嵌入式數(shù)據(jù)庫的發(fā)展與應(yīng)用

1、嵌入式數(shù)據(jù)庫的發(fā)展與應(yīng)用摘要：從嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)入手， 闡述了嵌入式數(shù)據(jù)庫的發(fā)展現(xiàn)狀， 并具體介紹了 當(dāng)前主流嵌入式數(shù)據(jù)庫的共性、基本特點(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)、構(gòu)件、分類，并提出了發(fā) 展趨勢和應(yīng)用。 20 年前就已經(jīng)被組合在各種應(yīng)用程序、軟件組件和硬件環(huán)境中。 它有兩個(gè)很重要的特征“嵌入性”和“實(shí)時(shí)性” 。這里用實(shí)際應(yīng)用的實(shí)例來 說明，在嵌入式系統(tǒng)里如何有效地使用嵌入式數(shù)據(jù)庫。關(guān)鍵詞： 嵌入式數(shù)據(jù)庫；復(fù)制；緩存技術(shù)；現(xiàn)狀；趨勢；應(yīng)用 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展， 嵌入式產(chǎn)品由于其智能化、 小型化、 便攜式等特點(diǎn)，已經(jīng)普遍應(yīng)用于我們的生活，比如智能手機(jī)、車載導(dǎo)航設(shè)備、數(shù) 字移動(dòng)電視、機(jī)頂盒、智能控制

2、設(shè)備等。這些產(chǎn)品通常是在計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源 等條件受限的情況下處理大量的數(shù)據(jù)， 而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫一般都是運(yùn)行在各種各樣 的服務(wù)器或大容量的存儲(chǔ)器上， 顯然把傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫直接移植到嵌入式設(shè)備上是 不可行的。 那么如何在苛刻的條件下， 充分利用有限的資源便成為了人們研究的 熱點(diǎn)。嵌入式數(shù)據(jù)庫也正是在此條件下， 和嵌入式操作系統(tǒng)、 嵌入式應(yīng)用軟件相 伴而生的。1 嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)嵌入式數(shù)據(jù)庫位于嵌入式系統(tǒng)的中間部分， 下面有嵌入式操作系統(tǒng)層， 當(dāng)前 主流的嵌入式操作系統(tǒng)有 Windows CE； Palm OS。Linux, VXworks , SymbianOS 等平臺(tái)， 硬件平臺(tái)主要有 Dra

3、gonball， Handspring， MIPS， Hitachi SH， Power PC 以及 ARM 處理器。 嵌入式應(yīng)用軟件位于嵌入式數(shù)據(jù)庫之上， 可以通過 API 函數(shù) 接口， ODBC， JDBC 等與嵌入式數(shù)據(jù)庫通信，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢索、刪除、添加 等操作，更為重要的是要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性、一致性。當(dāng)前主流的嵌入式數(shù)據(jù)庫， 具有支持多個(gè)平臺(tái)、 面向多種開發(fā)語言、 具有多 個(gè)靈活的接口等特點(diǎn)，主流的嵌入式數(shù)據(jù)庫有： Oracle 公司的 Berkeley DB、 Sysbase Adaptive Server Anywhere、Linter 以及 SQLite 等，國內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)也積

4、 極開展這方面的研究并推出了自己的產(chǎn)品，主要有方舟公司的 Noahbase人大 金倉kingbase等。在其體系結(jié)構(gòu)中， 只是描述了單一的以嵌入式設(shè)備為核心的體系架構(gòu)， 底層 的數(shù)據(jù)采集程序把傳感器集所測得的具有不同意義的數(shù)傳送給嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行 實(shí)時(shí)存儲(chǔ)， 以備數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢。 嵌入式系統(tǒng)作為下位機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理， 數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫作為上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)下位機(jī)和上位機(jī)的通信。 很多情 況下，這樣的系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)用在移動(dòng)通信場合。2 嵌入式數(shù)據(jù)庫的基本特點(diǎn)嵌入式數(shù)據(jù)庫和企業(yè)級數(shù)據(jù)庫的發(fā)展都是一個(gè)螺旋式上升的發(fā)展過程。 但它 們卻有著本質(zhì)的根本性的區(qū)別。 外在形式的相似性， 并不能代表二者的實(shí)

