Die Byte-Reihenfolge (englisch byte order oder endianness) bezeichnet in der Informatik die Speicherorganisation für einfache Zahlenwerte, in erster Linie die Ablage ganzzahliger Werte (Integer) im Arbeitsspeicher.

Die ersten Rechnerarchitekturen haben die Darstellung mehrstelliger Zahlen aus dem Alltag entsprechend der Konvention des Stellenwertsystems übernommen, zunächst für dezimal, dann auch für binär dargestellte Zahlen. In dieser Konvention beginnt die Notation einer Zahl mit der Ziffer an der höchstwertigen Stelle. Addition, Subtraktion und Multiplikation beginnen aber mit der niedrigstwertigen Ziffer, der Einerstelle.

Solange man innerhalb ähnlicher Rechnerarchitekturen blieb, musste man sich nicht um die Endianness kümmern, sie entsprach ja der gewohnten. Da die genannten drei mathematischen Grundfunktionen jedoch einen Maschinenzyklus früher starten können, wenn man die Bitreihenfolge umkehrt, haben in der Folge einige Hersteller ein entsprechendes Architekturprinzip erstellt. Das heißt: die Einerstelle wird an die Anfangsadresse gelegt, und die 3 genannten Algorithmen schreiten nach rechts in die höheren Stellen und Adressen fort. Diese Abweichung vom Gewohnten machte die Begriffsbildung Endianness erforderlich:

• Beim big-endian (wörtlich etwa: „großendigen“, siehe auch Abschnitt „Etymologie“) Format wird das höchstwertige Byte zuerst gespeichert, d. h. an der kleinsten Speicheradresse. Allgemein bedeutet der Begriff, dass bei zusammengesetzten Daten die höchstwertige (höchstrangige) Komponente zuerst genannt wird, wie etwa bei der deutschen Schreibweise der Uhrzeit: Stunde:Minute:Sekunde.
• Beim little-endian (wörtlich etwa: „kleinendigen“) Format wird dagegen das niedrigstwertig Byte an der Anfangsadresse gespeichert, also die niedrigstwertig Komponente zuerst genannt, wie bei der herkömmlichen deutschen Datumsschreibweise: Tag.Monat.Jahr.

Im Sprachgebrauch werden die beiden Varianten in der Computertechnik oft auch nach den Herstellern von Mikroprozessoren benannt, die die jeweilige Variante in mehreren Prozessorfamilien verwenden bzw. verwendet haben: „Motorola-Format“ steht für big-endian, „Intel-Format“ für little-endian.

Werden Daten bitweise seriell übertragen, so ist zusätzlich die Bit-Reihenfolge festzulegen. Auch hier sind unterschiedliche Varianten anzutreffen:

• Most-Signifikant-Bit-First (MSb), wenn das höchstwertige Bit eines Bytes zuerst übertragen wird, verwendet etwa I²C.
• Least-Signifikant-Bit-First (LSb), in der das niedrigstwertige Bit eines Bytes zuerst übertragen wird, ist zum Beispiel für RS-232 und Ethernet-Frames festgelegt.

Vereinbarungen

Folgende Aussagen, über die in der Literatur hochgradiger Konsens besteht, seien als Ausgangsbasis für die Diskussion und Definition der Sachverhalte explizit gemacht:

