Little endian и big endian что это

Понятие порядка байтов в цифровых системах: прямой (Big Endian) и обратный (Little Endian) порядок байтов

Различные термины «порядка байтов» («endian») могут показаться немного странными, но основная концепция довольно проста. Если вы еще не хорошо знакомы с вариантами порядка байтов, читайте статью дальше!

Порядок байтов, прямой порядок (big endian), обратный порядок (little endian). Что означают эти термины, и как они влияют на работу инженеров?

Что такое порядок байтов?

Оказывает, это неправильный вопрос. При обсуждении данных «порядок байтов» не является отдельным термином. Вернее, к форматам расположения байтов относятся термины «прямой порядок» («big-endian») и «обратный порядок» («little-endian»).

Термины берут начало в «Путешествиях Гулливера» Джонатана Свифта, в которых начинается гражданская война между теми, кто предпочитает разбивать вареные яйца на большом конце («big-endians»), и теми, кто предпочитает разбивать их на маленьком конце («little-endians»).

В 1980 году израильский ученый-компьютерщик Денни Коэн написал статью («О священных войнах и призыве к миру»), в которой он представил насмешливое объяснение столь же мелкой «войны», вызванной одним вопросом:

«Каков правильный порядок байтов в сообщениях?»

Чтобы объяснить эту проблему, он позаимствовал у Свифта термины «big endian» и «little endian», чтобы описать две противоположные стороны дискуссии о том, что он называл «endianness» (в данном контексте «порядок байтов»).

Когда Свифт писал «Путешествия Гулливера» где-то в первой четверти восемнадцатого века, он, конечно, не знал, что однажды его работа послужит вдохновением для неологизмов двадцатого века, которые определяют расположение цифровых данных в памяти и системах связи. Но такова жизнь – часто странная и всегда непредсказуемая.

Зачем нам нужен порядок байтов

Несмотря на сатирическую трактовку Коэном борьбы «big endians» (прямого порядка, от старшего к младшему) против «little endians» (обратного порядка, от младшего к старшему), вопрос о порядке байтов на самом деле очень важен для нашей работы с данными.

Блок цифровой информации – это последовательность единиц и нулей. Эти единицы и нули начинаются с наименьшего значащего бита (least significant bit, LSb – обратите на строчную букву «b») и заканчиваются на наибольшем значащем бите (most significant bit, MSb).

Это кажется достаточно простым; рассмотрим следующий гипотетический сценарий.

32-разрядный процессор готов к сохранению данных и, следовательно, передает 32 бита данных в соответствующие 32 блока памяти. Этим 32 блокам памяти совместно назначается адрес, скажем 0x01. Шина данных в системе спроектирована таким образом, что нет возможности смешивать LSb с MSb, и все операции используют 32-битные данные, даже если соответствующие числа могут быть легко представлены в 16 или даже 8 битами. Когда процессору требуется получить доступ к сохраненным данным, он просто считывает 32 бита с адреса памяти 0x01. Эта система является надежной, и нет необходимости вводить понятие порядка байтов.

Возможно, вы заметили, что слово «байт» в описании этого гипотетического процессора нигде не упоминалось. Всё основано на 32-битных данных – зачем нужно делить эти данные на 8-битные части, если всё оборудование предназначено для обработки 32-битных данных? Вот здесь-то теория и реальность расходятся. Реальные цифровые системы, даже те, которые могут напрямую обрабатывать 32-битные или 64-битные данные, широко использую 8-битный сегмент данных, известный как байт.

Порядок байтов в памяти

Удобным средством демонстрации порядка байтов действии и объяснения разницы между прямым и обратным порядками является процесс хранения цифровых данных. Представьте, что мы используем 8-разрядный микроконтроллер. Всё аппаратное обеспечение в этом устройстве, включая ячейки памяти, предназначено для 8-битных данных. Таким образом, адрес 0x00 может хранить один байт, адрес 0x01 тоже хранит один байт, и так далее.

