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MSB与LSB,Big Endian与Little Endian

2013年10月11日 ⁄ 综合 ⁄ 共 4350字 ⁄ 字号 评论关闭

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一、引子
  在各种计算机体系结构中,对于字节、字等的存储机制有所不同,因而引发了计算机通信领域中一个很重要的问题,即通信双方交流的信息单元(比特、字节、字、双字等等)应该以什么样的顺序进行传送。如果不达成一致的规则,通信双方将无法进行正确的编/译码从而导致通信失败。目前在各种体系的计算机中通常采用的字节存储机制主要有两种:big-edian和little-endian。本文简要描述这两种存储机制的来历、特点和区别。
  
  为了叙述方便,下面先对本文中将要用到的两个术语做简单的定义。
  1、MSB
  MSB是Most Significant Bit/Byte的首字母缩写,通常译为最重要的位或者最重要的字节。它通常用来表明在一个bit序列(如一个byte是8个bit组成的一个序列)或者一个byte序列(如word是两个byte组成的一个序列)中对整个序列取值影响最大的那个bit/byte。
  2、LSB
  LSB是Least Significant Bit/Byte的首字母缩写,通常译为最不重要的位或者最不重要的字节。它通常用来表明在一个bit序列(如一个byte是8个bit组成的一个序列)或者一个byte序列(如word是两个byte组成的一个序列)中对整个序列取值影响最小的那个bit/byte。

二、endian的由来
  1、Definition
  endian: The ordering of bytes in a multi-byte number.
定义:在计算机系统体系结构中用来描述在多字节数中各个字节的存储顺序。

  2、Etymology
  The term comes from Swift's "Gulliver's Travels" via the famous paper"On Holy Wars and a Plea for Peace" by Danny Cohen, USC/ISI IEN 137,1980-04-01.
  The Lilliputians, being very small, had correspondingly small political
problems. The Big-Endian and Little-Endian parties debated over whether
soft-boiled eggs should be opened at the big end or the little end.[From:
Free On-Line Dictionary Of Computing or Jargon File]
  词源:据Jargon File记载,endian这个词来源于Jonathan Swift在1726年写的讽刺小说 "Gulliver's Travels"(《格利佛游记》)。该小说
在描述Gulliver畅游小人国时碰到了如下的一个场景。在小人国里的小人因为非常小(身高6英寸)所以总是碰到一些意想不到的问题。有一次因为对水煮蛋该从大的一端(Big-End)剥开还是小的一端(Little-End)剥开的争论而引发了一场战争,并形成了两支截然对立的队伍:支持从Big-End剥开的人Swift就称作Big-Endians而支持从Little-End剥开的人就称作Little-Endians……(后缀ian表明的就是支持某种观点的人:-)。Endian这个词由此而来。
  
  1980年,Danny Cohen在其著名的论文"On Holy Wars and a Plea for Peace"中为了平息一场关于在消息中字节该以什么样的顺序进行传送的争论而引用了该词。该文中,Cohen非常形象贴切地把支持从一个消息序列的MSB开始传送的那伙人叫做Big-Endians,支持从LSB开始传送的相对应地叫做Little-Endians。此后Endian这个词便随着这篇论文而被广为采用。

三、各种endian
  1、big-endian
  A computer architecture in which, within a given multi-byte numeric representation, the most significant byte has the lowest address (the word is stored "big-end-first"). Most processors, including the IBM 370 family, the PDP-10, the Motorola microprocessor families, and most of the various RISC designs current in mid-1993, are big-endian. [From: Free On-Line Dictionary Of Computing or Jargon File]
  big-endian:计算机体系结构中一种描述多字节存储顺序的术语,在这种机制中最重要字节(MSB)存放在最低端的地址上。采用这种机制的处理器有IBM3700系列、PDP-10、Mortolora微处理器系列和绝大多数的RISC处理器。
+----------+
| 0x34     |<-- 0x00000021
+----------+
| 0x12     |<-- 0x00000020
+----------+
图1:双字节数0x1234以big-endian的方式存在起始地址0x00000020中