5、現(xiàn)方式 和運(yùn)用方式的相似。嵌入性：嵌入式數(shù)據(jù)庫不僅可以嵌入到其它的軟件中， 也可以嵌入到硬件設(shè) 備中，因此無論是在網(wǎng)絡(luò)上不同計(jì)算機(jī)之間還是在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)的不同進(jìn)程之 間，數(shù)據(jù)庫操作并不要求進(jìn)程間通信，而且其對所有數(shù)據(jù)的操作都使用 API 接 口，不需要對某種查詢語言進(jìn)行解析，也不用生成解析計(jì)劃 ? 。實(shí)時(shí)性：實(shí)時(shí)性和嵌入性是分不開的， 只有具有了嵌入性的數(shù)據(jù)庫才能夠第 一時(shí)間得到系統(tǒng)的資源， 對系統(tǒng)的請求在第一時(shí)間做出響應(yīng)。 但是，并不是具有 嵌入性就一定具有實(shí)時(shí)性。 要想使嵌入式數(shù)據(jù)庫具有很好的實(shí)時(shí) 生，必須做很 多額外的工作。靈活性：當(dāng)前的嵌入式數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品大多具有很強(qiáng)的靈活性， 支持多種開

6、發(fā)平 臺(tái)，面向多種開發(fā)工具，預(yù)留有靈活的開發(fā)接口。移動(dòng)性：移動(dòng)性是目前在國內(nèi)提的比較多的一個(gè)說法， 這和目前國內(nèi)移動(dòng)設(shè) 備的大規(guī)模應(yīng)用有關(guān)。 可以這么說， 具有嵌入性的數(shù)據(jù)庫一定具有比較好的移動(dòng) 性，但是具有比較好的移動(dòng)性的數(shù)據(jù)庫，不一定具有嵌入性。伸縮性：伸縮性是嵌入式數(shù)據(jù)庫的必備特點(diǎn)， 沒有伸縮性就無法在較小的空 間上管理大規(guī)模存儲(chǔ)空間上的數(shù)據(jù)。 大部分嵌入式數(shù)據(jù)庫可以提供線程任務(wù)級 別的引擎，使系統(tǒng)的伸縮空間大大擴(kuò)大。某種程度上說， 嵌入式場合的數(shù)據(jù)比企業(yè)級應(yīng)用的數(shù)據(jù)還要復(fù)雜， 所以要支 持各種類型數(shù)據(jù) （如多媒體數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)等 ）以外，還要支持各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，除 了傳統(tǒng)的關(guān)系型，還要能

7、處理樹狀結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 當(dāng)然，嵌入式數(shù)據(jù)庫肯定 要具備企業(yè)級數(shù)據(jù)庫所具有的一些特點(diǎn)，比如，一致性是數(shù)據(jù)庫所必需的特性。 通過事務(wù)、 鎖功能、日志記錄、 以及數(shù)據(jù)同步等多種技術(shù)保證數(shù)據(jù)庫中各個(gè)表內(nèi) 的數(shù)據(jù)的一致性，同時(shí)也保證數(shù)據(jù)庫和其它同步或鏡像數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)的一致性。3 嵌入式數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)31 復(fù)制與緩存技術(shù)嵌入式數(shù)據(jù)庫一般用于移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備， 而移動(dòng)設(shè)備的一個(gè)顯著特點(diǎn)是移動(dòng)終 端之間以及與服務(wù)器之間的連接是弱連接， 即低帶寬、長延遲、 不穩(wěn)定和經(jīng)常性 的斷開。復(fù)制性嵌入式數(shù)據(jù)庫一般采用復(fù)制技術(shù) （上傳、下載或混合 ）與服務(wù)器數(shù) 據(jù)庫進(jìn)行映射，滿足人們在不同時(shí)間和地點(diǎn)對數(shù)據(jù)的需求問題?，F(xiàn)

8、在普遍采用 樂觀復(fù)制方法 （Optimistic replication） 允許用戶對本地緩存上的數(shù)據(jù)副本進(jìn)行操 作，Ding Zhi-ming 等提出了 TLRSP（TransactiOn level Result-set Propagation模 型。在網(wǎng)絡(luò)斷開的情況下， 嵌入式數(shù)據(jù)庫在本地?cái)?shù)據(jù)庫子集進(jìn)行數(shù)據(jù)操作和事務(wù) 處理；待網(wǎng)絡(luò)重新連接后再與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器或其它終端交換修改信息， 并通過中 突檢測和協(xié)調(diào)來恢復(fù)數(shù)據(jù)的一致性。 由于嵌入式系統(tǒng)的零管理特點(diǎn)， 也就是當(dāng)系 統(tǒng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，可以在沒有人員干預(yù)的條件下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)。在嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中， Choi 等人提出了采用雙 CPU 的并行