Эта схема показывает 11 байтов памяти, то есть 11 ячеек памяти, причем каждая ячейка хранит 8 бит данных

Допустим, мы решили запрограммировать этот микроконтроллер, используя компилятор C, который позволяет нам определять 32-разрядные (т.е. 4-байтовые) переменные. Компилятор должен хранить эти переменные в смежных ячейках памяти, но что не очень понятно, так это то, в самом младшем адресе памяти должен храниться наибольший значащий байт (most significant byte, MSB – обратите внимание на заглавную «B») или наименьший значащий байт (least significant byte, LSB).

Другими словами, должна ли система использовать порядок памяти от старшего к младшему (прямой порядок, big-endian) или от младшего к старшему (обратный порядок, little-endian)?

Хранения данных с прямым порядком и с обратным порядком. D относится к 32-разрядному слову данных, а номера индексов указывают на отдельные биты от MSb (D31) до LSb (D0) Хранение данных с прямым порядком и с обратным порядком. " D " относится к 32-разрядному слову данных, а номера индексов указывают на отдельные биты от MSb ( D₃₁ ) до LSb ( D₀ )

Здесь на самом деле нет правильного или неправильного ответа – любая договоренность может быть совершенно эффективной. Решение между прямым и обратным порядком может быть основано, например, на поддержании совместимости с предыдущими версиями данного процессора, что, конечно, поднимает вопрос о том, как инженеры приняли решение для первого процессора в этом семействе. Я не знаю; возможно, генеральный директор подбросил монету.

Прямой порядок против обратного порядка

Прямой порядок (big endian) указывает на организацию цифровых данных, которая начинается с «большого» конца слова данных и продолжается в направлении «маленького» конца, где «большой» и «маленький» соответствуют наибольшему значащему и наименьшему значащему битам соответственно.

Обратный порядок (little endian) указывает на организацию, которая начинается с «маленького» конца и продолжается в направлении «большого» конца.

Решение между прямым и обратным порядками байтов не ограничивается схемами памяти и 8-разрядными процессорами. Байт является универсальной единицей в цифровых системах. Подумайте только о персональных компьютерах: пространство на жестком диске измеряется в байтах, ОЗУ измеряется в байтах, скорость передачи данных по USB указывается в байтах в секунду (или в битах в секунду), и это несмотря на тот факт, что 8-разрядные персональные компьютеры полностью устарели. Вопрос о порядке байтов вступает в игру всякий раз, когда цифровая система совмещает хранение или передачу данных на основе байтов с числовыми значениями, длина которых превышает 8 бит.

Инженеры должны знать о порядке байтов, когда данные хранятся, передаются или интерпретируются. Последовательная связь особенно восприимчива к проблемам с порядком байтов, поскольку байты, содержащиеся в многобайтовом слове данных, неизбежно будут передаваться последовательно, обычно либо от MSB до LSB, либо от LSB до MSB.

Порядок байтов в контексте последовательной передачи данных

Параллельные шины не защищены от путаницы с порядком байтов, поскольку ширина шины может быть короче ширины данных. И в этом случае прямой или обратный порядок байтов должен быть выбран для параллельной побайтовой передачи данных.

Примером интерпретации на основе порядка байтов является случай, когда байты данных передаются от модуля датчика на ПК через «последовательный порт» (что в настоящее время почти наверняка означает, что в качестве COM порта используется USB соединение). Допустим, всё, что вам нужно сделать, это вывести эти данные, используя какой-то код MATLAB. Когда вы вводите эти байты в среду MATLAB и конвертируете их в обычные переменные, вы должны интерпретировать значения отдельных байтов в соответствии с порядком, в котором они хранятся в памяти.

Заключение

Очень жаль, что универсальная система порядка байтов не была создана еще в начале цифровой эпохи. Я даже не хочу знать, сколько коллективных часов человеческой жизни было посвящено решению проблем, вызванных несовпадающим порядком байтов.

В любом случае, мы не можем изменить прошлое, и мы также вряд ли убедим каждую компанию, производящую полупроводниковую технику и программное обеспечение, пересмотреть свои производственные линии для достижения единого универсального порядка байтов. Что мы можем сделать, так это добиваться согласованности наших собственных проектов и предоставлять четкую документацию, если существует вероятность конфликта между двумя составляющими частями системы.

