嵌入式實(shí)時(shí)數據庫技術(shù)研究

嵌入式實(shí)時(shí)數據庫技術(shù)研究

隨著(zhù)嵌入式系統的廣泛應用及嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的不斷普及，嵌入式環(huán)境下的數據管理問(wèn)題成為系統中的重要環(huán)節，構建嵌入式實(shí)時(shí)數據庫系統（RTDBS）成為嵌入式開(kāi)發(fā)中必須解決的問(wèn)題。這里所說(shuō)的嵌入式RTDBS[1][2]是指可在嵌入式設備中獨立運行的一種數據庫系統，用以處理大量的、時(shí)效性強且有嚴格時(shí)序的數據，它以高可靠性、高實(shí)時(shí)性和高信息吞吐量為目標，其數據的正確性不僅依賴(lài)于邏輯結果，而且依賴(lài)于邏輯結果產(chǎn)生的時(shí)間。圖1是一個(gè)嵌入式應用的基本構架，整個(gè)嵌入式RTDBS構建于實(shí)時(shí)操作系統之上。由于嵌入式實(shí)時(shí)數據庫系統在運行環(huán)境和運行方式上與常見(jiàn)的企業(yè)級數據庫管理系統有很大差別，因此，傳統的企業(yè)數據庫如Oracle、Sybase等在實(shí)時(shí)嵌入式環(huán)境下很難發(fā)揮作用，尤其在一些實(shí)時(shí)性要求很高的控制系統中，傳統數據庫更顯得無(wú)能為力。因此，伴隨著(zhù)各種商用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統的出現，研究嵌入式環(huán)境下的實(shí)時(shí)數據庫系統成為嵌入式軟件中的一項重要內容。

圖1  嵌入式應用基本結構

       嵌入式RTDBS內涵及其體系結構         

       目前嵌入式系統開(kāi)發(fā)中，在實(shí)時(shí)數據庫問(wèn)題上的多數看法是，嵌入式RTDBS從本質(zhì)上說(shuō)是一個(gè)“內存數據庫”，是一個(gè)由應用程序管理的內存緩沖池，它在系統中的作用就是一個(gè)供多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)共同使用的共享數據區。這種數據庫實(shí)際上是一個(gè)嵌入在用戶(hù)應用軟件中的與應用程序不可分割的部分，其功能主要是數據的存和取，不具有獨立性，不是一個(gè)真正意義上的數據庫系統。一個(gè)完整的嵌入式實(shí)時(shí)數據庫系統除了包括內存數據庫外，還應當含有歷史數據庫和數據庫管理系統DBMS及提供給用戶(hù)的接口函數，整個(gè)數據庫可由DBMS完成對數據庫的具體配置及各種操作，例如系統運行前根據實(shí)際需要對內存數據庫中的記錄節點(diǎn)進(jìn)行增減等配置操作。目前的嵌入式實(shí)時(shí)數據庫系統可分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是商用級的嵌入式實(shí)時(shí)數據庫系統，它獨立于具體的應用軟件，如美國McObject公司提供的eXtremeDB內存式實(shí)時(shí)數據庫，這是一種專(zhuān)門(mén)為嵌入式系統數據庫管理而編寫(xiě)的實(shí)時(shí)數據庫，它將數據庫直接建立在內存之中，并根據應用特征產(chǎn)生數據庫API，用戶(hù)可方便的調用這些接口函數管理整個(gè)數據庫系統；另一類(lèi)是用戶(hù)針對具體的應用對象而自行設計開(kāi)發(fā)的嵌入式實(shí)時(shí)數據庫系統，這種數據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，目前測控系統中用戶(hù)開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)數據庫大都屬于這種情況。

圖2 嵌入式RTDBS系統結構

       圖2所示的是一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)數據庫系統的體系結構，同傳統的數據庫一樣，它仍然是一種三級模式的結構體系，即用戶(hù)模式、邏輯模式和存儲模式。在嵌入式環(huán)境下構建實(shí)時(shí)數據庫系統，應該完成以下功能：高效的數據存取機制、數據安全性控制、實(shí)時(shí)事務(wù)管理機制、數據庫的恢復機制等，設計中更關(guān)心的是系統的實(shí)時(shí)性、開(kāi)銷(xiāo)大小、系統性能、可靠性、可預知性和底層控制能力，即如何針對選用的實(shí)時(shí)OS和嵌入式硬件平臺設計合理的數據模型和物理結構，重點(diǎn)放在如何高效的利用嵌入式系統的有限資源、如何提高數據的存取速度、如何進(jìn)行數據保護、數據交換、查詢(xún)/ 事務(wù)處理算法的優(yōu)化、事務(wù)的優(yōu)先級分派、事務(wù)調度和并發(fā)控制等等。

       嵌入式RTDBS的數據模型   

       嵌入式實(shí)時(shí)數據庫系統的關(guān)鍵是數據模型的確立，它決定了數據被訪(fǎng)問(wèn)和操作的方式，應用程序的性能和可靠性也大部分取決于此。目前嵌入式環(huán)境下的數據庫系統多數采用了關(guān)系模型結構，這也是商用數據庫系統的數據模型，該模型結構是利用二維關(guān)系表來(lái)實(shí)現數據存儲，利用索引訪(fǎng)問(wèn)和查詢(xún)數據，這種模型結構是建立在嚴格的數學(xué)基礎上的，結構簡(jiǎn)單靈活，獨立性好，但在嵌入式環(huán)境下的內存開(kāi)銷(xiāo)和數據冗余較大，用戶(hù)必須對其進(jìn)行優(yōu)化，增加了開(kāi)發(fā)數據庫系統的難度；有些嵌入式數據庫則采用了網(wǎng)狀模型結構，該模型通過(guò)指針來(lái)確定數據間的顯式連接關(guān)系，它比關(guān)系模型中利用冗余數據和索引文件要節約大量的存儲空間，具有一定的數據獨立性和共享特性，運行效率較高，而且由于它避免了索引操作，比關(guān)系型數據庫模式要節省存儲空間，數據操作速度也更快。但是這種模型結構比較復雜，尤其當嵌入式系統規模增大時(shí)，其數據庫的結構變得非常龐大，可能會(huì )影響到系統的實(shí)時(shí)性能。圖3所示的是在相同數目的記錄下，關(guān)系模型和網(wǎng)狀模型的系統開(kāi)銷(xiāo)比較，從圖中可以看出，網(wǎng)狀模型因為避免了索引操作使得其開(kāi)銷(xiāo)要小于關(guān)系模型。但是在實(shí)際應用中，應當根據實(shí)時(shí)系統的綜合性能選取數據庫模型，通?？刹捎镁W(wǎng)狀加關(guān)系或層次加關(guān)系的混合模型結構以彌補兩種結構之間的缺陷，如CENTURA公司的嵌入式實(shí)時(shí)數據庫RDM（Raima Database Management），它將網(wǎng)狀和關(guān)系模型的優(yōu)點(diǎn)結合起來(lái)，避免了不必要的索引開(kāi)銷(xiāo)，顯著(zhù)地減少系統存儲空間、I/O操作和CPU周期，由于其快速而且可靠性高的特點(diǎn)，廣泛應用于許多嵌入式產(chǎn)品中。

圖3  關(guān)系和網(wǎng)狀模型開(kāi)銷(xiāo)比較