• Der Arbeitsspeicher kennt eine kleinste adressierbare Einheit, auch „Speicherstelle“ genannt. In diesem Artikel sei sie exemplarisch das Byte. Es besteht aus 8 Bits und sein Inhalt wird in diesem Artikel vorwiegend mit zwei hexadezimalen Ziffern angegeben, wobei jede Ziffer für 4 Bits entsprechend einem Halbbyte (Nibble) steht. Die kleinste adressierbare Einheit könnte aber auch aus einer anderen Anzahl von Bits bestehen, oder, wenn die Maschine im Dezimalsystem rechnet, eine Dezimalziffer beherbergen.
• Die (Byte-)Adressen des Arbeitsspeichers sind nicht-negative ganze Zahlen.
• Ein (einfaches) Datenfeld wird im Arbeitsspeicher in einem zusammenhängenden Speicherbereich (einer lückenlosen Folge von Adressen) abgelegt, der eine Anfangs-(Byte-)adresse und eine (Byte-)Länge hat.
• Die Maschinenbefehle adressieren ein Datenfeld über seine Anfangsadresse. Ganz analog spielt in Assemblersprachen und in höheren Programmiersprachen die Anfangsadresse die Rolle eines Zeigers zum Datenfeld.
• Das Byte an der Anfangsadresse wird häufig als das linke, das an der Endadresse als das rechte Byte bezeichnet (siehe Bit-Reihenfolge). An diese Orientierung halten sich horizontale graphische Darstellungen von Datenfeldern sehr häufig, aber nicht immer.
• Ein Byte innerhalb eines einfachen Datenfelds hat zu dessen Anfangsadresse einen (nicht-negativen) Abstand, der als Offset bezeichnet wird.
• Betrachtet werden numerische Daten, die im Speicher entsprechend einem Stellenwertsystem dargestellt sind. Bei einem solchen System kommt einer Ziffer neben ihrem Wert als einzelnem Zeichen noch ein (von ihrer Position innerhalb der ganzen Zahl abhängiger) Stellenwert zu, auch „Wertigkeit“ oder „Signifikanz“ genannt.
• Die in Handbüchern und unten vorkommenden hexadezimalen Notationen 3A4B5C6Dh oder 0x3A4B5C6D bezeichnen einen Zahlwert, und zwar die Zahl 978.017.389, und nicht ihre Darstellung im Speicher, es sei denn, man meint die Speicherung 3Ah4Bh5Ch6Dh. Will man eine andere Art der Speicherung derselben Zahl 0x3A4B5C6D angeben, so muss man auf andere Notationen ausweichen, wie auf 6Dh5Ch4Bh3Ah oder 0x6D,0x5C,0x4B,0x3A.
• Generell multipliziert ein Links-Shift eine Binärzahl mit einer Zweierpotenz, verschiebt also die Bits in Richtung „Big-End“ (= Richtung most significant bit), und ein Rechts-Shift dividiert durch eine solche, verschiebt die Bits in Richtung „Little-End“ (= Richtung least significant bit). Die Shift-Operationen induzieren eine eindeutige konsistente »Adressierung« von den Bytes auf die Bits (s. dazu den Abschnitt Adressierung von Bits). (Die links-rechts-Orientierung bei Shift-Instruktionen ist etwas Anderes und völlig unabhängig von derjenigen bei der Adressierung mit links = niedrige und rechts = hohe Adresse.)

Steigt bei einer im Speicher abgelegten Zahl die Wertigkeit einer Stelle mit der wachsenden Adresse, dann ist sie im Little-Endian-Format dargestellt.

Fällt bei einer im Speicher abgelegten Zahl die Wertigkeit einer Stelle mit der wachsenden Adresse, dann ist sie im Big-Endian-Format dargestellt.

Wird bei einem Computersystem eines dieser beiden Formate für die Speicherung numerischer Felder durchgehalten, so wird das erste als Little-Endian-, das zweite als Big-Endian-System bezeichnet.

Beispiel: Speicherung einer 32-Bit-Ganzzahl in 4 Bytes

Das Beispiel in der Grafik stellt die Ganzzahl 168.496.141 als 32-Bit-Integer-Wert dar (hexadezimal: 0A0B0C0Dh), gespeichert in 4 Bytes ab einer angenommenen Speicheradresse von 10000:

• Big-endian speichert 168496141 = 0A0B0C0Dh in der Reihenfolge 0Ah0Bh0Ch0Dh.
• Little-endian speichert168496141 = 0A0B0C0Dh in der umgekehrten Reihenfolge der Bytes 0Dh0Ch0Bh0Ah.

Einige ältere Systeme (z. B. PDP-11) speichern die Bytes auch in der Reihenfolge 0Bh0Ah0Dh0Ch (aber nicht als 0Ch0Dh0Ah0Bh). Dies wird als mixed-endian oder auch middle-endian bezeichnet.

Einige Systeme speichern sowohl big-endian als auch little-endian, was als bi-endian bezeichnet wird.

Reihenfolge der Ziffern innerhalb von Zahlen in der Sprache

Auch die gewöhnliche Darstellung von (Dezimal-)Zahlen ist – im Sinne der Leserichtung der meisten europäischen Sprachen von links nach rechts – big-endian. Dies kommt dadurch zustande, dass die Ziffernreihenfolge der indisch-arabischen Zahlen bei den Schriften Mitteleuropas beibehalten wurde. Im Arabischen, das sich von rechts nach links liest, werden die Zahlen gleich geschrieben, d. h. für Zahlen unter 100 werden sie als „little-endian“ gelesen (für Zahlen ab 100 werden sie „big-endian“ gelesen). Auch im Deutschen werden die Zahlen von 13 bis 99 little-endian ausgesprochen: „Ein-und-Zwanzig“; die Eins als weniger wertige Stelle wird zuerst gesprochen (diese Reihenfolge gibt es auch in anderen Sprachen).

