在接觸PowerPC開發時，難免會碰到大小端轉換的問題，PowerPC系統核心是大端的，而像DMA、DSP、PCIE、FPGA都是小端的，所以有必要把它們詳細記錄一下。我們常常看到“alignment"， "endian"之類的字眼， 但很少有C語言教材提到這些概念。實際上它們是與處理器與記憶體介面，編譯器型別密切相關的。考慮這樣一個例子：兩個異構的CPU進行通訊， 定義了這樣一個結果來傳遞訊息:

struct Message
{
     short opcode;
     char subfield;
     long message_length;
     char version;
     short destination_processor;
}message;
 

    用這樣一個結構來傳遞訊息貌似非常方便， 但也引發了這樣一個問題: 若這兩種不同的CPU對該結構的定義不一樣， 兩者就會對訊息有不同的理解。有可能導致二義性。 會引發二義性的有這兩個方面:

1.記憶體地址對齊

2.大小端定義

    本文先介紹記憶體地址對齊和大小端的概念，再回頭來看這個例子就會豁然開朗了。

    記憶體地址對齊，英文名為" Byte Alignment"。大部分16位和32位的CPU不允許將字或者長字儲存到記憶體中的任意地址。 比如MPC 83xx系列就不允許將16位的字儲存到奇數地址中，將一個16位的字寫到奇數地址將引發異常。

    實際上， 對於c中的位元組組織， 有這樣的對齊規則:   

1) 結構體變數的首地址能夠被其最寬基本型別成員的大小所整除；

2) 結構體每個成員相對於結構首地址的偏移量（offset）都是成員大小的整數倍，如有需要編譯器會在成員之間加上填充位元組（internal adding）；

3) 結構體的總大小為結構體最寬基本型別成員大小的整數倍，如有需要編譯器會在最末一個成員之後加上填充位元組（trailing padding）。

    不同CPU的對其規則可能不同， 請參考手冊。為什麼會有上述的限制呢? 理解了記憶體組織， 就會清楚了CPU通過地址匯流排來存取記憶體中的資料，32位的CPU的地址匯流排寬度既為32位置， 標為A[0:31]。在一個匯流排週期內，CPU從記憶體讀/寫32位。 但是CPU只能在能夠被4整除的地址進行記憶體訪問，這是因為32位CPU不使用地址匯流排的A1和A2(比如ARM，它的A[0:1]用於位元組選擇， 用於邏輯控制， 而不和儲存器相連，儲存器連線到A[2:31])。訪問記憶體的最小單位是位元組(byte)， A0和A1不使用， 那麼對於地址來說， 最低兩位是無效的，所以它只能識別能被4整除的地址了。 在4位元組中，通過A0和A1確定某一個位元組。

    再看看剛才的message結構， 你想想它佔了多少位元組? 別想當然的以為是10個位元組。 實際上它佔了12個位元組。可以用sizeof(message)看到。 對於結構體，編譯器會針對起中的元素新增"pad"以滿足位元組對齊規則。所以，message會被編譯器改為下面的形式：

struct Message
{
     short opcode;
     char subfield;
     char pad1;     // Pad to start the long word at a 4 
// byte boundary
     long message_length;
     char version;
     char pad2;     // Pad to start a short at a 2 byte boundary
     short destination_processor;
     char pad3[4];  // Pad to align the complete structure to a 16 
     // byte boundary
};

所以，如果不同的編譯器採用不同的對齊規則， 對傳遞message可就麻煩了。

    再看下大端(Big Endian)與小端(Little Endian)，Byte Endian是指位元組在記憶體中的組織，所以也稱它為Byte Ordering。對於資料中跨越多個位元組的物件， 我們必須為它建立這樣的約定：

(1) 它的地址是多少?

(2) 它的位元組在記憶體中是如何組織的?

    針對第一個問題，有這樣的解釋：對於跨越多個位元組的物件，一般它所佔的位元組都是連續的， 它的地址等於它所佔位元組最低地址。(連結串列可能是個例外，但連結串列的地址可看作連結串列頭的地址)。

    比如: int x， 它的地址為0x100。 那麼它佔據了記憶體中的Ox100， 0x101， 0x102， 0x103這四個位元組。

    上面只是記憶體位元組組織的一種情況: 多位元組物件在記憶體中的組織有一般有兩種約定。 考慮一個W位的整數。 它的各位表達如下:

 [Xw-1， Xw-2， ... ， X1， X0]

它的MSB (Most Significant Byte， 最高有效位元組)為[Xw-1， Xw-2， ... Xw-8]; LSB (Least Significant Byte， 最低有效位元組)為 [X7，X6，...， X0]。 其餘的位元組位於MSB， LSB之間。LSB和MSB誰位於記憶體的最低地址， 即誰代表該物件的地址。這也就引出了大端(Big Endian)與小端(Little Endian)的問題。

    如果LSB在MSB前面， 既LSB是低地址， 則該機器是小端; 反之則是大端。 DEC (Digital Equipment Corporation， 現在是Compaq公司的一部分)和Intel的機器一般採用小端。 IBM， Motorola， Sun的機器一般採用大端。

    當然， 這不代表所有情況。 有的CPU即能工作於小端， 又能工作於大端， 比如ARM， PowerPC，Alpha。具體情形參考處理器手冊。

    舉個例子來說名大小端: 比如一個int x， 地址為0x100， 它的值為0x1234567。 則它所佔據的0x100， 0x101，0x102， 0x103地址組織為低位在前，0x01234567的MSB為0x01， LSB為0x67。0x01在低地址(或理解為"MSB出現在LSB前面，因為這裡討論的地址都是遞增的)， 則為大端; 0x67在低地址則為小端。

    認清這樣一個事實: C中的資料型別都是從記憶體的低地址向高地址擴充套件，取址運算"&"都是取低地址。

    下面是兩個測試Bit Endian的小程式:

      method_1

      ＃i nclude <stdio.h>
      int main(int argc， char *argv[])
      {
          int c = 1;
          if ((*(char *)&c) == 1) 
          {
              printf("little endian\n");
          }
          else
              printf("big endian");
          return 0;
      }

    int c 在記憶體中的表達為: 0x00000001。 (這裡假設int為4位元組)。 用char可以擷取一個位元組。 LSB為0x01，若它出現在c的低地址， 則為小端。

 method_2

      ＃i nclude <stdio.h>
      int main(void)
      {
          /* Each component to a union type is allocated storage at the
              beginning of the union */
           
          union 
          {
             short n;
             char c[sizeof(short)];
          }un;
          un.n = 0x0102;

          if ((un.c[0] == 1 && un.c[1] == 2))
              printf("big endian\n");
          else if ((un.c[0] == 2 && un.c[1] == 1))
              printf("little endian\n");
          else
              printf("error!\n");
          return 0;
      }

union中元素的起始地址都是相同的——位於聯合的開始。 用char來擷取感興趣的位元組。

區分大端與小端有什麼用呢? 如果兩個不同Endian的機器進行通訊時， 就有必要區分了。