9、處理結(jié)構(gòu)，一 個(gè) CPU 負(fù)責(zé)正常的事務(wù)處理，另一個(gè)專門負(fù)責(zé)有關(guān)恢復(fù)處理，如記錄日志、做 檢驗(yàn)點(diǎn)以及故障后進(jìn)行數(shù)據(jù)庫恢復(fù)， 該方法是通過改善硬件的處理性能來換取系 統(tǒng)整體性能的改善，但該種方法在資源條件苛刻的嵌入式系統(tǒng)中顯然是不適用 的。有人提出了基于影子的恢復(fù)技術(shù)， 該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是消除了日志開銷， 恢復(fù)速 度快，缺點(diǎn)是在事務(wù)生命周期內(nèi)數(shù)據(jù)庫需維持其更新數(shù)據(jù)頁的兩個(gè)版本 ? 當(dāng) 前頁和影子頁， 同時(shí)需維護(hù)大量的頁表指針。 該方法是通過適當(dāng)?shù)脑黾哟鎯?chǔ)數(shù)據(jù) 量來提高系統(tǒng)性能。 相比較而言， 后者在嵌入式系統(tǒng)， 以及嵌入式數(shù)據(jù)庫恢復(fù)中 應(yīng)用的更多。32 事務(wù)處理技術(shù)和移動(dòng)查詢優(yōu)化嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的

10、事務(wù)處理在前端可以簡單化， 但在整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中要 結(jié)合計(jì)算環(huán)境的特征進(jìn)行事務(wù)處理控制。有效平衡用戶事務(wù)和更新負(fù)載是提供 滿意服務(wù)的關(guān)鍵。移動(dòng)查詢優(yōu)化是指在傳統(tǒng)分布式數(shù)據(jù)庫查詢優(yōu)化技術(shù)的基礎(chǔ)上， 利用多種方 法消除帶寬多樣性、斷接等因素所造成的影響，使查詢引擎能夠根據(jù)當(dāng)前可采 用網(wǎng)絡(luò)條件采取恰當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法。 在移動(dòng)計(jì)算環(huán)境中， 許多信息都是快速持續(xù)變 化的，如移動(dòng)用戶的位置等。33 安全性許多嵌入式產(chǎn)品是應(yīng)用系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分， 而其中的數(shù)據(jù)庫部分涉及到個(gè)人 的隱私性很高，因此在防止碰撞、震動(dòng)、磁場干擾、遺失、盜竊等對個(gè)人隱私數(shù) 據(jù)安全的威脅上需要提供充分的安全保證性。主要措施有：A）對終端進(jìn)行認(rèn)

11、證，防止非法終端的欺騙性侵入：B）無線通信進(jìn)行加密，防止數(shù)據(jù)信息泄露；C) 對下載的數(shù)據(jù)副本加密存儲(chǔ)，以防止移動(dòng)終端物理丟失后的數(shù)據(jù)泄密4 嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類嵌入式數(shù)據(jù)庫的分類方法很多， 可以按照嵌入的對象不同分為： 軟件嵌入數(shù) 據(jù)庫、設(shè)備嵌入數(shù)據(jù)庫、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。也有人將它們粗略的分為：嵌入數(shù)據(jù)庫、 移動(dòng)數(shù)據(jù)庫、小型的 CS 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫等。目前更被大家所接受和認(rèn)可的更偏向 于按照下面的方式進(jìn)行劃分：小型 CS 數(shù)據(jù)庫。這種數(shù)據(jù)庫其實(shí)是企業(yè)級數(shù)據(jù)庫的一個(gè)縮小版，縮小以 后可以在一些實(shí)時(shí)性要求不高的設(shè)備內(nèi)運(yùn)行。面向軟件嵌入數(shù)據(jù)庫。 它將數(shù)據(jù)庫作為組件嵌入到其他的軟件系統(tǒng)中。 一般 用在對數(shù)據(jù)庫的安

