Diferenças entre Big Endian, Little Endian e Bit Endianness

Para iniciantes, este conceito pode parecer confuso e até inútil. No entanto, para quem deseja trabalhar com microcontroladores, processadores e, principalmente, redes a nível de protocolos, é fundamental compreendê-lo. Mas, afinal, qual o impacto do Big Endian e do Little Endian na transmissão de dados entre sistemas, ou na comunicação entre um módulo e um microcontrolador?

Revisado em Setembro de 2024.

Revisado em Julho de 2021.

Revisado em Maio de 2018.

O conceito de Big Endian e Little Endian, denominado simplesmente de Endianness, surgiu com a transição dos computadores de médio porte para os microcomputadores, quando estes passaram a endereçar tanto os bits quanto os bytes de maneira diferente. Esse problema é principalmente observado ao lidar com bytes, pois pode causar embaralhamento de texto, gerando confusão. No caso de tratamento numérico, pode até mesmo comprometer o sistema.

Esse problema começou, como mencionado, quando surgiram os microcomputadores, que adotaram o conceito de Little Endian. Mas o que é Endian? Por que Big ou Little? “Endian” é um termo cunhado a partir de uma história que alude às disputas políticas e religiosas na Europa, descrita em uma obra de ficção escrita por Jonathan Swift em 1726, conhecida em português como As Viagens de Gulliver. Na história, dois grupos de cidadãos entram em guerra por não concordarem sobre qual lado do ovo é o correto para se quebrar, o lado maior (Big End) ou o lado menor (Little End), resultando numa guerra civil que separa os grupos.

Na informática, a situação não foi muito diferente. Não houve uma guerra civil, mas os sistemas foram separados em “Big Endian” e “Little Endian”, que definem como os bits são transmitidos em alguns sistemas, e em outros, apenas quando lidamos com palavras (Word/2 bytes, DWord/4 bytes), independentemente de o microprocessador ser de 8 bits ou maior.

Atualmente, não enfrentamos muitos problemas relacionados a esse modo de endereçamento, pois quase todos os microprocessadores usam o Little Endian para endereçar seus dados, com exceção de alguns, como o antigo PowerMAC, que utilizava um PowerPC especial travado em Big Endian. Outros computadores que não usam esse travamento permitem a alternância entre os dois modos no que diz respeito à manipulação dos bytes.

Outras arquiteturas que trabalham com Big Endian incluem a série Motorola 68000 (incluindo Freescale ColdFire), Xilinx Microblaze, SuperH, IBM z/Architecture, Atmel AVR32 e o Intel 8051, com destaque para a instrução LCALL, que endereça usando Little Endian.

Mas então, o que é realmente Big Endian e Little Endian?

Como já mencionado, é a forma como os bytes e bits são endereçados na memória. Quando se trata de bytes, o Big Endian endereça, por exemplo, em uma palavra de 2 bytes, o primeiro byte como sendo o endereço menor, e a segunda palavra no endereço seguinte (+1 byte). Já no Little Endian, o segundo byte é endereçado primeiro. Para quem está começando, isso pode causar um certo desconforto, embora as linguagens de programação abstraiam esse problema para nós. Mesmo no C, isso não é perceptível, mas podem surgir problemas ao lidar com ponteiros e estruturas de dados (struct), já que o primeiro endereço em um sistema Big Endian não será a menor parte do número, ou seja, a parte menos significativa (LSB), mas sim a parte mais significativa (MSB).

Vejamos abaixo para entender melhor o conceito de LSB e MSB, que trata da importância do bit ou byte na composição numérica.

LSB representa a parte menos significativa do número, ou seja, a parte mais à direita. Least Significant Bit/Byte.

Já o MSB representa a parte mais significativa, ou seja, a parte mais à esquerda do número. Most Significant Bit/Byte.

Agora podemos entender melhor o conceito de Little Endian e Big Endian. Vejamos primeiro, a nível de bits, do que se trata.

Para o Little Endian, a representação numérica em bits, onde o algoritmo de conversão numérica que a maioria de nós está acostumada pode ser facilmente representado pela fórmula:

Temos, então, a seguinte ordenação dos bits para a representação do número 180 em Little Endian, onde o bit menos significativo é tratado como sendo o bit 0 e o bit 7 é o bit mais significativo.