Ein Beispiel für Dezimalzahlen: In der gebräuchlichsten Darstellung (big-endian) wird die Dezimalzahl Eintausend-zweihundert-dreißig dargestellt als „1230“, wobei die „1“ die Wertigkeit 1000 hat, die „2“ die Wertigkeit 100 und die „3“ die Wertigkeit 10. In der „Little-Endian“-Darstellung ist es umgekehrt, so dass die Darstellung der Zahl „0321“ wäre (ausgesprochen vielleicht „Dreißig-Zweihundert-Eintausend“).

Kontexte des Byte-Reihenfolge-Problems

Das Problem der Byte-Reihenfolge betrifft solche Datentypen, die aus mehreren Byte zusammengesetzt sind und vom jeweiligen Prozessor direkt unterstützt werden, also hauptsächlich Ganzzahl- und Gleitkommatypen, sowie Datentypen, die vom Prozessor effektiv als solche interne Datentypen behandelt werden, z. B. UTF-16.

Um dieses Problem bei Unicode-Zeichen zu umgehen, wird oft eine Bytereihenfolge-Markierung (BOM) benutzt. In einem Hex-Editor sieht ein Text folgendermaßen aus:

00 44 00 69 00 65 | D i e| BOM 00 44 = FE FF am Dateianfang ${\displaystyle \Rightarrow }$ UTF-16 Big Endian / UCS-2BE
44 00 69 00 65 00 |D i e | BOM 44 00 = FF FE am Dateianfang ${\displaystyle \Rightarrow }$ UTF-16 Little Endian / UCS-2LE

Plattformübergreifende Darstellung von Zahlen

Um einen fehlerfreien Datenaustausch zwischen Computern verschiedener Plattformen zu ermöglichen, ist bei Netzwerkprotokollen immer die Byte-Reihenfolge festgeschrieben. Diese wird als „Network Byte Order“ bezeichnet. Die natürliche Byte-Reihenfolge des Systems wird demgegenüber als „Host Byte Order“ bezeichnet. Arbeitet das System nicht mit dieser Byte-Reihenfolge, so muss diese im Netzwerktreiber beziehungsweise zum Teil im Anwendungsprogramm entsprechend umgewandelt werden.

Im Falle des heute vornehmlich verbreiteten Internetprotokoll-Satzes entspricht die Network Byte Order dem Big-Endian-Format. Es existieren jedoch noch immer Protokolle, die eine andere Byte-Reihenfolge verwenden. Darüber hinaus gibt es Datentypen, die nicht oder nicht nur durch die Endianness charakterisiert sind, wie z. B. Gleitkommazahlen, bei deren Umwandlung auch Genauigkeitsverluste möglich sind.

In der auf den meisten Betriebssystemen angebotenen BSD-IP-Socket-API existieren zur Umwandlung der Byte-Reihenfolge sechs Funktionen:

Die korrekte Umwandlung ist garantiert für vorzeichenlose Ganzzahlen. Negative Ganzzahlen werden korrekt umgewandelt, wenn sie im Zweierkomplement dargestellt sind und die Bitbreite übereinstimmt.

Auf Big-Endian-Maschinen sind diese Funktionen trivial, da Host- und Network-Byteorder identisch sind.

Für Programmierer von Netzwerkanwendungen empfiehlt sich die Verwendung dieser Funktionen, da sich der Quellcode dadurch auch auf andere Systeme übertragen lässt.

Die Auswahl der zur laufenden Hardware passenden Implementierung geschieht normalerweise implizit durch das Betriebssystem – im Notfall auch durch den Benutzer beim Download.

Der Endianness-Typ einer Maschine lässt sich programmtechnisch wie folgt feststellen:

 union {
   uint16_t sixteenBits;
   uint8_t twoBytes[2];
 } test_endianness;

 test_endianness.sixteenBits = 1 << 15; // 0x8000, 32768
 if (test_endianness.twoBytes[0] != 0) {
    // Das Programm läuft auf einer Big-Endian-Maschine.
 }
 else {
    // Das Programm läuft auf einer Little-Endian-Maschine.
 }

In der BitConverter-Klasse des .NET Framework gibt es das Feld IsLittleEndian, das den Endianness-Typ (der laufenden Hardware) abzufragen gestattet.

Byte-Order-Probleme können auch beim Austausch von Dateien sowie zum Teil beim Austausch von Datenträgern zwischen verschiedenen Plattformen auftreten. Hier muss entweder durch eindeutige Definition des entsprechenden Dateiformats beziehungsweise Dateisystems oder durch einen Kompatibilitätsmodus, der während des Ladens eine Erkennung und eventuelle Umwandlung durchführt, Abhilfe geschaffen werden.

