端序问题分析

原创 于 2021-09-09 09:30:22 发布 · 333 阅读 · 1 ·
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大小端模式是计算机处理多字节数字时内存存储的顺序，影响通信协议和数据传输。大端模式将高字节存放在低地址，小端模式反之。转换方法包括位移操作。常见于网络数据解析和跨平台通信。Intel的x86系列是小端，PowerPC和某些ARM是大端。判断和转换是解决字节序不一致的关键。

通信协议中的数据传输、数组的存储方式、数据的强制转换等这些都会牵涉到大小端问题。

1、为什么会有大小端模式之分呢？

在计算机系统中，我们是以字节为单位的，每个地址单元都对应着一个字节，一个字节为8bit。

1个byte的存储不涉及端序，端序是字节之间，而不是bit之间。

且地址不管是对于大小端工作的CPU来说都是一样的从小到大的地址增长。

所以端序是指cpu读写内存时的高低顺序。

但是在C语言中除了8bit的char之外，还有16bit的short型，32bit的int型。另外，对于位数大于8位的处理器，例如16位或者32位的处理器，由于寄存器宽度大于一个字节，那么必然存在着一个如何将多个字节安排的问题。因此就导致了大端存储模式和小端存储模式。

例如一个16bit的short型x，在内存中的地址为0x0010，x的值为0x1122，那么0x11为高字节，0x22为低字节。

对于大端模式，就将0x11放在低地址中，即0x0010中，0x22放在高地址中，即0x0011中。小端模式，刚好相反。

而大小端只是表示存储数据的两种顺序方式，默认内存的读写方式是从低位到高位，处理数据是低位在地址低位，还是高位在地址低位，分为小端和大端两种模式。

因为最开始制定时，没有统一的标准，因而导致了大端和小端两种模式。

同时，什么时候需要注意大端和小端模式呢？

一般是涉及到按位对数据进行处理、网络数据在不同CPU上传输的时候，考虑解析数据的顺序时候；网络上传输的数据都是以大端的形式存放的，所以拿到网络的数据，需要转换为主机字节序。这也是为了屏蔽不同主机的端序问题。

二、什么是大端和小端？

大小端的差异在于存放数据的顺序不同，跟内存本身没有关系，同一段内存，不同的CPU操作同一个数，导致数据存放顺序不同而已。所以大端写入的数据，如果是小端cpu读出，就需要进行端序swap，才能进行计算。

大端模式：是指数据的高字节保存在内存的低地址中，而数据的低字节保存在内存的高地址中。

小端模式：是指数据的高字节保存在内存的高地址中，而数据的低字节保存在内存的低地址中。

假如32位宽（uint32_t）的数据0x12345678，从地址0x08004000开始存放:

 

大小端转换：

开篇说了，实际应用中，大小端应用的地方很多通信协议、数据存储等。如果字节序不一致，就需要转换。
只要你理解其中原理（高低顺序），转换的方法很多，下面简单列列两个。

1.对于16位字数据

#define BigtoLittle16(A)   (( ((uint16)(A) & 0xff00) >> 8)    | \
                                       (( (uint16)(A) & 0x00ff) << 8))
2.对于32位字数据

#define BigtoLittle32(A)   ((( (uint32)(A) & 0xff000000) >> 24) | \
                                       (( (uint32)(A) & 0x00ff0000) >> 8)   | \
                                       (( (uint32)(A) & 0x0000ff00) << 8)   | \
                                       (( (uint32)(A) & 0x000000ff) << 24))

大小端主要由CPU 决定，但是如ARM可以选择大小端模式，准确说是由运行环境决定大小端模式。

可以通过向内存写多字节数据，然后按照内存由小到大的数据读取，判断大小端模式。

1）就CPU架构而言

小端模式：STM32 X86 
大端模式：PowerPC IBM Sun
ARM 既可以是小端也可以是大端。

Intel的80x86系列芯片是唯一还在坚持使用小端的芯片，ARM芯片默认采用小端，但可以切换为大端；而MIPS等芯片要么采用全部大端的方式储存，要么提供选项支持大端——可以在大小端之间切换。

