基于最優(yōu)解空間樹的SCPI解析器設計

于魯波

【摘要】提出一種基于解空間樹的通用SCP I命令解析器實現(xiàn)方案。先將SCPI命令集標識成一棵解空間樹，給樹中每個節(jié)點賦予不同的屬性。進行命令解析時，采用貪心算法，搜索解空間樹的路徑，尋找最優(yōu)的匹配解。試驗證明針對SCPI規(guī)范的各種等效變種命令，該算法具有非常好的普適性。

【關鍵詞】SCPI命令;解空間樹;貪心算法;SCPI解析器

1.引言

SCPI（ Standard Commands for Programmable Instruments）是一種標準化的程控儀器編程語言，采用標準語法格式描述儀器功能，為所有儀器儀表提供了一個廣泛兼容的編程和數(shù)據(jù)使用環(huán)境。SCPI命令具有縱向兼容性，橫向兼容性和功能兼容性，最大限度的保證了SCPI命令在控制儀器中的靈活性。根據(jù)SCPI99[1]規(guī)范，SCPI指令同時具有長命令名和短命令名，命令中某些節(jié)點可以作為缺省節(jié)點忽略，導致SCPI命令使用靈活，會產(chǎn)生大量的變形等效命令。如何將這些等效命令編譯成同一條執(zhí)行指令是SCPI解析器設計的一個難點。

目前常見的SCPI解析器，如文獻[2]將SCPI指令提前寫入應用程序，如果修改SCPI指令或者將SCPI解析器移植到其他程序，就需要重新修改程序，使用不靈活。文獻[3]雖然提出用XML文件描述SCPI指令，但是在描述SCPI指令的時候，沒有充分發(fā)揮XML的自描述性和樹形結構，因而無法識別全部的等效命令。本文將解空間樹這一技術引入到SCPI解析器設計，通過設計相應的貪心算法，解決了SCPI的等效命令問題。

本文結構如下，第2節(jié)介紹SCPI語法和解空間樹的基本概念與模型;第3節(jié)提出基于解空間樹的SCPI解析器生成算法;第4節(jié)最后介紹研究意義和進一步的研究方向。

2.SCPI語法與解空間樹

2.1 SCPI語法簡介

SCPI是一個基于標準IEEE488.2建立的，適合所有儀器的命令集。其主要目的是為了使相同功能具有相同的程控命令，以實現(xiàn)程控命令的通用性。整個SCPI命令可以分為兩個部分：一部分IEEE488.2公用命令，以“* ”開頭，要求儀器必須執(zhí)行;另一部分SCPI儀器特定控制命令。特定命令是以樹型結構組織的字符串集，以“：”開頭， 節(jié)點之間也是以“：”間隔。每個節(jié)點的字符串都有長格式和短格式兩種寫法， 而且根據(jù)儀器需要， 部分命令還會有獨立的后綴。對于缺省節(jié)點，還可以省略。SCPI命令使用一個相似于文件系統(tǒng)的結構，這種命令結構被稱為命令樹。最靠近頂端的命令稱為根命令，其次為第一級命令，第二級命令等。因而，對于一條特定的SCPI命令必須根據(jù)一個特定的路徑才能到達下一層命令。

2.2 解空間樹

解空間樹又稱為狀態(tài)樹。 它是一棵樹，在這棵樹中，包含著問題的所有解。對于給定的問題，如何在解空間樹上尋找問題的最優(yōu)或者次優(yōu)解，一般需要用到貪心算法作為空間樹回朔的依據(jù)。解空間樹的解是一條從根節(jié)點到問題解葉節(jié)點的路徑。SCPI命令本身以命令樹的形式存在，因而，給定一條SCPI命令字符串，能否完全在命令樹上找到其對應的解路徑，成為解析SCPI命令的關鍵。在本文中，將XML文件引入到SCPI解析中，采用XML描述系統(tǒng)的SCPI命令集。解析該XML文件，在計算機內(nèi)存中形成一棵解空間樹。對于從程控端收到的SCPI指令，通過搜索該解空間樹，判斷接收到的SCPI命令是否合法。對于合法的SCPI指令編譯其執(zhí)行碼，執(zhí)行SCPI命令。不合法的SCPI命令則返回相應的編譯錯誤。

3.SCPI解空間樹算法實現(xiàn)

3.1 SCPI命令配置文件

通過編寫不同的SCPI命令腳本可以生成不同的SCPI指令集。SCPI命令腳本采用XML描述SCPI指令，不同命令節(jié)點分配不同的屬性。這樣一棵命令樹就形成了一個解空間，通過搜索解空間樹，來解釋不同的命令。SCPI命令配置文件部分如圖1所示。

圖1 SCPI命令配置腳本

3.2 腳本節(jié)點屬性

SCPI命令配置腳本采用XML語言描述。由于XML具有非常突出的自描述性，為動態(tài)配置SCPI指令集提供了方便。

配置腳本根節(jié)點為“scpi”，子命令節(jié)點全部為“cmd”。根節(jié)點僅有一個“version”屬性，表示此SCPI配置腳本當前的版本號，用于向上兼容SCPI解析器引擎。“cmd”節(jié)點有5種節(jié)點屬性，具體如下：