Порядок байтов

Поря́док ба́йтов — метод записи байтов многобайтовых чисел в информатике.

255=2^8-1

В общем случае, для представления числа M, большего 255 (здесь — максимальное целое число, записываемое одним октетом), приходится использовать несколько байтов-октетов. При этом число M записывается в позиционной системе счисления по основанию 256:

$M = \sum_<i=0>^<n>A_i\cdot 256^i=A_0\cdot 256^0+A_1\cdot 256^1+A_2\cdot 256^2+\dots+A_n\cdot 256^n.» width=»» height=»» /></p> <p>Набор целых чисел <img decoding=$ , каждое из которых лежит в интервале от 0 до 255, является последовательностью байтов, составляющих M. При этом A_0 называется младшим байтом, а A_n — старшим байтом числа M.

Содержание

Варианты записи

Порядок от старшего к младшему

$A_n,\dots,A_0$

Порядок от старшего к младшему или (англ. big-endian , дословно: «тупоконечный»): , запись начинается со старшего и заканчивается младшим. Этот порядок является стандартным для протоколов TCP/IP, он используется в заголовках пакетов данных и во многих протоколах более высокого уровня, разработанных для использования поверх TCP/IP. Поэтому, порядок байтов от старшего к младшему часто называют сетевым порядком байтов (англ. network byte order ). Этот порядок байтов используется процессорами IBM 360/370/390, Motorola 68000, SPARC (отсюда третье название — порядок байтов Motorola, Motorola byte order).

В этом же виде (используя представление в десятичной системе счисления) записываются числа индийско-арабскими цифрами в письменностях с порядком знаков слева направо (латиница, кириллица). Для письменностей с обратным порядком (арабская) та же запись числа воспринимается как «от младшего к старшему».

Порядок байтов от старшего к младшему применяется во многих форматах файлов — например, PNG, FLV, EBML.

Порядок от младшего к старшему

$A_0,\dots,A_n$

Порядок от младшего к старшему или (англ. little-endian , дословно: «остроконечный»), о происхождении термина ниже): , запись начинается с младшего и заканчивается старшим. Этот порядок записи принят в памяти персональных компьютеров с x86-процессорами, в связи с чем иногда его называют интеловский порядок байтов (по названию фирмы-создателя архитектуры x86). В некоторых кругах используется название англ. VAX order , например, в документации Perl [1] .

В противоположность «тупоконечному» порядку, меньше [источник не указан 580 дней] кросс-платформенных протоколов и форматов данных с «остроконечным» порядком байт; заметные исключения: USB, конфигурация PCI, таблица разделов GUID, рекомендации FidoNet.

Переключаемый порядок

Многие процессоры могут работать и в порядке от младшего к старшему, и в обратном, например, ARM, PowerPC (но не PowerPC 970), DEC Alpha, MIPS, PA-RISC и IA-64. Обычно порядок байтов выбирается программно во время инициализации операционной системы, но может быть выбран и аппаратно перемычками на материнской плате. В этом случае правильнее говорить о порядке байтов операционной системы. Переключаемый порядок байтов иногда называют англ. bi-endian .

Смешанный порядок

Смешанный порядок байтов (англ. middle-endian) иногда используется при работе с числами, длина которых превышает машинное слово. Число представляется последовательностью машинных слов, которые записываются в формате, естественном для данной архитектуры, но сами слова следуют в обратном порядке.

Классический пример middle-endian — представление 4-байтных целых чисел на 16-битных процессорах семейства PDP-11 (известен как PDP-endian). Для представления двухбайтных значений (слов) использовался порядок little-endian, но 4-хбайтное двойное слово записывалось от старшего слова к младшему.

В процессорах VAX и ARM используется смешанное представление для длинных вещественных чисел.

Пример

Далее приведён пример, в котором описывается размещение 4-байтового числа в ОЗУ ЭВМ, доступ к которому может производиться как к 32-разрядному слову, так и побайтно.

Все числа записаны в 16-ричной системе счисления.