以下为参考文章：
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"成功" : $"失败: {result.Message}"); } finally { modbusClient.ConnectClose(); } } private static ushort[] ConvertToRegisters(object[] values, IByteTransform transform) { // 计算总寄存器数 int totalRegisters = 0; foreach (var value in values) { totalRegisters += GetRegisterCount(value); } ushort[] registers = new ushort[totalRegisters]; int index = 0; foreach (var value in values) { byte[] bytes = GetBytes(value, transform); for (int i = 0; i < bytes.Length; i += 2) { // 将两个字节转换为一个ushort（寄存器值） registers[index++] = transform.TransUInt16(bytes, i); } } return registers; } private static int GetRegisterCount(object value) { return value switch { short or ushort => 1, int or float => 2, long or double => 4, _ => throw new NotSupportedException() }; } private static byte[] GetBytes(object value, IByteTransform transform) { return value switch { short s => transform.TransByte(s), ushort us => transform.TransByte(us), int i => transform.TransByte(i), float f => transform.TransByte(f), long l => transform.TransByte(l), double d => transform.TransByte(d), _ => throw new NotSupportedException() }; } } ``` ### 关键说明 1. **字节反转(`IsByteReverse`)**： - 控制单个寄存器内字节顺序 - `true`：小端模式（低位字节在前） - `false`：大端模式（默认） 2. **字反转(`IsTransformReverseWord`)**： - 控制多寄存器数据中寄存器的排列顺序 - `true`：反转寄存器顺序（如将`[寄存器A, 寄存器B]`转为`[寄存器B, 寄存器A]`） - 适用于32位/64位数据 3. **组合应用**： - 完全小端设备：同时启用字节反转和字反转 - 仅字节小端：只启用字节反转 - 仅字小端：只启写字反转 > 注：具体配置需根据设备手册确定[^2][^3] ### 调试建议 - 使用Wireshark捕获MODBUS报文验证字节顺序 - 先测试单寄存器写入确认字节顺序 - 再扩展至多寄存器数据类型 §§相关问题§§ 1. 如何通过Wireshark分析MODBUS TCP通信中的字节顺序？ 2. 在HslCommunication中如何实现自定义字节转换器？ 3. 不同品牌的PLC设备在MODBUS实现中有哪些常见差异？ 4. 如何动态切换字节顺序配置以适应多设备环境？</think>### MODBUS TCP 通信中的大小端序处理方案 在 MODBUS TCP 通信中正确处理大小端序至关重要，这直接关系到数据的正确解析。以下是完整的处理方案： #### 一、核心概念解析 1. **字节序类型**： - **大端序 (Big-Endian)**：高位字节在前（如 `0x1234` 发送为 `0x12 0x34`），MODBUS 协议默认采用[^2][^3] - **小端序 (Little-Endian)**：低位字节在前（如 `0x1234` 发送为 `0x34 0x12`），常见于 x86/x64 CPU[^3] 2. **多寄存器处理**： - 32/64位数据（int/float/double）需要跨多个寄存器 - 寄存器间排序存在多种约定： - **ABCD**：标准大端序（寄存器顺序：高位→低位） - **CDAB**：寄存器内大端，寄存器间小端 - **BADC**：寄存器内小端，寄存器间大端 - **DCBA**：完全小端序[^2] #### 二、HslCommunication 的字节序配置 通过 `IByteTransform` 接口实现灵活控制： ```csharp // 创建 Modbus 客户端 ModbusTcpNet modbusClient = new ModbusTcpNet("192.168.1.10", 502, 1); // ===== 字节序配置方案 ===== // 方案1：标准大端序 (ABCD) - MODBUS 默认 modbusClient.ByteTransform = new RegularByteTransform(); // 方案2：小端序 (DCBA) modbusClient.ByteTransform = new ReverseByteTransform(); // 方案3：自定义混合字节序 (CDAB) var customTransform = new RegularByteTransform() { IsByteReverse = false, // 寄存器内不反转字节 IsTransformReverseWord = true // 反转寄存器顺序 }; // 方案4：BADC 模式 var badcTransform = new RegularByteTransform() { IsByteReverse = true, // 寄存器内反转字节 IsTransformReverseWord = false // 不反转寄存器顺序 }; ``` #### 三、完整数据读写示例 ```csharp using HslCommunication; using HslCommunication.ModBus; using System; public class ModbusEndiannessDemo { public static void Main() { ModbusTcpNet modbusClient = new ModbusTcpNet("192.168.1.10", 502, 1); // 配置为小端序设备 modbusClient.ByteTransform = new ReverseByteTransform(); try { modbusClient.ConnectServer(); // 写入混合数据类型（小端序） ushort startAddress = 40001; object[] writeValues = { (short)0x1234, 0x56789ABC, 3.14159f, 2.71828 }; WriteMixedData(modbusClient, startAddress, writeValues); // 读取验证 object[] readValues = ReadMixedData(modbusClient, startAddress, writeValues); Console.WriteLine("验证结果: " + (readValues[0].Equals(writeValues[0]) && readValues[1].Equals(writeValues[1]) ? "成功" : "失败")); } finally { modbusClient.ConnectClose(); } } // 混合数据类型写入 private static void WriteMixedData(ModbusTcpNet