

  • 32bit排列图示

字节序(Endianness):大端和小端

2、小端(little-endian)

小端存储:低字节存储在高地址中,即低位先存

  • 数据以 8bit为单位
地址增长方向
... 0x0D 0x0C 0x0B 0x0A ...

最低位字节是 0x0D 存储在最低的内存地址处。后面字节依次存在后面的地址处。

  • 数据以 16bit为单位
地址增长方向
... 0x0C0D 0x0A0B ...

最低的16bit单元 0x0C0D存储在低位。

  • 更改地址的增长方向

当更改地址的增长方向,使之由右至左时,表格更具有可阅读性。

地址增长方向
... 0x0A 0x0B 0x0C 0x0D ...

最低有效位(LSB)是 0x0D 存储在最低的内存地址处。后面字节依次存在后面的地址处。

地址增长方向
... 0x0A0B 0x0C0D ...

最低的16bit单元 0x0C0D存储在低位。

  • 32bit排列图示
    字节序(Endianness):大端和小端

若是你还理解不了或者记不住他们所对应的关系,可以看下图:
字节序(Endianness):大端和小端


四、为什么要注意字节序

如果你写的程序只在单机环境下面运行,而不需要与别人交互,那么你完全可以忽略字节序的存在;若是存在交互,那么就得注意了

eg:

1、在 ARM内核的 stm32f4xx中:
字节序(Endianness):大端和小端

2、在 C8051内核的 51单片机里:
字节序(Endianness):大端和小端

根据上面所说的,因为这两款单片机的字节序(也就是他们存储的方式)不一样,若是实现通讯交互,那么,他们彼此得到的数据将会出现颠倒现象;试想,如果 stm32f4xx单片机将变量 a = 0x12345678 的首地址传递给了 51单片机,由于 51单片机采取 Big Endian 方式存储数据,若是不做处理,那么很自然的它会将你的数据翻译为 0x78563412。显然,问题就出现了!!!


五、字节序的判断

/* 
	原理:
		联合体 union的存放顺序是所有成员都从低地址
		开始存放,而且所有成员共享存储空间
*/
void Endianness(void)
{
	union temp
	{
		short int a;
		char b;
	}temp;
    
	temp.a = 0x1234;
	if( temp.b == 0x12 )//低字节存的是数据的高字节数据
	{
		printf("big-endian\n");//是大端模式
	}
	else
	{
		printf("little-endian\n");//是小端模式
	}
}

六、位序(一般用于描述串行设备的传输顺序)

小端序(先传低位)的串行协议

  • RS-232
  • RS-422
  • RS-485
  • USB
  • 以太网(虽然高字节先传,但每一字节内低位先传)

大端序(先传高位)的串行协议

  • I2C协议
  • SPI协议
  • 摩尔斯电码

七、大小端转换

#define ReverseBytes_uint16(A)		((A & 0x00FFU) << 8 | (A & 0xFF00U) >> 8)

#define ReverseBytes_uint32(A)		(A & 0x000000FFU) << 24 | (A & 0x0000FF00U) << 8	\
									| (A & 0x00FF0000U) >> 8 | (A & 0xFF000000U) >> 24)

八、结尾

参考:

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AD%97%E8%8A%82%E5%BA%8F

https://www.errorediridondanzaciclico.com/Endianness.html

https://blog.erratasec.com/2016/11/how-to-teach-endian.html#.XnITCyIzapo