Число: 0xA1B2C3D4

Представление		D40x01 + C30x100 + B20x10000 + A10x1000000
Порядок от младшего к старшему	(little-endian)	0xD4, 0xC3, 0xB2, 0xA1
Порядок от старшего к младшему	(big-endian)	0xA1, 0xB2, 0xC3, 0xD4
Порядок, принятый в PDP-11	(PDP-endian)	0xB2, 0xA1, 0xD4, 0xC3

Сравнение

Существенным достоинством little-endian по сравнению с big-endian порядком записи считается возможность «неявной типизации» целых чисел при чтении меньшего объёма байт (при условии, что читаемое число помещается в диапазон). Так, если в ячейке памяти содержится число 0x00000022, то прочитав его как int16 (два байта) мы получим число 0x0022, прочитав один байт — число 0x22. Однако, это же может считаться и недостатком, потому что провоцирует ошибки потери данных.

Обратно, считается что у little-endian, по сравнению с big-endian есть «неочевидность» значения байтов памяти при отладке (последовательность байтов (A1, B2, C3, D4) на самом деле значит 0xD4C3B2A1, для big-endian эта последовательность (A1, B2, C3, D4) читалась бы «естественным» для арабской записи чисел образом: 0xA1B2C3D4). Наименее удобным в работе считается middle-endian формат записи; он сохранился только на старых платформах.

Для записи длинных чисел (чисел, длина которых существенно превышает разрядность машины) обычно предпочтительнее порядок слов в числе little-endian (поскольку арифметические операции над длинными числами производятся от младших разрядов к старшим). Порядок байтов в слове — обычный для данной архитектуры.

Проблемы совместимости

Запись многобайтового числа из памяти компьютера в файл или передача по сети требует соблюдения соглашений о том, какой из байтов является старшим, а какой младшим. Прямая запись ячеек памяти приводит к возможным проблемам при переносе приложения с платформы на платформу.

Определение порядка байтов

Порядок байтов в конкретной машине можно определить с помощью программы на языке Си (testendian.c):

Результаты запуска на big-endian машине (SPARC):

Результаты запуска на little-endian машине (x86):

Вещественные числа

Хранение вещественных чисел может зависеть от порядка байт; так, на x86 используются форматы IEEE 754 со знаком и порядком числа в старших байтах.

Юникод

Если Юникод записан в виде UTF-16 или UTF-32, то порядок байтов является существенным. Одним из способов обозначения порядка байтов в юникодовых текстах является постановка в начале специального символа BOM (byte order mark, U+FEFF) — «перевёрнутый» вариант этого символа (U+FFFE) не существует и не допускается в текстах.

Конвертация

Для преобразования между сетевым порядком байтов (англ. network byte order ), который всегда big-endian, и порядком байтов, использующимся на машине (англ. host byte order ), стандарт POSIX предусматривает функции htonl() , htons() , ntohl() , ntohs() :

uint32_t htonl(uint32_t hostlong); — конвертирует 32-битную беззнаковую величину из локального порядка байтов в сетевой;
uint16_t htons(uint16_t hostshort); — конвертирует 16-битную беззнаковую величину из локального порядка байтов в сетевой;
uint32_t ntohl(uint32_t netlong); — конвертирует 32-битную беззнаковую величину из сетевого порядка байтов в локальный;
uint16_t ntohs(uint16_t netshort); — конвертирует 16-битную беззнаковую величину из сетевого порядка байтов в локальный.

В случае совпадения текущего порядка байтов и сетевого, функции могут быть «пустыми» (то есть, не менять порядка байтов). Стандарт также допускает, чтобы эти функции были реализованы макросами.

Существует много языков и библиотек со средствами конвертации в оба основных порядка байт и обратно.

Ядро Linux: le16_to_cpu(), cpu_to_be32(), cpu_to_le16p(), и так далее;

Ядро FreeBSD: htobe16(), le32toh(), и так далее;

данные примеры для Erlang, Python, Perl содержат идентичную функциональность.