Para o Big Endian, os bits mantêm sua disposição, porém sua ordem de transmissão inverte, ou seja, são endereçados do MSB como sendo o primeiro bit, e o LSB como sendo o último bit. Portanto, a fórmula de conversão passa a ser:

O Conceito de Endianness

No que se refere aos bits, o conceito de Endianness afeta mais o hardware no que diz respeito ao endereçamento de memória, à transferência de dados em barramentos, principalmente nos seriais, e às operações de manipulação de bits. Principalmente se formos usar máscaras do tipo bitwise, é preciso saber exatamente a ordem dos bits para evitar enganos fatais.

Vejamos agora como é tratado o conceito de endianness quando se trata de bytes, o que afeta mais a manipulação do dado na memória, quando é representado com mais de dois bytes, como em números inteiros e short int em máquinas de 32 bits.

As imagens abaixo representam dois números inteiros armazenados na memória de um microcontrolador qualquer que seja do tipo Little Endian. A primeira representa um número de 16 bits, ou seja, uma Word. O segundo, um número de 32 bits, Double Word (DWord).

Como pode ver, o byte mais significativo é armazenado no endereço mais baixo da memória, sendo acessado primeiramente, enquanto o byte menos significativo é armazenado posteriormente. Na representação, o endereço de memória começa a contar em a.

Vejamos agora como o mesmo número é representado em um sistema Little Endian. A seguir, os mesmos números usados na representação anterior, mas agora utilizando o mecanismo Little Endian para armazená-los.

Houve uma época em que, ao transferir dados entre computadores que usavam sistemas diferentes (chamados byte sex), como na transmissão de um sistema Little Endian para um sistema Big Endian da string UNIX, ocorria o problema conhecido como NUXI Problem devido à inversão da string “UNIX”.

Como pode ver, a cada par de bytes, ocorria uma inversão, causando um certo transtorno.

Um exemplo do formato Little Endian em C

Abaixo estão dois códigos que demonstram como um número inteiro é armazenado na memória. O primeiro é um número de 16 bits, um típico inteiro; o segundo, um número de 32 bits, ou seja, um típico inteiro longo.

Neste exemplo, mostramos como um inteiro de 2 bytes (16 bits) é armazenado na memória em um formato Little Endian:

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct DWORD
{
    uint8_t a0;
    uint8_t a1;
};

int main(void)
{
    struct DWORD dw;

    dw.a0 = 0xDF;
    dw.a1 = 0xEA;

    printf("Endereço 0: %#X\nEndereço 1: %#X\n", dw.a0, dw.a1);

    uint32_t dw1;
    memcpy(&dw1, &dw, 4);

    printf("   Endereços   1 0\n");
    printf("-------------------\n");
    printf("Valor Word: %#hX\n", dw1);

    return 0;
}

A seguir, um outro exemplo para um inteiro longo de 4 bytes (32 bits), apresentando como é armazenado na memória em um formato Little Endian. Observe as pequenas diferenças no código:

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

struct DWORD
{
    uint8_t a0;
    uint8_t a1;
    uint8_t a2;
    uint8_t a3;
};

int main(void)
{
    struct DWORD dw;

    dw.a0 = 0xDF;
    dw.a1 = 0xEA;
    dw.a2 = 0xAB;
    dw.a3 = 0xCF;

    printf("Endereço 0: %#X\nEndereço 1: %#X\nEndereço 2: %#X\nEndereço 3: %#X\n", dw.a0, dw.a1, dw.a2, dw.a3);

    uint32_t dw1;
    memcpy(&dw1, &dw, 4);

    printf("   Endereços   3 2 1 0\n");
    printf("-------------------\n");
    printf("Valor DWord: %#lX\n", dw1);

    return 0;
}

Outras formas de representação

Existem outras formas de representação Endianness, que misturam convenientemente os dois formatos acima. No entanto, não entraremos em detalhes sobre como são apresentadas e utilizadas.

Fontes

• https://en.wikipedia.org/wiki/Endianness
• https://en.wikipedia.org/wiki/Bit_numbering
• https://support.microsoft.com/pt-br/kb/102025
• http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.dui0552a/I1835.html
• http://david.carybros.com/html/endian_faq.html
• https://www.ietf.org/rfc/ien/ien137.txt

Não deixe de me pagar um café, faz um PIX: consultoria@carlosdelfino.eti.br de qualquer valor.