如果將一個(gè)32位的整數(shù)0x12345678存放到一個(gè)整型變量（int）中，這個(gè)整型變量采用大端或者小端模式在內(nèi)存中的存儲(chǔ)由下表所示。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本書(shū)使用OP0表示一個(gè)32位數(shù)據(jù)的最高字節(jié)MSB（Most Significant Byte），使用OP3表示一個(gè)32位數(shù)據(jù)最低字節(jié)LSB（Least Significant Byte）。

如果將一個(gè)16位的整數(shù)0x1234存放到一個(gè)短整型變量（short）中。這個(gè)短整型變量在內(nèi)存中的存儲(chǔ)在大小端模式由下表所示。

由上表所知，采用大小模式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存放的主要區(qū)別在于在存放的字節(jié)順序，大端方式將高位存放在低地址，小端方式將低位存放在高地址。采用大端方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存放符合人類的正常思維，而采用小端方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存放利于計(jì)算機(jī)處理。到目前為止，采用大端或者小端進(jìn)行數(shù)據(jù)存放，其孰優(yōu)孰劣也沒(méi)有定論。

有的處理器系統(tǒng)采用了小端方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存放，如Intel的奔騰。有的處理器系統(tǒng)采用了大端方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存放，如IBM半導(dǎo)體和Freescale的PowerPC處理器。不僅對(duì)于處理器，一些外設(shè)的設(shè)計(jì)中也存在著使用大端或者小端進(jìn)行數(shù)據(jù)存放的選擇。

因此在一個(gè)處理器系統(tǒng)中，有可能存在大端和小端模式同時(shí)存在的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象為系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)帶來(lái)了不小的麻煩，這要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師，必須深入理解大端和小端模式的差別。大端與小端模式的差別體現(xiàn)在一個(gè)處理器的寄存器，指令集，系統(tǒng)總線等各個(gè)層次中。

1.1.1        從軟件的角度理解端模式

從軟件的角度上，不同端模式的處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞時(shí)必須要考慮端模式的不同。如進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞時(shí)，必須要考慮端模式的轉(zhuǎn)換。有過(guò)Socket接口編程經(jīng)驗(yàn)的程序員一定使用過(guò)以下幾個(gè)函數(shù)用于大小端字節(jié)序的轉(zhuǎn)換。

¨          #define ntohs(n)     //16位數(shù)據(jù)類型網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序到主機(jī)字節(jié)順序的轉(zhuǎn)換

¨          #define htons(n)     //16位數(shù)據(jù)類型主機(jī)字節(jié)順序到網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序的轉(zhuǎn)換

¨          #define ntohl(n)      //32位數(shù)據(jù)類型網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序到主機(jī)字節(jié)順序的轉(zhuǎn)換

¨          #define htonl(n)      //32位數(shù)據(jù)類型主機(jī)字節(jié)順序到網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序的轉(zhuǎn)換

其中互聯(lián)網(wǎng)使用的網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序采用大端模式進(jìn)行編址，而主機(jī)字節(jié)順序根據(jù)處理器的不同而不同，如PowerPC處理器使用大端模式，而Pentuim處理器使用小端模式。

大端模式處理器的字節(jié)序到網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序不需要轉(zhuǎn)換，此時(shí)ntohs(n)=n，ntohl = n；而小端模式處理器的字節(jié)序到網(wǎng)絡(luò)字節(jié)必須要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，此時(shí)ntohs(n) = __swab16(n)，ntohl = __swab32(n)。__swab16與__swab32函數(shù)定義如下所示。

PowerPC處理器提供了lwbrx，lhbrx，stwbrx，sthbrx四條指令用于處理字節(jié)序的轉(zhuǎn)換以優(yōu)化__swab16和__swap32這類函數(shù)。此外PowerPC處理器中的rlwimi指令也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)__swab16和__swap32這類函數(shù)。在Linux PowerPC中，定義了一系列有關(guān)字節(jié)序轉(zhuǎn)換的函數(shù)，其詳細(xì)定義在./include/asm-powerpc/byteorder.h文件中。

程序員在對(duì)普通文件進(jìn)行處理也需要考慮端模式問(wèn)題。在大端模式的處理器下對(duì)文件的32，16位讀寫(xiě)操作所得到的結(jié)果與小端模式的處理器不同。讀者單純從軟件的角度理解上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能真正理解大小端模式的區(qū)別。事實(shí)上，真正的理解大小端模式的區(qū)別，必須要從系統(tǒng)的角度，從指令集，寄存器和數(shù)據(jù)總線上深入理解，大小端模式的區(qū)別。