client, ushort address, object[] values) { ushort[] registers = ConvertToRegisters(values, client.ByteTransform); OperateResult result = client.Write(address.ToString(), registers); if (!result.IsSuccess) throw new Exception($"写入失败: {result.Message}"); } // 混合数据类型读取 private static object[] ReadMixedData(ModbusTcpNet client, ushort address, object[] template) { int totalRegisters = CalculateTotalRegisters(template); ushort[] registers = client.Read(address.ToString(), (ushort)totalRegisters).Content; return ParseRegisters(registers, template, client.ByteTransform); } // 寄存器转换辅助方法 private static ushort[] ConvertToRegisters(object[] values, IByteTransform transform) { int totalRegisters = CalculateTotalRegisters(values); ushort[] registers = new ushort[totalRegisters]; int index = 0; foreach (var value in values) { byte[] bytes = GetBytes(value, transform); for (int i = 0; i < bytes.Length; i += 2) { registers[index++] = transform.TransUInt16(bytes, i); } } return registers; } private static int CalculateTotalRegisters(object[] values) { int count = 0; foreach (var value in values) { count += value switch { short or ushort => 1, int or float => 2, long or double => 4, _ => throw new NotSupportedException() }; } return count; } private static byte[] GetBytes(object value, IByteTransform transform) { return value switch { short s => transform.TransByte(s), ushort us => transform.TransByte(us), int i => transform.TransByte(i), float f => transform.TransByte(f), long l => transform.TransByte(l), double d => transform.TransByte(d), _ => throw new NotSupportedException() }; } private static object[] ParseRegisters(ushort[] registers, object[] template, IByteTransform transform) { object[] result = new object[template.Length]; int registerIndex = 0; for (int i = 0; i < template.Length; i++) { int regCount = template[i] switch { short or ushort => 1, int or float => 2, long or double => 4, _ => 0 }; byte[] buffer = new byte[regCount * 2]; for (int j = 0; j < regCount; j++) { byte[] regBytes = transform.TransByte(registers[registerIndex++]); Array.Copy(regBytes, 0, buffer, j * 2, 2); } result[i] = template[i] switch { short => transform.TransInt16(buffer, 0), ushort => transform.TransUInt16(buffer, 0), int => transform.TransInt32(buffer, 0), float => transform.TransSingle(buffer, 0), long => transform.TransInt64(buffer, 0), double => transform.TransDouble(buffer, 0), _ => null }; } return result; } } ``` ### 四、最佳实践建议 1. **设备兼容性处理**： ```csharp // 自动检测设备字节序 bool isLittleEndianDevice = DetectDeviceEndianness(modbusClient); modbusClient.ByteTransform = isLittleEndianDevice ? new ReverseByteTransform() : new RegularByteTransform(); ``` 2. **调试与验证**： - 使用 Wireshark 抓包分析原始报文[^4] - 单步调试验证字节数组转换结果 - 创建字节序测试寄存器（如写入 `0x1234` 验证读取值） 3. **性能优化**： - 批量读写减少请求次数 - 缓存字节序配置避免重复检测 - 使用内存流优化字节数组操作 > 关键提示：不同厂商设备可能采用非标准字节序，务必参考设备手册确认具体实现[^2][^5] ### 五、常见问题解决方案 1. **数据错位**： - 检查 `IsByteReverse` 和 `IsTransformReverseWord` 的组合设置 - 验证多寄存器数据的字顺序（ABCD/CDAB/BADC/DCBA） 2. **浮点数异常**： - 确认 IEEE 754 格式兼容性 - 使用 `BitConverter` 进行手动转换验证： ```csharp float testValue = 3.14f; byte[] bytes = BitConverter.GetBytes(testValue); if (BitConverter.IsLittleEndian) Array.Reverse(bytes); ``` 3. **混合设备环境**： ```csharp // 为不同设备创建独立客户端实例 ModbusTcpNet deviceA = new ModbusTcpNet("192.168.1.10", 502, 1) { ByteTransform = new RegularByteTransform() }; ModbusTcpNet deviceB = new ModbusTcpNet("192.168.1.11", 502, 1) { ByteTransform = new ReverseByteTransform() }; ``` 通过正确配置字节转换策略，可确保 MODBUS TCP 通信中各种数据类型的准确解析，满足不同工业设备的兼容性需求[^1][^3]。
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