1）name：SCPI命令符。配合cmd節(jié)點層次，用于區(qū)分不同的SCPI命令。

2）type：SCPI命令類型。命令符在SCPI命令串中是否為缺省節(jié)點。取值為“mandatory”，該命令符不可省略節(jié)點;取值“optional”，可以省略節(jié)點。按照SCPI規(guī)范，處于同一層的SCPI命令符有且僅有一個節(jié)點可以作為默認節(jié)點。如果同一層出現(xiàn)多個默認節(jié)點，應當給出編譯錯誤。

3）canQuery：該SCPI命令是否支持詢問。取值“true”，可以詢問;取值“false”不可以詢問。該屬性省略時，默認為該命令不可詢問。

4）argsType：該SCPI命令所帶參數(shù)類型。用于檢驗接收到的SCPI命令是否符合標準規(guī)范。該節(jié)點取值類型與SCPI-99命令規(guī)范取值一致。該屬性僅在SCPI葉節(jié)點有效。

5）code：SCPI葉節(jié)點命令編譯執(zhí)行代碼。該屬性僅在葉節(jié)點命令有效。對于等價的SCPI命令會編譯出同一個執(zhí)行代碼。

該腳本文件被解析器解釋成一棵解空間樹，如圖2所示。圖中“[]”內(nèi)的命令符表示該節(jié)點是缺省節(jié)點，可以省略。

圖2 SCPI命令解空間樹

在該命令樹中，一級節(jié)點MEASure的子節(jié)點SCALar、VOLTage均為可省略節(jié)點。一級節(jié)點SOURce是可省略節(jié)點。

3.3 算法實現(xiàn)

SCPI解釋器工作流程分兩個階段。第一階段詞法分析。該階段會分析收到的SCPI命令字符串，并按照SCPI-99規(guī)范對命令進行語法檢查，如發(fā)現(xiàn)語法錯誤則返回錯誤代碼;否則將命令字符串按照SCPI語法規(guī)則分割成命令符集合和參數(shù)集合。第二階段搜索解空間樹。根據(jù)第一階段得到的命令字符集和參數(shù)集合，搜索解空間樹，編譯出指令碼。流程如圖3所示：

圖3 SCPI命令解析流程

貪心算法：如果解空間樹某一層沒有對應的節(jié)點命令，且該層有可省略節(jié)點，則遞進到該省略節(jié)點的子節(jié)點繼續(xù)搜索，否則回溯到解空間樹上一層節(jié)點。

按照SCPI-99規(guī)范，以圖2解空間樹構建的SCPI命令集，如下命令為等效命令，SCPI解析器需要編譯出同一條執(zhí)行代碼。

：MEASure：SCALar：VOLTage：FREQuency？ （1）

：MEASure：VOLTage：FREQuency？ （2）

：MEASure：SCALar：FREQuency？ （3）

：MEASure：FREQuency？ （4）

：MEA：SCAL：VOLT：FREQ？ ? ? ? ? （5）

根據(jù)算法的貪心策略，命令（1）通過搜索解空間樹，可以立即成功返回。命令（2）在搜索解空間樹到SCALar層時，無法匹配命令，但是該節(jié)點為可省略節(jié)點，繼續(xù)搜索其子節(jié)點。在SCALar的子節(jié)點匹配命令，成功完成命令樹搜索返回。同樣命令（3）在匹配VOLTage節(jié)點時失敗。但是該節(jié)點為可省略節(jié)點，繼續(xù)搜索其子節(jié)點，在VOLTage的子節(jié)點匹配命令，成功完成命令樹搜索返回。命令（4）在搜索到SCALar節(jié)點匹配失敗，但是該節(jié)點為可省略節(jié)點，按照貪心算法的策略，遞歸到該節(jié)點的子節(jié)點VOLTage。在VOLTage節(jié)點匹配失敗，但是該節(jié)點為可省略節(jié)點，遞歸到該節(jié)點的子節(jié)點FREQuency，匹配成功返回。命令（5）為SCPI短命令格式，SCPI詞法分析器會自動辨認長短命令，匹配該命令。所以該命令也會成功返回。以上命令都會編譯唯一解代碼code=”0x010001”。命令執(zhí)行器將該代碼，交給儀器的Excutor。不同儀器的Excutor對該代碼執(zhí)行儀器特定的操作，完成SCPI指令的執(zhí)行。

4.結論

本文設計的SCPI解析器有兩個特點：1）采用XML語言將SCPI指令描述成解空間樹;2）設計了一個基于最優(yōu)解的貪心算法。對于給定的SCPI命令串通過搜索解空間樹，來判斷給定的SCPI命令串是否合法。該設計有如下優(yōu)點：1）通過書寫不同的XML腳本可以生成不同的SCPI命令集，無需修改修改SCPI解析引擎，就可以部署到不同的儀器上。2）解決了SCPI的等效命令問題。所有符合規(guī)范的SCPI等效命令都可以編譯成同一條執(zhí)行代碼。因而本文設計的SCPI解析引擎具有通用性、普適性，非常適合程控儀器的SCPI命令內(nèi)置執(zhí)行引擎。

參考文獻

[1]Standard Commands for Programmable Instruments（SCPI）.Consortiums SCPI standard[J].May，1999（6）.

[2]于紅雨，李智，劉暢.函數(shù)/任意波形發(fā)生器SCPI解釋器設計與實現(xiàn)[J].國外電子測量技術，2009（4）：70-73.

[3]孟德偉，唐承苗，秦開宇.基于XML的通用SCPI命令解析器設計[J].儀器儀表用戶，2010（17）：76-78.