Die Problematik der Darstellung von Daten auf unterschiedlichen Systemen und ihres Austauschs wird ganz allgemein adressiert von der Darstellungsschicht des OSI-Modells.

Wichtige Eigenschaften

Bei den ersten Mikroprozessoren waren dies nur 4 Bit (später dann lange Zeit 8 Bit). Der Adressbus ist aber bei diesen CPUs wesentlich breiter. Damit ergab sich die Notwendigkeit, Daten mit einem Befehl zu laden oder zu speichern, welche auf mindestens zwei gekoppelte Register verteilt waren. Um die Komplexität der CPU zu verringern (jede einzelne Transistorfunktion war noch teuer) war es einfacher, bei jeder Operation automatisch das niederwertige „Datenhäppchen“ zu laden, während dieser Speicheroperation konnte dann der Befehl weiter dekodiert und gegebenenfalls die weiteren Daten im nächsten Zyklus bearbeitet werden. Bei Großrechnern („main frames“) bestand dieses Problem weniger, da sie damals schon mit Datenbus-Breiten von 16 bis 48 Bit arbeiteten, diese also in einem einzigen Speicherzyklus laden konnten und somit die (Byte)-Reihenfolge keine Rolle spielte.

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Beispiel: Interpretation eines Hexdumps

Der Zweck eines Dumps ist die eindeutige Darstellung des Speicherinhalts bspw. zur Fehleranalyse. Bei Maschinen, deren Speicherstelle (Byte) aus 8 Bits besteht, wird hierfür die Darstellung im Hexadezimalsystem gewählt, bei dem die 2⁸ = 256 = 16² verschiedenen Inhalte eines Bytes in 2 Hexadezimalziffern ausgedrückt werden. Dieser Codierung, die sowohl Binärwerte wie Maschineninstruktionen wie Dezimalwerte im BCD-Code unmittelbar abdeckt, wird üblicherweise eine Spalte beigegeben, die jedes einzelne Byte sofern möglich als alphabetisches Zeichen darstellt, so dass eventuell im Speicher vorhandene Texte leichter erkannt und lesbar werden.

Das folgende Beispiel zeigt, wie zwei aufeinander folgende Bytes (4 Halbbytes) in einem Hexdump mit dem lesbaren hexadezimalen Inhalt a732 zu interpretieren sind.

Besteht das Feld nur aus einem einzelnen Byte (8-Bit-Binärzahl mit oder ohne Vorzeichen) oder einer Ansammlung davon (bspw. Text im Code ISO 8859) – in der Tabelle die Spalten „2 vorzeichenlose 8-Bit Binärzahlen“ –, dann unterscheidet sich die Interpretation bei den beiden Formaten big- oder little-endian nicht. Zwar ist zwischen den beiden Formaten die interne Reihenfolge der Bits pro Byte genauso gespiegelt wie die der Bytes pro Integer (s. Bitwertigkeit#Adressierung von Bits). Durch die Maßgaben der Hexadezimaldarstellung ist der Hexdump aber Byte für Byte vollkommen festgelegt, so dass sich big- oder little-endian nicht unterscheiden.

Besteht das Feld aus mehr als einem Byte, kommt bei little-endian die sogenannte „Intel-Konvention“ zum Zuge. Diese besagt, dass – anders als bei big-endian – das niederwertige Byte auf der niederen Speicheradresse abgelegt wird und die höherwertigen Bytes auf den nachfolgenden Speicheradressen. Im Ergebnis sind bspw. bei ganzzahligen Feldern der Länge 16, 32 oder 64 Bits die beiden Hexdump-Darstellungen byteweise Spiegelungen voneinander. Zur Verdeutlichung ist in der Tabelle bei den Spalten „1 vorzeichenlose 16-Bit Binärzahl“ der Inhalt des ersten der 2 Bytes mit einem Überstrich versehen.

Verwendung und Hardware-Beispiele

Etymologie

Die Bezeichnungen gehen auf den satirischen Roman Gullivers Reisen von Jonathan Swift zurück, in dem die Bewohner des Landes Liliput in zwei verfeindeten Gruppen leben: Die einen schlagen ihre Frühstücks-Eier am dicken, „großen“, englisch „big“, Ende auf und werden deshalb als Big Ender bezeichnet, während die Little Ender die Eier am spitzen, „kleinen“, englisch „little“ Ende öffnen. Swift spielte damit auf die Abspaltung der englischen Kirche (Spitz-Ender) von der katholischen Kirche (Dick-Ender) an – in Zusammenhang mit der Byte-Reihenfolge wurde dies erstmals 1980 von Danny Cohen in dem Aprilscherz-Paper On Holy Wars and a Plea for Peace gebracht.

