大小端 Big-Endian 与 Little-Endian
应该说没做底层开发(硬件或驱动)的人很可能不会彻底理解大小端的概念,大小端不是简单的一句“大端在前”还是“小端在前”能够概括的问题。在cpu, 内存, 操作系统, 编译选项, 文件,网络传输中均有大小端的概念,这些东西加在一起,就很容易把人搞晕。我自己就晕过很久。
为方便说明,再做一些定义:
(1) 内存
可以存储若干个单元数据的物理设备,每个单元存储1个字节,每个单元有一个地址,其地址线程增长。为方便说明,假设内存地址从 0000:0000 一直增加到FFFF:FFFF。
用一个带箭头的直线表示地址的增长方向,例如
-------------------------->
表示左边的数据处于低地址,右边的数据处于高地址。
(2) U32整型
对于unsigned int的变量,计算机是以32bits存储的,即连续的4个字节。比如说,对一个值为0x11223344的整数,在内存中的排列方式可能为:
-------------------------->
11 22 33 44 (大端)
也可能为
44 33 22 11 (小端)
从CPU说起
在有了上述定义之后,开始讲大小端的起源。这得从CPU说起,我们知道CPU要从内存中加载程序数据来运行,CPU要对数字进行运算。那么,CPU在从内存加载4个字节的数据之后,要把它作为一个数字来运算。那它是怎么看待这个数字的呢?
-------------------------->
11 22 33 44
有的CPU认为它是0x11223344,有的CPU认为它是0x44332211。所以CPU就分为两类:Big-Endian和Little-Endian, 认为它是0x11223344的就是Big-Endian,认为它是0x44332211的就是Little-Endian。
有人会为,CPU的“认为”是什么意思。这其实物理上的电路问题,CPU的所有运算都是通过电路完成,其连接逻辑已经决定了它是按大端运算还是按小端运算。
程序
在知道了CPU的大小端之后,我们要写一个程序让CPU来运行,那么显然,程序必须遵从CPU的大小端。程序最终会load到内存里,所以其大小端的定义要和CPU一致。
具体得,程序都是有很多条指令构成的,每条指令4个字节。假设程序里有一个指令ADD,机器码为0xAABBCCDD。显然,只有内存里按顺序AABBCCDD出现时,CPU才能理解为是ADD。不然CPU根据不能辨识这条指令。
文件
程序是放在哪的呢?放在文件里的,文件也是线性的。所以可以这么认为,文件就是内存的一份映像,其数据内容是完全一样的(实际上不一样,但可以这么理解)。所以,如果cpu是大端,那么内存中的程序也必须是大端,保存程序的文件也必须是大端。
程序的编译
程序从哪来的?编译器编出来的。我们在用gcc来编译一个程序时,可能没有发现任何关于Endian的参数设置。这是因为有一个默认选项被指定义了。这可以参考gcc/ld相关的文档,关于link script的描述。在link script里是可以指定endian的。
从上面可以看出,cpu、程序、编译过程这一套东西,其大小端都必须是一致的。这里就简称为系统的大小端。
网络传输
网络传输数据时需要考虑大小端。例如,想发送一个U32的数字给对方,需要连续发送4个字节。那么是才发送高字节,还是先发送低字节呢?一般来说,网络上一般是先传送高字节,即大端,又称为网络字节序。例如,在传递0x12345678的时候,会先传0x12, 再传0x34, 再0x56, 再0x78。
在代码判断大小端
inline bool IsLittleEndian()
{
unsigned int a = 0x01;
return (*((unsigned char*)&a) == 1);
}
系统无关的写法
在传送和保存数据时,可以写一份不管系统是大端还是小端、结果都相同的代码。这是用移位来实现的。比如,我们从网络上接收到4个字节,想把它转成一个U32。
U8 buf[4]; // 接收到4个字节, 按大端传递
U32 v = (buf[0] << 24) + (buf[1] << 16) + (buf[2] << 8) + buf[3];
一种错误的写法
在做编解码的时候会经常遇到关于大小端的问题,而写错的人大有人在,协议定义不好的也大有人在。一般来说,只要发现一个协议把数据定义成小端,那么我一般猜到了作者想干什么了。例如, 定义一个协议,发送以下数据,以小端发送。
U8 a
U8 b
U16 c
U32 d
那么程序基本上会这么写代码:
struct Msg
{
U8 a;
U8 b;
U16 c;
U32 d;
};
U8 buf[8];
Msg msg;
memcpy(&msg, buf, 8);
那intel的机器上,会发现这样刚好是对的。但是我要说这是不正确的写法。
BIT有大小端吗?
在软件编程领域,大小端总是按BYTE计算的,永远无需考虑BIT的大小端。因为数据的最小单元是BYTE,在物理环节中其顺序都固定好了,永远对的上。正因为如此,我们可以用位域来接收按位定义的信息,而不必担心大小端。如在PES的头部:
struct Flags
{
TS_UINT8 original_or_copy : 1;
TS_UINT8 copyright : 1;
TS_UINT8 alignment_indicator : 1;
TS_UINT8 priority : 1;
TS_UINT8 scrambling_control : 2;
TS_UINT8 not_used : 2;
}
但要注意的是,这仅限于字节之内的情形。
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