以太网与GPIB 测量系统的对比和进展

摘要：
在测量系统中GPIB|0">GPIB已使用30多年，对以太网只有几年的经验。两种总线的特性对比结果非常相近，只是以太网的延迟要比GPIB 差得多。为克服此瓶颈，对以太网 引入IEEE1588协议，取得满意的结果。LXI将综合GPIB 、以太网IEEE1588 的优点成为新一代测量仪器接口标准。

关键词： GPIB 以太网 IEEE1588 LXI

Measurement system and improvement ethernet vs GPIBLi Yi

Abstract： GPIB has been accepted more than 30 years and Ethernet is a new comer in measurement system. The comparison of these two interfaces indicates that their main characters are near. But GPIB latency of 30 us is much better than Ethernet latency of 1000 us. To overcome the bottle neck of Ethernet, the IEEE 1588 protocol has been introduced to improve its latency. The next generation instrument interface LXI will combine all advantages of GPIB and Ethernet and IEEE1588.

Keywords： GPIB,Ethernet,IEEE1588,LXI.

0引言

测量仪器从20世纪70年代出现IEEE488总线以来，每隔十年左右就要推出新一代的仪器总线，如上世纪的VXI（80年代）、PXI（90年代）和最近推出的LXI。作为第四代的仪器总线LXI实际上是以太网的扩展，目标在于开发一种比IEEE488更适用的台式仪器接口。国家仪器公司（NI）仪器控制和VXI高级产品销售经理Alex McCorthy最近发表的文章"GPIB和以太网，选择更好的仪器总线"，勾划出两者的比较结果。以下介绍他的文章要点，以及这两种总线近年取得的进展。

1以太网和GPIB各有特点

人们很容易从直观出发，认为以太网具有较高的带宽和广泛的网络应用，顺理成章地代替使用三十多年的IEEE488总线（GPIB），这种结论并不准确。NI公司既生产图形编程软件LabVIEW，同时也生产GPIB和以太网接口的仪器，因此有条件对它们作特性的对比。对比测试的前题是评估哪一种总线的测试时间最短。经过客观的评估，得出的结论是"最佳的总线应根据应用要求的特性而定，因为这两种总线对所有测试作业各有优点和不足"。

为了真正实现对总线特性的评估，尽量减少被测仪器本身引入的影响，将测试作业分成6个较小的作业：设置状态、查询、数据传输（或数据块搬移）、服务请求、触发及中止。根据应用情况的不同，它们的顺序、数目、混合使用是不尽相同的。总测试时间等于多种小作业时间的总和。在测试过程中，所用的PC主机、仪器硬件和软件完全相同，只有总线不相同，这样足以反映被测总线的真实特征，突出数据传输和每秒作业数目等主要指标。

对比测试用的PC主机的配置：双奔腾4 CPU，时钟频率3GHz，4GB内存，两个Gb级以太网端口，显然这种高配置不会影响仪器总线的运行速度。被测仪器是带有嵌入式系统和数字I/O的A/D转换器，两种总线的接口芯片都采用最好的产品。硬件条件非常适合总线对比总线的测量，对GPIB来说只连接一个器件，对以太网来说只使用一条连接电缆，而且两种总线都没有经过开关、集线器等环节，后端仪器亦完全相同，为对比测试提供宽松的硬件条件。软件因素如嵌入式操作系统、固件、核心软件、输入输出缓存管理、命令分析器、控制逻辑等都会影响仪器总线的特性。对比测试所用的软件完全相同，而且测试运行前的起始状态亦一样，只有总线的电缆和虚拟仪器软件的结构源名称不相同，一个是GPIB电缆和GPIB语句，另一个是以太网电缆和TCP/IP语句。

2对比测试结果难分胜负

GPIB是1.8Mb/s的并行总线，相当串行传输率1.8×8=14.4Mb/s，100Mb/s的以太网代表当今PC最常用的串行端口，因而，以太网在传输率或带宽方面比GPIB高出100/14.4=7倍。然而，GPIB总线的延时约为30μs，以太网的延时则达到1，000μs左右，即在延时方面GPIB只有以太网的1/33倍，这两个重要参量的差异，将在对比测试结果中反映出来。有关设置状态、查询、数据传输的测试结果如表1和表2所示，表1归纳GPIB和以太网在设置状态和4字节传输时的相应每秒作业数；表2归纳GPIB和以太网在查询和256字节、4K字节、32K字节传输时的相应每秒作业数。

表1GPIB和以太网的作业速度对比（I）GPIB以太网GPIB/以太网设置状态5848次/秒863次/秒6.784字节传输4630次/秒944次/秒4.90表2GPIB和以太网的作业速度对比（II）GPIB以太网以太网/GPIB256字节传输171次/秒202次/秒1.184K字节传输11.4次/秒15.2次/秒1.3332K字节传输1.62次/秒1.93次/秒1.19查询105次/秒107次/秒1.02

从表1可见，GPIB在设置状态作业时要比以太网快6.78倍，在4字节的短数据传输时要比以太网快4.9倍。从表2可见，以太网在查询作业时比GPIB稍快1.02倍，在常用的256字节和4K字节传输中比GPIB快1.18倍和1.33倍，在32K字节的长数据传输时比GPIB只快1.19倍。为了对比测试更具客观性，设置状态采用对两种总线都通用的〈CLS〉命令，查询作业采用〈IDN〉命令，即通用的没有延迟的查询命令。每种数据传输字节都从仪器的输出缓存取得，重复运算50至1000次再求平均值。大部分查询作业约为4字节的数据长度，属于短数据的传输类型。对比测试的实测结果表明：第一，虽然以太网的数据传输率比GPIB快7倍，但是查询作业速度大体相同（1.02倍），中长数据传输的优势亦不是显著（1.33倍）。第二，已知GPIB的延迟时间比以太网短33倍，非常有利于短数据的传输，但是实际结果具有更大优势（40倍以上）。