Weblinks

• Danny Cohen: On Holy Wars and a Plea for Peace. IETF, IEN (Internet Experiment Note) 137, 1. April 1980 (englisch).
• White Paper: Endianness or Where is Byte 0? (PDF; 155 kB) 3bc.bertrand-blanc.com (englisch).

Einzelnachweise und Anmerkungen

1. ↑ Standard/um2cRERx4S4C?gbpv=1&pg=RA3-PA8 MIL-STD-188-100, Seite: B-8, Abbildung: 3, 1972.
2. ↑ Dies gilt vor allem für Maschinen, bei denen die Länge der Operanden im Maschinenbefehl codiert ist.
   Nicht in dieses Schema passen Maschinen wie die IBM 1401, bei der sogenannte „Wortmarken“ im Speicher die Ausdehnung der Speicheroperanden bestimmen. Solche Maschinen können – je nach Maschinenbefehl – ein aus (mehreren zusammenhängenden Speicherstellen bestehendes) Feld an seiner niedrigen oder seiner hohen Adresse ansprechen und zum anderen Ende hin abarbeiten; so adressiert beispielsweise der Addieren-Befehl der IBM 1401 die Operanden an der Einerstelle (bei dieser Maschine an der hohen Adresse) und arbeitet sich zur Wortmarke vor. Beim Dividieren-Befehl wird der Dividend an der höchstwertigen Stelle (der niedrigen Adresse) und der Divisor an der Einerstelle angesprochen. IBM 1410 Principles of Operation. (PDF; 22 MB) informatik.uni-stuttgart.de, S. 9; abgerufen am 3. November 2014.
3. ↑ Dieser Zusammenhang zwischen Byte- und Bit-Reihenfolge wurde schon von Cohen (p. 3) hergestellt.
4. ↑ Der Vergleich von Zeichenketten durch Maschineninstruktionen oder die C-Funktionen memcmp() und strcmp() startet auf jeder Maschine am Anfangsbuchstaben der Zeichenkette und wertet damit die Stellen niedriger Adresse als höherrangig, agiert also im Big-Endian-Stil. Man nennt diese Übertragung der Ordnung von den einzelnen Bytes auf mehrstellige Felder, wenn sie bei der ersten Stelle beginnt, die lexikographische Ordnung. (strncmp. In: cppreference.com. Abgerufen am 26. März 2015 (englisch). )
   Die Erwähnung von Zeichenketten („Strings“) in der Literatur, z. B. Big and Little Endian C-style strings und Byte Ordering, im Kontext der Endianness beschränkt sich häufig auf die Übertragungsweise.
5. ↑ msdn.microsoft.com
6. ↑ Obwohl bspw. der C- oder C++-Compiler selbstverständlich „wissen muss“, für welchen Endianness-Typ er kompiliert, gibt es keine standardisierte #define-Konstante, die den Endianness-Typ abzufragen gestattet. ISO/IEC 14882:2014, auch bekannt als C++14. iso.org; abgerufen am 21. Mai 2016.
7. ↑ Damit der potentiell sehr viele Maschinenzyklen umfassende Befehl den Hauptprozessor nicht monopolisiert, ist er unterbrechbar konzipiert und kann nach einem Hardwareinterrupt an der Stelle fortgesetzt werden, an der er unterbrochen worden ist. (Siehe ESA/390 principles of operation, chapter 7-44 General Instructions SA22-7201-08 ESA/390 Principles of Operation. In: boulder.ibm.com. Abgerufen am 25. Juni 2014 (englisch). )
8. ↑ memcmp. In: cppreference.com. Abgerufen am 6. März 2014 (englisch). 
9. ↑ Gerd Küveler, Dietrich Schwoch: Informatik für Ingenieure und Naturwissenschaftler: PC- und Mikrocomputertechnik, Rechnernetze. 5. Auflage. Band 2. Vieweg, reprint: Springer-Verlag, 2007, ISBN 978-3-8348-9191-4 (google.de). 
10. ↑ AVR32 Architecture Document. (PDF; 5,1 MB) Atmel, November 2007
11. ↑ Jeff Scheel: Little endian and Linux on IBM Power Systems. Answers to your frequently asked questions. In: IBM Developer. 16. Juni 2016, abgerufen am 14. Juli 2019 (englisch). 
12. ↑ On Holy Wars and a Plea for Peace