1.1.2        從系統(tǒng)的角度理解端模式

除了4.2.1節(jié)中，軟件上對(duì)不同端模式編程上的差異，處理器在硬件上也由于端模式問(wèn)題在設(shè)計(jì)中有所不同。從系統(tǒng)的角度上看，端模式問(wèn)題對(duì)軟件和硬件的設(shè)計(jì)帶來(lái)了不同的影響，當(dāng)一個(gè)處理器系統(tǒng)中大小端模式同時(shí)存在時(shí)，必須要對(duì)這些不同端模式的訪問(wèn)進(jìn)行特殊的處理。

PowerPC處理器主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)，可以說(shuō)絕大多數(shù)的通信設(shè)備都使用PowerPC處理器進(jìn)行協(xié)議處理和其他控制信息的處理，這也可能也是在網(wǎng)絡(luò)上的絕大多數(shù)協(xié)議都采用大端編址方式的原因。因此在有關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的軟件設(shè)計(jì)中，使用小端方式的處理器需要在軟件中處理端模式的轉(zhuǎn)變。而Pentium主導(dǎo)個(gè)人機(jī)市場(chǎng)，因此多數(shù)用于個(gè)人機(jī)的外設(shè)都采用小端模式，包括一些在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中使用的PCI總線，F(xiàn)lash等設(shè)備，這也要求硬件工程師在硬件設(shè)計(jì)中注意端模式的轉(zhuǎn)換。

本書(shū)中的小端外設(shè)是指這種外設(shè)中的寄存器以小端方式進(jìn)行存儲(chǔ)，如PCI設(shè)備的配置空間，NOR FLASH中的寄存器等等。

對(duì)于有些設(shè)備，如DDR顆粒，沒(méi)有以小端方式存儲(chǔ)的寄存器，因此從邏輯上講并不需要對(duì)端模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在設(shè)計(jì)中，只需要將雙方數(shù)據(jù)總線進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)的互連，而不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)總線的轉(zhuǎn)換。

如果從實(shí)際應(yīng)用的角度說(shuō)，采用小端模式的處理器需要在軟件中處理端模式的轉(zhuǎn)換，因?yàn)椴捎眯《四Ｊ降奶幚砥髟谂c小端外設(shè)互連時(shí)，不需要任何轉(zhuǎn)換。

而采用大端模式的處理器需要在硬件設(shè)計(jì)時(shí)處理端模式的轉(zhuǎn)換。大端模式處理器需要在寄存器，指令集，數(shù)據(jù)總線及數(shù)據(jù)總線與小端外設(shè)的連接等等多個(gè)方面進(jìn)行處理，以解決與小端外設(shè)連接時(shí)的端模式轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

在寄存器和數(shù)據(jù)總線的位序定義上，基于大小端模式的處理器有所不同。

一個(gè)采用大端模式的32位處理器，如基于E500內(nèi)核的MPC8541，將其寄存器的最高位msb（most significant bit）定義為0，最低位lsb（lease significant bit）定義為31；而小端模式的32位處理器，將其寄存器的最高位定義為31，低位地址定義為0。

與此向?qū)?yīng)，采用大端模式的32位處理器數(shù)據(jù)總線的最高位為0，最高位為31；采用小端模式的32位處理器的數(shù)據(jù)總線的最高位為31，最低位為0。如圖4.5所示。

大小端模式處理器外部總線的位序也遵循著同樣的規(guī)律，根據(jù)所采用的數(shù)據(jù)總線是32位，16位和8位，大小端處理器外部總線的位序有所不同。

¨          大端模式下32位數(shù)據(jù)總線的msb是第0位，MSB是數(shù)據(jù)總線的第0~7的字段；而lsb是第31位，LSB是第24~31字段。小端模式下32位總線的msb是第31位，MSB是數(shù)據(jù)總線的第31~24位，lsb是第0位，LSB是7~0字段。

¨          大端模式下16位數(shù)據(jù)總線的msb是第0位，MSB是數(shù)據(jù)總線的第0~7的字段；而lsb是第15位，LSB是第8~15字段。小端模式下16位總線的msb是第15位，MSB是數(shù)據(jù)總線的第15~7位，lsb是第0位，LSB是7~0字段。

