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.
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)?
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.
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.