如何发挥两种总线的优势，如何选择适用的总线呢？Alex Mc Carthy列举一个实例，他假设有两种测试情况，即评估测试和生产测试。评估测试要求更高分辨率、更多变量、更多置换、更多的原始数据，通常测试时间较长。生产测试要求较低分辨率、较少变量、较少置换，通常运行更多的单个测试，典型的生产测试采用更多的设置状态，使用合格/不合格结果，数据传输量不多，测试时间较短。据此假定评估测试的作业内容和生产测试的作业内容分别是：

·评估测试--设置状态100次，查询1，000次，短数据传输10次，长数据传输1，000次；
·生产测试--设置状态10，000次，查询1，000次，短数据传输100次，长数据传输10次。

根据评估测试和生产测试的相应作业内容，以及表1、表2列出的GPIB和以太网的对应作业的每秒运算速度，求得评估测试和生产测试的总运算时间分别是：

·评估测试--GPIB是629.3秒，以太网是527.3秒，GPIB/以太网之比等于119%；
·生产测试--GPIB是26.3秒，以太网是32.8秒，以太网/GPIB之比等于123%；

结果表明，在评估测试中以太网比GPIB快19%，在生产测试中GPIB比以太网快25%。换句话说，这两种总线在测量系统中难分胜负。

3以太网测试领域中的巨大潜力

Alex Mc Carthy详细介绍了NI公司所进行的GPIB和以太网在仪器控制应用中的对比测试结果，揭示了借助严格条件下获得的重要数据。让我们了解到GPIB作为第一代测量仪器总线的优点，经历三十多年仍然在台式仪器系统中发挥作用的原因，以及以太网作为仪器控制总线应用的不足之处，尽管以太网在中长数据传输略胜一筹，然而，延迟太长是它的不利因素。这种"就线论线"的对比测试存在某些不足，我们不妨多考虑几个问题：

第一，经济性。即使GPIB（IEEE488.1）和以太网（快速100Mb/s）在上述对比测试中不分胜负，但是在组网成本方面，以太网要便宜得多，节省费用一半以上，大众化的以太网产品趋向普及，价位还会下降。

第二，升级性能。GPIB已进入生命周期的稳定阶段，特性不会有较大的提高，NI公司曾完成将GPIB提速至8Mb/s（相当串行64Mb/s的传输率），并且被IEEE488小组接受为"高速IEEE488"，但用户屈指可数，绝大多数台式仪器仍然使用IEEE488.1标准。相对而言，以太网的数据传输率在不断扩展，步进是10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s和10Gb/s，目前最通用的是快速以太网（10/100Mb/s），Gb级以太网（1Gb/s和10Gb/s）的产品已可供使用，10Gb/s以上正在开发中。

第三，网络性能。GPIB属于测量仪器专用网，以太网作为局域网可通过服务器或网关接到企业网和广域网，实现无处不在的连接，在全球范围进行信息交换和远端控制，这是比GPIB优胜得多的特点。

第四，扩展性。目前还未见到有关GPIB升级或扩展应用的报导，以太网的仪器扩展（LXI）接口已经酝酿两年，LXI联合会于9月26日发布1.0版本规范。LXI仪器与以太网的兼容级别将有A、B、C三级，A级实现IEEE1588标准的硬件和软件的定时同步，B级实现IEEE1588标准的软件定时同步，C级只有以太网的定时能力。表明LXI接口拥有比以太网更好的延迟特性，这是通过IEEE1588协议标准来达到的，IEEE1588可实现网络分布系统中各模块的实时时钟同步。

应该承认，NI公司有关GPIB和以太网的对比测试是严谨的，结果可靠。但是，这种只就事论事的"就总线论总线"有不够全面的地方，以太网是面向通信的总线，而GPIB是面向仪器的总线。由于以太网的无处不在特点和经济实惠，在PC机作为标准配置和台式仪器大部分增加以太网接口的条件下，仪器供应商开始借助以太网用于测量和控制，此外，工业自动化、电信系统、电力系统、遥控遥测等领域都广泛利用以太网。这些应用对定时同步有较高要求，以太网的1，000μs延迟时间成为瓶颈，必须设法克服。

4以太网和IEEE1588协议

开发GPIB和LXI总线起最重要作用的安捷伦科技公司，自从与惠普公司分离成为独立的仪器供应商之后，即着手开发新一代的比GPIB更具影响力的LXI总线。1960年惠普开发HPIB是独家承担的，后来向全业界推广作为开放式仪器总线，1972年被业界接受为第一个程控通用仪器总线GPIB，然后批准成为IEEE488标准。1980年代至1990年代末惠普同时是GPIB仪器和VXI仪器的最大供应商，1999年成立的安捷伦科技继承了惠普的仪器业务和惠普传统，2004年将VXI产品线出售给VXI科技公司后，安捷伦科技和VXI科技共同发起LXI总线联合会，制订开放式LXI总线标准。由此可见，在仪器总线开发和实践方面安捷伦都具备足够的经验，选择以太网扩展成LXI接口总线必然是经过慎重考虑的。