Этимология названия

Термины big-endian и little-endian первоначально не имели отношения к информатике. В сатирическом произведении Джонатана Свифта «Путешествия Гулливера» описываются вымышленные государства Лилипутия и Блефуску, в течение многих лет ведущие между собой войны из-за разногласия по поводу того, с какого конца следует разбивать варёные яйца. Тех, кто считает, что их нужно разбивать с тупого конца, в произведении называют Big-endians («тупоконечники»). Споры между сторонниками big-endian и little-endian в информатике также часто носят характер т. н. «религиозных войн». [2]

Термины big-endian и little-endian ввёл Коэн (англ. Danny Cohen ) в 1980 году в своей статье «On Holy Wars and a Plea for Peace». [3] [4]

См. также

Примечания

↑pack() в Perl
↑DAV’s Endian FAQ (недоступная ссылка — история)
↑Danny Cohen.On Holy Wars and a Plea for Peace (англ.) (1 апреля 1980). Архивировано из первоисточника 15 февраля 2012.Проверено 24 января 2010.
↑Таненбаум Э. Архитектура компьютера. — 5-е изд. — СПб. : Питер, 2007. — 844 с. — С. 89.

Ссылки

Компьютер

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Порядок байтов» в других словарях:

обратный порядок байтов — Способ хранения и обмена данными в сети, при котором сначала передается самый младший байт, а затем остальные в порядке, обратном их размещению в блоке данных. [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь… … Справочник технического переводчика

прямой порядок байтов — Способ хранения и обмена данными в сети, при котором сначала передается самый старший байт, а затем остальные в порядке их размещения в блоке данных. Ср. little . [Л.М. Невдяев. Телекоммуникационные технологии. Англо русский толковый словарь… … Справочник технического переводчика

Порядок байт — Порядок байтов в информатике метод записи байтов многобайтовых чисел. В общем случае, когда нужно компактно записать число, большее 255 (28 − 1 = 255 максимальное целое число, записываемое одним байтом (октетом)) необходимо использовать… … Википедия

порядок следования байтов — Под этим термином понимается порядок хранения байтов в машинном слове (или двойном слове). Порядок может быть "прямым" (т.е. 32 битовое число хранится так 0x12345678) и тогда говорят "big endianness" (на отечественном жаргоне… … Справочник технического переводчика

прямой порядок (следования) байтов — Формат для хранения и передачи двоичных данных, при которой старший (наиболее значимый бит (или байт) передается сначала. Обратное преобразование называется little endian. [http://www.morepc.ru/dict/] Тематики информационные технологии в целом EN … Справочник технического переводчика

UTF-16 — (англ. Unicode Transformation Format) в информатике один из способов кодирования символов из Unicode в виде последовательности 16 битных слов. Данная кодировка позволяет записывать символы Юникода в диапазонах U+0000..U+D7FF и… … Википедия

UCS-4 — Юникод, или Уникод (англ. Unicode) стандарт кодирования символов, позволяющий представить знаки практически всех письменных языков. Стандарт предложен в 1991 году некоммерческой организацией «Консорциум Юникода» (англ. Unicode Consortium,… … Википедия

UNICODE — Юникод, или Уникод (англ. Unicode) стандарт кодирования символов, позволяющий представить знаки практически всех письменных языков. Стандарт предложен в 1991 году некоммерческой организацией «Консорциум Юникода» (англ. Unicode Consortium,… … Википедия

UTF-32LE — Юникод, или Уникод (англ. Unicode) стандарт кодирования символов, позволяющий представить знаки практически всех письменных языков. Стандарт предложен в 1991 году некоммерческой организацией «Консорциум Юникода» (англ. Unicode Consortium,… … Википедия

UTF-32 Little Endian — Юникод, или Уникод (англ. Unicode) стандарт кодирования символов, позволяющий представить знаки практически всех письменных языков. Стандарт предложен в 1991 году некоммерческой организацией «Консорциум Юникода» (англ. Unicode Consortium,… … Википедия

Порядок байтов

В современной вычислительной технике и цифровых системах связи информация обычно представлена в виде последовательности байтов. В том случае, если число не может быть представлено одним байтом, имеет значение в каком порядке байты записываются в памяти компьютера или передаются по линиям связи. Часто выбор порядка записи байтов произволен и определяется только соглашениями.