¨          大端模式下8位數(shù)據(jù)總線的msb是第0位，MSB是數(shù)據(jù)總線的第0~7的字段；而lsb是第7位，LSB是第0~7字段。小端模式下8位總線的msb是第7位，MSB是數(shù)據(jù)總線的第7~0位，lsb是第0位，LSB是7~0字段。

由上分析，我們可以得知對(duì)于8位，16位和32位寬度的數(shù)據(jù)總線，采用大端模式時(shí)數(shù)據(jù)總線的msb和MSB的位置都不會(huì)發(fā)生變化，而采用小端模式時(shí)數(shù)據(jù)總線的lsb和LSB位置也不會(huì)發(fā)生變化。

為此，大端模式的處理器對(duì)8位，16位和32位的內(nèi)存訪問(wèn)（包括外設(shè)的訪問(wèn)）一般都包含第0~7字段，即MSB。小端模式的處理器對(duì)8位，16位和32位的內(nèi)存訪問(wèn)都包含第7~0位，小端方式的第7~0字段，即LSB。

由于大小端處理器的數(shù)據(jù)總線其8位，16位和32位寬度的數(shù)據(jù)總線的定義不同，因此需要分別進(jìn)行討論在系統(tǒng)級(jí)別上如何處理端模式轉(zhuǎn)換。

在一個(gè)大端處理器系統(tǒng)中，需要處理大端處理器對(duì)小端外設(shè)的訪問(wèn)。

1.1.2.1    大端處理器對(duì)32位小端外設(shè)進(jìn)行訪問(wèn)

大端處理器采用32位總線與小端外設(shè)進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，大端處理器的32位數(shù)據(jù)總線的第0~7位用來(lái)處理OP0，第8~15位用來(lái)處理OP1，第16~23位用來(lái)處理OP2，第24~31位用來(lái)處理OP3。而32位的小端設(shè)備使用數(shù)據(jù)總線的第31~24位用來(lái)處理OP0，第23~16位用來(lái)處理OP1，第15~8位用來(lái)處理OP2，第7~0位用來(lái)處理OP3。

大端處理器，如MPC8541，使用stw，sth，stb和lwz，lhz，lbz指令對(duì)32位的外部設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)。在這些指令結(jié)束后，存放在外部設(shè)備的數(shù)據(jù)將被讀入MPC8541的通用寄存器中。為保證軟件的一致性，當(dāng)訪問(wèn)結(jié)束后，存放在通用寄存器的字節(jié)序，即OP0，OP1，OP2和OP3必須要和存放在小端外設(shè)的字節(jié)序一致。此時(shí)在使用大端處理器的數(shù)據(jù)總線連接小端外設(shè)時(shí)必須要進(jìn)行一定的處理，按照某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接以保證軟件的一致性。大端處理器數(shù)據(jù)總線與小端外設(shè)進(jìn)行連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4.6所示。

如圖4.6所示，采用大端處理器訪問(wèn)小端設(shè)備時(shí)，將各自的OP0~OP3字段直接相連。在大端處理器的32位數(shù)據(jù)總線的最高位為0，最低位為31；而小端設(shè)備的最高位為31，最低位為0。因此硬件工程師在進(jìn)行信號(hào)連接時(shí)需要將采用大端處理器的0~31位分別與小端設(shè)備的31~0位一一對(duì)應(yīng)，進(jìn)行互連。

1.1.2.2    大端處理器對(duì)8，16位小端外設(shè)進(jìn)行訪問(wèn)

大端處理器使用8位，16位數(shù)據(jù)總線對(duì)8位，16位的小端外設(shè)進(jìn)行連接。對(duì)于32位處理器，用來(lái)連接外設(shè)的總線一般是32位。因此體系結(jié)構(gòu)工程師在進(jìn)行大端處理器總線設(shè)計(jì)時(shí)有兩種選擇，是采用32位總線的高端部分（第0~15字段）還是低端部分（第16~31字段）連接小端設(shè)備。PowerPC處理器使用32位總線的高端部分，即數(shù)據(jù)總線的第0~15位連接16位的小端設(shè)備，使用0~7位連接8位的小端設(shè)備。

PowerPC處理器采用16位總線與16位的小端外設(shè)進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，PowerPC處理器的16位數(shù)據(jù)總線的第0~7位用來(lái)處理OP0，第8~15位用來(lái)處理OP1。而16位的小端設(shè)備使用數(shù)據(jù)總線的第15~8位用來(lái)處理OP0，第7~0位用來(lái)處理OP1。