12、全性、 穩(wěn)定性和速度要求比較高的系統(tǒng)中。 這種結(jié)構(gòu)資源消耗 低，最終用戶不用維護(hù)數(shù)據(jù)庫，甚至感受不到數(shù)據(jù)的存在。面向設(shè)備嵌入數(shù)據(jù)庫。 它將關(guān)系型數(shù)據(jù)庫嵌入到設(shè)備當(dāng)中去， 作為設(shè)備數(shù)據(jù) 處理的核心組件。這種場合要求數(shù)據(jù)庫有很高的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，一般運(yùn)行在 實(shí)時(shí)性非常高的操作系統(tǒng)當(dāng)中。內(nèi)存數(shù)據(jù)庫。 數(shù)據(jù)庫直接在內(nèi)存內(nèi)運(yùn)行， 數(shù)據(jù)處理更加高速， 不過安全性等 方面需要額外的手段來保障。5 嵌入式數(shù)據(jù)庫的發(fā)展趨勢與應(yīng)用5.1 發(fā)展趨勢近年來，嵌入式數(shù)據(jù)庫的研究取得不少進(jìn)展，以下幾個(gè)趨勢值得關(guān)注：(1) 智能化和主動(dòng)化以往的嵌入式數(shù)據(jù)庫往往是以存儲(chǔ)為目的的被動(dòng)型的數(shù) 據(jù)庫，只能被動(dòng)地接受操作系統(tǒng)和應(yīng)用程

13、序的調(diào)用來執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 能夠根據(jù) 數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的情況和自身特點(diǎn)， 適當(dāng)?shù)刈龀鰞?yōu)化來滿足不同條件下的應(yīng)用需求 的智能化、主動(dòng)型嵌入式數(shù)據(jù)庫是以后研究的熱點(diǎn)。(2) 多媒體嵌入式數(shù)據(jù)庫隨著高檔電子消費(fèi)品日益受到人們的青睞，能夠?qū)?視頻、音頻、文字、圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和快速檢索的嵌入式數(shù)據(jù)庫會(huì)有更大的市場， 并成為人們研究的熱點(diǎn)。(3) 時(shí)空數(shù)據(jù)庫導(dǎo)航設(shè)備、水文、地質(zhì)、地形地貌相關(guān)電子產(chǎn)品的快速發(fā)展， 迫切需要能夠同時(shí)處理時(shí)間和空間的數(shù)據(jù)庫問世。當(dāng)然，除了上述所介紹的嵌入式數(shù)據(jù)庫的發(fā)展方向以外，還有很多的方向， 這里不逐一論述， 比如說最近盛行的云嵌入式數(shù)據(jù)庫等等。 那么關(guān)于嵌入式數(shù)據(jù) 庫具體技術(shù)的改

14、進(jìn)和升級可以從以下幾點(diǎn)尋找突破點(diǎn)：(1) 數(shù)據(jù)庫內(nèi)核 由于嵌入式系統(tǒng)可用資源的受限性，嵌入式數(shù)據(jù)庫內(nèi)核的大 小也是一個(gè)關(guān)鍵的問題， 那種以犧牲數(shù)據(jù)庫的功能來換取較小的內(nèi)核顯然是與發(fā) 展趨勢相背離的。(2) 數(shù)據(jù)庫的可靠性 嵌入式數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用越來越廣泛，也越來越復(fù)雜，其功 能已經(jīng)從傳統(tǒng)的添加、刪除等操作向?qū)β曇?、視頻、三維或多維數(shù)據(jù)、智能控制 等方向發(fā)展，因此可靠性的提高也是至關(guān)重要的一環(huán)。(3) 數(shù)據(jù)庫的可移植性盡管目前的嵌入式數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品可以支持多種不同的操 作系統(tǒng)，但在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過程中， 開發(fā)人員還要充分考慮硬件平臺(tái)、 操作系 統(tǒng)平臺(tái)以及它們的接口定義， 如果有能適用于絕大多數(shù)的操作系統(tǒng)

15、平臺(tái)， 對硬件 平臺(tái)和操作系統(tǒng)平臺(tái)透明的嵌入式數(shù)據(jù)庫， 勢必可以大大地提高開發(fā)效率， 降低 開發(fā)成本。5.2 應(yīng)用實(shí)例5.2.1 汽車碰撞測試裝置嵌入式數(shù)據(jù)庫經(jīng)常在汽車碰撞測試裝置中使用。 所謂汽車碰撞測試， 是檢驗(yàn) 汽車安全性能的一種有效手段。 在測試中， 讓汽車高速碰撞某個(gè)物體， 然后收集 嵌入在車體中各個(gè)部位的各種感應(yīng)器所發(fā)出的數(shù)據(jù)， 再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 這 需要在碰撞的瞬間大量地收集和保存數(shù)據(jù)。 這時(shí)，如何能盡快地保存數(shù)據(jù)是一個(gè) 問題。為了解決這個(gè)問題， 在汽車碰撞測試裝置中使用嵌入式數(shù)據(jù)庫， 取得非常 好的實(shí)際效果。5.1.2 發(fā)電機(jī)監(jiān)視裝置在美國大型發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)監(jiān)視裝置里，

