GPIB命令的数据结构

刘建纯

（北京邮电大学 信息与通信工程学院，北京 100876）

1965年，惠普公司设计了一种用于连接计算机和可编程仪器的总线—惠普接口总线（HP-IB）[1]，由于其结构简单、传输速率较高，很快得到普及。1975年，IEEE对惠普接口总线进行了标准化[2]，并更名为通用接口总线GPIB（General Purpose Interface Bus）。GPIB技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，可以很方便地把多台仪器相组合，形成自动测量系统。

典型的GPIB系统由1台PC机、1块GPIB接口卡和若干台GPIB形式的仪器通过GPIB电缆连接而成。1台上位机（控制GPIB设备的计算机）可以控制多个GPIB接口，各个设备的信息传递就是通过这些接口卡收发GPIB命令来实现的。

本文通过分析GPIB命令的标准格式，讨论了在基于C++的环境下设计通信程序时，如何使程序设计逻辑分明，减少出错，同时使代码高效运行。从数据结构中“树”的概念出发，对普通的树进行改造，形成特有的“GPIB命令树”。

1 GPIB命令的格式

图1是某仪表的GPIB命令。AFGenerator和CALL是两组功能不同的命令集，前者是频率发生器方面的，后者是电话呼叫方面的。AFGenerator和CALL是第1级命令，称为根结点，连在它们后面的是下一级命令，称结点。在同一组命令里，：FREQuency与：VOLTage同级，同样：SAMPlitude，：AMPLitude，：STATe 是同级结点，如此类推。同组命令里，在每一级别里选出1个命令，按前后级的顺序排列，就构成一个完整的GPIB命令，即可发送出去。图1给出GPIB命令格式说明示例。

图1 GPIB命令格式说明示例

通过分析可得到GPIB标准命令格式的规则如下：

1）命令一般由大小写英文字母和“：”组成。 例如：“CALL：CCPChannel：PRIMary”。

2）命令中的大写字母部分是必须有的，小写字母部分则是可选的。 例如：命令“CALL：CCPChannel：PRIMary”也可写成“CALL：CCPC：PRIMary”或“CALL：CCPC：PRIM”。

3）命令是以“：”分隔不同级别的命令。例如：命令“CALL：CCPChannel：PRIMary”中，“CALL”是第 1 级命令，“CCPChannel”是第 2 级命令，“PRIMary”是第 3 级命令。

4）当命令带有参数时，用空格将命令和参数隔开，命令有多个参数时，用 “,”将不同参数隔开。例如：“CALL：CCPChannel：PRIMary-6”，“SYSTem：TIME 8，59，59”。

5）命令集中带有“[]”的命令在使用时“[]”中的部分可以省略，且不能带有“[]”。 例如：“SYSTem：APPLication[：CURRent][：NAME]”在使用时可以写成“SYSTem：APPLication”、“SYSTem：APPLication：CURRent”、 “SYSTem：APPLication：NAME”、 “SYSTem：APPLication：CURRent：NAME” 或 “SYSTem：APPLication：CURR：NAME”。

6）在某些情况下，可以将几条命令复合在一起，用“;”将相同级别的子命令隔开。例如：命令 “CALL：REGister”和“CALL：CONNected” 可以写成“CALL：REGister；CONNected”，命令“CALL：FPAChannel-8”和“CALL：PICHannel-5”可以写成“CALL：FPAChannel-8；PICHannel-5”。

7）使用查询功能的命令时以 “?”结尾。例如：“CALL：CCPChannel：PRIMary?”、“CALL：CCPChannel：SECOndary?”。

8）不可查询的命令不能以“?”结尾。 例如：“CALL：REG-ister：STARt?”和 “CALL：ORIGinate?”都是错的。

9）命令中间不允许出现空格。 例如：“CALL：CCPChannel：PRIMary”和“CALL：CCPChannel：PRIM ary”都是错的。

10）IEEE488.2[2-3]中规定了一个公共命令集，它是一组公共命令的集合，公共命令都以“*”开始，且只有一级。例如：*IDN?表示该命令只能查询；*CLS表示该命令不可查询；*ESE表示该命令要带参数。

2 GPIB命令的数据结构

2.1 数据结构的选择

依据数据元素之间的关系，数据结构可分为线性结构和非线性结构两大类。

从GPIB命令格式可以看到，GPIB各个命令前部分有很多相同之处，以分支关系定义的层次结构非常明显。对比以上对线性结构和非线性结构特点的分析，很容易联想到使用非线性结构中“树”[4]的概念来构建一个GPIB命令集。GPIB标准命令格式的规则规定：命令以“：”分隔不同级别的命令；在最前面的命令级别最高，以冒号为标识，后面的命令级别依次降低，对应树的层次关系就是最前面的命令在树的顶层，后面的命令在树中的层次依次降低。由此确定GPIB命令的数据结构为“树”[5]。

图2给出树的逻辑表示，它形如一棵倒长的树。其中A是根结点，一般都在树的顶部。其余结点分成3个互不相交的子集：T0={B，E，F，K，L}，T1={C，G}，T2={D，H，I，J，M}， 它们都是根结点A的子树。再看T0，它的根是B，其余结点又可以分成2个互不相交的子集T00={E，K，L}，T01={F}，它们是T0的子树。由此可知，树的定义是一个递归的定义，即树的定义中又用到树的概念。