PowerPC處理器采用8位總線與8位的小端外設(shè)進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，PowerPC處理器的8位數(shù)據(jù)總線的第0~7字段用來(lái)處理OP0。而8位的小端設(shè)備使用數(shù)據(jù)總線的第7~0位用來(lái)處理OP1。大端處理器與小端外設(shè)的連接關(guān)系如圖4.7所示。

與32位總線接口類似，PowerPC處理器可以使用stw，sth，stb和lwz，lhz，lbz指令對(duì)32位的外部設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)，并將數(shù)據(jù)存放在相應(yīng)的通用寄存器中。當(dāng)訪問(wèn)結(jié)束后，存放在通用寄存器的字節(jié)序，即OP0，OP1必須要和存放在小端外設(shè)的字節(jié)序一致。

PowerPC處理器對(duì)8位的小端外設(shè)進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，一個(gè)總線周期只能訪問(wèn)8位數(shù)據(jù)，如果處理器使用stw或者lwz指令訪問(wèn)8位的小端設(shè)備內(nèi)的32位數(shù)據(jù)時(shí)，在數(shù)據(jù)總線上將OP0，OP1，OP2和OP3依次傳遞到PowerPC的通用寄存器中。

PowerPC處理器對(duì)16位的小端外設(shè)進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，一個(gè)總線周期只能訪問(wèn)16位數(shù)據(jù)，如果處理器使用stw或者lwz指令訪問(wèn)16位的小端設(shè)備內(nèi)的32位數(shù)據(jù)時(shí)，在數(shù)據(jù)總線上將OP0~1和OP2~3依次傳遞到PowerPC的通用寄存器中。

PowerPC處理器使用sth或者lhz指令訪問(wèn)16位的小端設(shè)備時(shí)，16位的小端設(shè)備將數(shù)據(jù)的第15~0位，傳遞到PowerPC處理器的總線的第0~15位，然后再將數(shù)據(jù)最終傳遞給相應(yīng)的通用寄存器。這里有許多讀者會(huì)感到困惑，因?yàn)闉榱吮ＷC軟件的一致性，PowerPC處理器使用lhz指令訪問(wèn)16位的小端設(shè)備的16位寄存器時(shí)，需要將結(jié)果保存在通用寄存器的第16~31位，而不是0~15位。究竟PowerPC處理器是如何將系統(tǒng)總線中0~15位的數(shù)據(jù)搬移到寄存器的第16~31位中的呢？為此我們需要對(duì)lhz指令進(jìn)行分析。

由lhz指令的以上描述得知lhz指令將來(lái)自數(shù)據(jù)總線上的OP0與OP1直接存入寄存器的第16~31位，而將第0~15位直接清零。

PowerPC處理器使用stb或者lbz指令訪問(wèn)8位的小端設(shè)備時(shí)，8位的小端設(shè)備將數(shù)據(jù)的第7~0位，傳遞到PowerPC處理器的總線的第0~7位，然后再將數(shù)據(jù)最終傳遞給相應(yīng)的通用寄存器，lbz指令的描述如下所示。

由lhz指令的以上描述得知lhz指令將來(lái)自數(shù)據(jù)總線上的OP0直接存入寄存器的第24~31位，而將第0~23位清零。

本節(jié)分別描述了大端處理器的32位，16位及8位數(shù)據(jù)總線與32位，16位和8位的小端設(shè)備進(jìn)行連接。如果大端處理器的數(shù)據(jù)總線需要同時(shí)支持小端設(shè)備的32位，16位及8位的數(shù)據(jù)傳送方式，端模式的處理將會(huì)更加復(fù)雜。IC的設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)PCI總線橋片的時(shí)候?qū)?huì)遇到這一類問(wèn)題，此時(shí)設(shè)計(jì)人員將使用多路總線開(kāi)關(guān)來(lái)解決這一問(wèn)題。端模式問(wèn)題的解決需要軟硬件協(xié)調(diào)處理，并在指令集上加以支持。對(duì)于小端處理器而言，需要使用軟件轉(zhuǎn)換的方法實(shí)現(xiàn)大小端模式的匹配；對(duì)于大端處理器而言，在外部數(shù)據(jù)總線與小端外設(shè)的連接時(shí)必須要考慮數(shù)據(jù)總線連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。