16、使用了嵌入式數(shù)據(jù)庫。 發(fā)電廠的發(fā) 電機(jī)是非常重要的生產(chǎn)設(shè)備， 所以要嚴(yán)格管理以防發(fā)電機(jī)停機(jī)。 發(fā)電機(jī)的監(jiān)控裝 置通過收集發(fā)電機(jī)的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視。這種需要實(shí)時(shí)監(jiān)控的場合，在數(shù)據(jù)庫里預(yù)先錄入了監(jiān)視數(shù)據(jù)用的程序模塊。 當(dāng)某數(shù)據(jù)進(jìn)入“異常值” 、“異常范圍”、“警戒范圍”的時(shí)候，這些程序模塊會(huì)檢 測出這些數(shù)據(jù)， 然后自動(dòng)報(bào)警， 同時(shí)通知監(jiān)視中心有異常情況。 這種數(shù)據(jù)收集也 可用于發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的模擬試驗(yàn)。5.1.3 監(jiān)視引擎在美國的大型飛機(jī)制造廠，為了收集引擎的測試數(shù)據(jù)和飛機(jī)內(nèi)部機(jī)械的數(shù) 據(jù)，在飛機(jī)上也裝載了嵌入式數(shù)據(jù)庫。 在美國的大型汽車制造廠的引擎廢氣排放 測試裝置里，也嵌入了數(shù)據(jù)庫， 廢氣排放測試

17、的結(jié)果全部保存于數(shù)據(jù)庫， 以后的 其他測試、分析以及模擬試驗(yàn)等環(huán)節(jié)就能有效利用這些數(shù)據(jù)。 2008 年奧運(yùn)會(huì)所 使用的環(huán)保巴士內(nèi)也使用了嵌入式數(shù)據(jù)庫。5.1.4 在 FA 領(lǐng)域中使用數(shù)據(jù)庫的注意事項(xiàng)在這個(gè)領(lǐng)域利用嵌入式數(shù)據(jù)庫時(shí)， 會(huì)有一些常見的典型問題， 如往數(shù)據(jù)庫寫 人數(shù)據(jù)的速度和性能等問題。 一方面要求內(nèi)存消耗量足夠少， 一方面又需要對大 量數(shù)據(jù)的進(jìn) 、行運(yùn)算，所以必須同時(shí)滿足兩個(gè)相反的要求。再者，像發(fā)電機(jī)裝 置監(jiān)視的例子那樣，數(shù)據(jù)監(jiān)視模塊必須要嵌入到數(shù)據(jù)庫中 （ 在實(shí)際的嵌入式數(shù)據(jù) 庫中，這些監(jiān)視模塊主要是通過用戶自定義的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、 監(jiān)視和報(bào)5.1.5 宇宙航空和機(jī)器人現(xiàn)在，

18、嵌入式數(shù)據(jù)庫在宇宙航空和機(jī)器人等方面有很多實(shí)際應(yīng)用。 例如木星 探查伽利略計(jì)劃，衛(wèi)星觀測系統(tǒng)，地上測定、命令處理系統(tǒng)，衛(wèi)星控制系統(tǒng)，天 氣預(yù)報(bào)的發(fā)布系統(tǒng)， 戰(zhàn)爭模擬游戲等。 除此以外， 還有許多其他的宇宙航空項(xiàng)目 和機(jī)器人項(xiàng)目中使用了嵌入式數(shù)據(jù)庫嵌入式數(shù)據(jù)庫在宇宙航空以及機(jī)器人的應(yīng) 用程序中起著核心的作用。 在數(shù)據(jù)庫中保存著全部的程序、 指令、可執(zhí)行的模塊， 并將這些制作成基于知識（knowledgebased或者基于規(guī)則（rule based的系統(tǒng)?？蓤?zhí) 行模塊將根據(jù)傳感器的信息執(zhí)行各種動(dòng)作或命令。 將來，保存于數(shù)據(jù)庫中的執(zhí)行 模塊很可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)執(zhí)行的功能。5.1.6 車載導(dǎo)航 車載導(dǎo)航系統(tǒng)在日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)普及，在中國實(shí)際使用者應(yīng)該也有很 多。不過對日常使用的車載導(dǎo)航， 了解它的內(nèi)部構(gòu)造的人并不多。 這里就有關(guān)車 載導(dǎo)航的系統(tǒng)構(gòu)造進(jìn)行簡單說明。車載導(dǎo)航