  在Big-Endian中,对于bit序列中的序号编排方式如下(以双字节数0x8B8A为例):
bit 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

     +----------------------------------------+
val | 1 0 0 0 1 0 1 1 | 1 0 0 0 1 0 1 0 |
     +----------------------------------------+
       ^ 0x8B               0x8A ^
MSB LSB
图2:Big-Endian的bit序列编码方式

  注1:通常在TCP/IP协议栈所说的网络序(Network Order)就是遵循Big-Endian规则。在TCP/IP网络通信中,通信双方把消息按照如图2的方式进行编码,然后按从MSB(Bit0)到LSB的顺序在网络上传送。
  2、little-endian
   A computer architecture in which, within a given 16- or 32-bit word,bytes at lower addresses have lower significance (the word is stored "little-end-first"). The PDP-11 and VAX families of computers and Intel microprocessors and a lot of communications and networking hardware are little-endian.
  The term is sometimes used to describe the ordering of units other than bytes; most often, bits within a byte. [From: Free On-Line Dictionary Of Computing or Jargon File]
  little-endian:计算机体系结构中一种描述多字节存储顺序的术语,在这种机制中最不重要字节(LSB)存放在最低端的地址上。采用这种机制的处理器有PDP-11、VAX、Intel系列微处理器和一些网络通信设备。该术语除了描述多字节存储顺序外还常常用来描述一个字节中各个比特的排放次序。

+----------+
| 0x12     |<-- 0x00000021
+----------+
| 0x34     |<-- 0x00000020
+----------+
  图3:双字节数0x1234以little-endian的方式存在起始地址0x00000020中

  在Little-Endian中,对于bit序列中的序号编排和Big-Endian刚好相反,其方式如下(以双字节数0x8B8A为例):

bit 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

     +-----------------------------------------+
val | 1 0 0 0 1 0 1 1 | 1 0 0 0 1 0 1 0 |
     +-----------------------------------------+
      ^ 0x8B               0x8A ^
MSB LSB
图4:Little-Endian的bit序列编码方式

  注2:通常我们说的主机序(Host Order)就是遵循Little-Endian规则。所以当两台主机之间要通过TCP/IP协议进行通信的时候就需要调用相应的函数进行主机序(Little-Endian)和网络序(Big-Endian)的转换。
    注3:正因为这两种机制对于同一bit序列的序号编排方式恰恰相反,所以《现代英汉词典》中对MSB的翻译为“最高有效位”欠妥,故本文定义为“最重要的bit/byte”。

 

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     实际上,由于CPU存储数据操作的最小单位是一个字节,其内部的比特序是什么样对我们的程序来说是一个黑盒子。也就是说,你给我一个指向
0xB4这个数的指针,对于big endian方式的CPU来说,它是从左往右依次读取这个数的8个比特;而对于little endian方式的
CPU来说,则正好相反,是从右往左依次读取这个数的8个比特。而我们的程序通过这个指针访问后得到的数就是0xB4,字节内部的比特序对于程序来说是不
可见的,其实这点对于单机上的字节序来说也是一样的。 

     那可能有人又会问,如果是网络传输呢?会不会出问题?是不是也要通过什
么函数转换一下比特序?嗯,这个问题提得很好。假设little endian方式的CPU要传给big endian方式CPU一个字节的话,其本身在
传输之前会在本地就读出这个8比特的数,然后再按照网络字节序的顺序来传输这8个比特,这样的话到了接收端不会出现任何问题。而假如要传输一个32比特的
数的话,由于这个数在littel endian方存储时占了4个字节,而网络传输是以字节为单位进行的,little endian方的CPU读出第一
个字节后发送,实际上这个字节是原数的LSB,到了接收方反倒成了MSB从而发生混乱。

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