嵌入式實時數(shù)據(jù)庫技術(shù)研究
2005年2月A
本文于2004年10月10日收到。劉 震：博士,主要從事計算機測控、嵌入式系統(tǒng)及故障診斷等方面的研究;羅 欣,博士,主要從事圖象處理與模式識別、嵌入式系統(tǒng)等方面的研究。
摘要：對嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能進行了分析,研究了嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特性,探討了在嵌入式環(huán)境下進行實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計的內(nèi)容及需要解決的相關(guān)問題,最后給出了一個基于VxWorks的嵌入式實時數(shù)據(jù)庫開發(fā)的應用實例。
關(guān)鍵詞：嵌入式;實時數(shù)據(jù)庫;VxWorks
隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用及嵌入式實時操作系統(tǒng)的不斷普及,嵌入式環(huán)境下的數(shù)據(jù)管理問題成為系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié),構(gòu)建嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（RTDBS）成為嵌入式開發(fā)中必須解決的問題。這里所說的嵌入式RTDBS[1][2]是指可在嵌入式設(shè)備中獨立運行的一種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),用以處理大量的、時效性強且有嚴格時序的數(shù)據(jù),它以高可靠性、高實時性和高信息吞吐量為目標,其數(shù)據(jù)的正確性不僅依賴于邏輯結(jié)果,而且依賴于邏輯結(jié)果產(chǎn)生的時間。圖1是一個嵌入式應用的基本構(gòu)架,整個嵌入式RTDBS構(gòu)建于實時操作系統(tǒng)之上。由于嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在運行環(huán)境和運行方式上與常見的企業(yè)級數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有很大差別,因此,傳統(tǒng)的企業(yè)數(shù)據(jù)庫如Oracle、Sybase等在實時嵌入式環(huán)境下很難發(fā)揮作用,尤其在一些實時性要求很高的控制系統(tǒng)中,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫更顯得無能為力。因此,伴隨著各種商用嵌入式實時操作系統(tǒng)的出現(xiàn),研究嵌入式環(huán)境下的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)成為嵌入式軟件中的一項重要內(nèi)容。
圖1 嵌入式應用基本結(jié)構(gòu)
嵌入式RTDBS內(nèi)涵及其體系結(jié)構(gòu)
目前嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中,在實時數(shù)據(jù)庫問題上的多數(shù)看法是,嵌入式RTDBS從本質(zhì)上說是一個“內(nèi)存數(shù)據(jù)庫”,是一個由應用程序管理的內(nèi)存緩沖池,它在系統(tǒng)中的作用就是一個供多個實時任務(wù)共同使用的共享數(shù)據(jù)區(qū)。這種數(shù)據(jù)庫實際上是一個嵌入在用戶應用軟件中的與應用程序不可分割的部分,其功能主要是數(shù)據(jù)的存和取,不具有獨立性,不是一個真正意義上的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。一個完整的嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)除了包括內(nèi)存數(shù)據(jù)庫外,還應當含有歷史數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS及提供給用戶的接口函數(shù),整個數(shù)據(jù)庫可由DBMS完成對數(shù)據(jù)庫的具體配置及各種操作,例如系統(tǒng)運行前根據(jù)實際需要對內(nèi)存數(shù)據(jù)庫中的記錄節(jié)點進行增減等配置操作。目前的嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可分為兩大類,一類是商用級的嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),它獨立于具體的應用軟件,如美國McObject公司提供的eXtremeDB內(nèi)存式實時數(shù)據(jù)庫,這是一種專門為嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理而編寫的實時數(shù)據(jù)庫,它將數(shù)據(jù)庫直接建立在內(nèi)存之中,并根據(jù)應用特征產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫API,用戶可方便的調(diào)用這些接口函數(shù)管理整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng);另一類是用戶針對具體的應用對象而自行設(shè)計開發(fā)的嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),這種數(shù)據(jù)庫一般是嵌入到應用軟件中作為應用程序的一部分,不具有獨立性,目前測控系統(tǒng)中用戶開發(fā)的實時數(shù)據(jù)庫大都屬于這種情況。
圖2所示的是一個嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),同傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫一樣,它仍然是一種3J模式的結(jié)構(gòu)體系,即用戶模式、邏輯模式和存儲模式。在嵌入式環(huán)境下構(gòu)建實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),應該完成以下功能：高效的數(shù)據(jù)存取機制、數(shù)據(jù)安全性控制、實時事務(wù)管理機制、數(shù)據(jù)庫的恢復機制等,設(shè)計中更關(guān)心的是系統(tǒng)的實時性、開銷大小、系統(tǒng)性能、可靠性、可預知性和底層控制能力,即如何針對選用的實時OS和嵌入式硬件平臺設(shè)計合理的數(shù)據(jù)模型和物理結(jié)構(gòu),重點放在如何高效的利用嵌入式系統(tǒng)的有限資源、如何提高數(shù)據(jù)的存取速度、如何進行數(shù)據(jù)保護、數(shù)據(jù)交換、查詢/ 事務(wù)處理算法的優(yōu)化、事務(wù)的優(yōu)先級分派、事務(wù)調(diào)度和并發(fā)控制等等。
圖2 嵌入式RTDBS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