图2 树的逻辑示意图

确定GPIB命令的数据结构为“树”，仅是得到一种数据结构的设计思路；而根据树的形状特点，树又分为多种树形，因此下面将讨论如何设计GPIB命令树的树形。

2.2 GPIB命令树的树形设计

GPIB命令集由IEEE488.2公共命令集和仪表子系统命令集构成。设计GPIB命令树时必须考虑以下因素：

1）IEEE488.2公共命令集和仪表子系统命令集无公共根结点，因此不能设计成只有一个根结点的树，至少需要2棵独立的树。

2）IEEE488.2公共命令集都以“*”开始，且只有一级。

3）仪表子系统的子命令集功能各不相同，因此仪表子系统子命令集对应的树也不能设计成只有一个根结点，需要多个根结点，表示多棵树。

4）仪表子系统的子命令集在开发过程中不断添加、修改，所以结点的度是不确定的，有的结点度比较大，有的结点比较小甚至为0。根据这些因素，以下将讨论两种不同的设计方案。

注意：这里讨论的GPIB树的设计是针对上位机而言的。实际上，各个GPIB设备本身就存有GPIB命令集，以便对不同的GPIB命令作出相应的响应，可以用不同的数据结构实现[6]，很有可能用的不是上面讨论的GPIB树，有可能是二叉树或其他。从上位机软件设计的角度来看，是为了让用户知道所发的命令及其格式是正确，因为GPIB设备只对正确的GPIB命令作出响应，而对错误的GPIB命令则不做任何动作，包括返回错误。因此，在上位机软件里设计一个跟GPIB设备相同的GPIB命令是必要的，只是在数据结构和存储方式方面会有差异。

2.2.1 GPIB命令的树形设计方案1

根据上述分析，最直观也最易想到的方案如图3所示。

图3 GPIB命令的树形设计方案1

对应设计GPIB树时必须考虑的因素，其特点如下：1）IEEE488.2公共命令集的树和仪表子系统命令集的树分别独立；2）IEEE488.2公共命令集的树一个结点为一棵；3）仪表子系统命令集的树根据第1级命令的不同，设计成多棵树。

此方案的优点在于逻辑思路很简单，完全根据GPIB命令的基本特点设计；同时，在考虑程序实现树的构造时，其缺点又是明显的：1）仪表子系统命令集的树中，结点的度根据GPIB命令的需要而改变，没有确定的大小。仪表子系统命令集的树的度不能确定，则结点的数据结构难以设计，因为不能确定需定义的结点指向子树的变量的个数，定义过多会浪费较多的空间资源，定义不足则不能实现树的构造。这也是此方案最大的缺点。2）另外，根据该设计，IEEE488.2公共命令集的树应有2棵，仪表子系统命令集的树应有8棵，树的数目太多，不便于管理。

2.2.2 GPIB命令的树形设计方案2

针对方案1的缺点，综合考虑，设计出新型的GPIB命令树的树形。注意，这种新型的树和通常所说的树的结构不太一样，是树的变形。GPIB树的树形设计方案2如图4所示。

图4 GPIB命令的树形设计方案2

其特点如下：1）IEEE488.2公共命令集的树和仪表子系统命令集的树分别独立。这点和方案1相同；2）IEEE488.2公共命令集的树只有1棵，而且各个结点同在一层；3）仪表子系统命令集的树也只有1棵，根据功能划分为不同的子树，无公共根结点；每棵子树的根结点相连接；4）仪表子系统命令集的每棵子树中原来同层的兄弟结点直接相连。如{H，I}，{J，K，L}，{N，O，P}； 所有的双亲结点只与第 1 个兄弟结点相连。如D只和H相连，E只和J相连，I只和M相连，J只和N相连。相对普通的树，这种GPIB树的最大特点是：同层的结点则对应同级的 GPIB 命令。 如 D：H 和 D：I：M，H、I同级，则H、I在树中同层。

相比方案1，其优点有：1）仪表子系统命令集的树的度为2（1个结点最多要指向其他2个结点），那么在设计结点的数据结构时就有了依据，指针域只需定义2个变量即可实现树的连接生成；2）生成的树只有2棵，即EEE488.2公共命令集的树和仪表子系统命令集的树，易于维护管理。

与方案1相比，这种树形逻辑简单，同层的结点则对应同级的GPIB命令；而且程序设计也较容易实现。尽管这种树形不是书本中通常讨论的树，例如它没有根结点、兄弟结点之间是直接相连等，但它的层次关系还是与通常的树一样，原来同一层次的还是同一层次。而这样变形可简化程序实现，改善程序效率。

基于以上优点，选择此树形为GPIB命令树。按照这种方案的设计思想，最终GPIB树如图5所示。

图5 GPIB命令树示意图

3 结论

本文针对GPIB命令的结构特点，为利于程序设计，提出一种存储GPIB命令的数据结构。考虑到程序实现的效率以及管理维护方面的因素，对普通的树进行改造，形成本文特有的“GPIB命令树”。这种树形逻辑上简单，易懂，同层的结点则对应同级的GPIB命令，在程序设计上也较容易实现，提高了程序执行的效率。为以后开发基于GPIB总线技术的控制系统打下了基础。

[1]杨乐平，李海涛，肖 凯，等.虚拟仪器技术概论［M］.北京：电子工业出版社，2003.

[2]IEEE Std 488.2.IEEE standard digital interface for programmable instrumentation-part2：codes，formats，protocols，and common commands for use with IEEE Std 488.1-1987［S］.1992.

[3]National Instrumentation Corporation.NI-488.2 function reference manual for Windows[DB/OL].1999.http：//www.ni.com/pdf/manuals/321038g.pdf.

[4]朱战立.数据结构—使用 C++语言［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2001.

[5]殷人昆，陶永雷，谢若阳，等.数据结构（用面向对象方法与C++描述）［M］.北京：清华大学出版社，1999.

[6]严蔚敏，吴伟民.数据结构（2）［M］.北京：清华大学出版社.1991.