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。它有兩個很重要的特征一一“嵌入性”和“實(shí)時性”。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)字移動電視、機(jī)頂盒、智能控制設(shè)備等。這些產(chǎn)品通常是在計

2、算資源、存儲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WindowsCE；PalmOS。Linux,VXworks,SymbianOS等平臺，硬件平臺主要有Dragonball,Handspring,MIPS,HitachiSH,Powe

3、rPC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，具有支持多個平臺、面向多種開發(fā)語言、具有多個靈活的接口等特點(diǎn)，主流的嵌入式數(shù)據(jù)庫有：Oracle公司的BerkeleyDB、SysbaseAdaptiveServerAnywhereLinter以及SQLite等，國內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)也積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

4、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)時存儲，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)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)上不同計算機(jī)之間還是在同一臺計算機(jī)的不同進(jìn)程之間，數(shù)據(jù)庫操作并不要

5、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，也不用生成解析計劃？。實(shí)時性：實(shí)時性和嵌入性是分不開的，只有具有了嵌入性的數(shù)據(jù)庫才能夠第一時間得到系統(tǒng)的資源，對系統(tǒng)的請求在第一時間做出響應(yīng)。但是，并不是具有嵌入性就一定具有實(shí)時性。要想使嵌入式數(shù)據(jù)庫具有很好的實(shí)時生，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，支持多種開發(fā)平臺，面向多種開發(fā)工具，預(yù)留有靈活的開發(fā)接口。移動性：移動性是目前在國內(nèi)提的比較多的一個說法，這和目前國內(nèi)移動設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用有關(guān)?？梢赃@么說，具有嵌入性的數(shù)據(jù)庫一定具有比較好的移動性，但是具有比較好的移動性的數(shù)

6、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)庫中各個表內(nèi)的數(shù)據(jù)的一致性，同時也保證數(shù)據(jù)庫和其它同步或鏡像數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)

7、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)3.1復(fù)制與緩存技術(shù)嵌入式數(shù)據(jù)庫一般用于移動存儲設(shè)備，而移動設(shè)備的一個顯著特點(diǎn)是移動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，滿足人們在不同時間和地點(diǎn)對數(shù)據(jù)的需求問題?，F(xiàn)在普遍采用樂觀復(fù)制方法(Optimisticreplication)允許用戶對本地緩存上的數(shù)據(jù)副本進(jìn)行操作，DingZhi-ming等提出了TLRSP(Transacti0n-levelResult-setPropagation)!型。在網(wǎng)絡(luò)斷開的情況下，嵌入式數(shù)據(jù)庫在本地

8、數(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)故障的時候，可以在沒有人員干預(yù)的條件下實(shí)現(xiàn)自動恢復(fù)。在嵌入式實(shí)時數(shù)據(jù)庫中，Choi等人提出了采用雙CPU的并行處理結(jié)構(gòu)，一個CPU負(fù)責(zé)正常的事務(wù)處理，另一個專門負(fù)責(zé)有關(guān)恢復(fù)處理，如記錄日志、做檢驗點(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

9、內(nèi)數(shù)據(jù)庫需維持其更新數(shù)據(jù)頁的兩個版本？當(dāng)前頁和影子頁，同時需維護(hù)大量的頁表指針。該方法是通過適當(dāng)?shù)脑黾哟鎯?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。3.2事務(wù)處理技術(shù)和移動查詢優(yōu)化嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的事務(wù)處理在前端可以簡單化，但在整個應(yīng)用系統(tǒng)中要結(jié)合計算環(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。在移動計算環(huán)境中，許多信息都是快速持續(xù)變化的，如移動用戶的位置

10、等。3.3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)庫部分涉及到個人的隱私性很高，因此在防止碰撞、震動、磁場干擾、遺失、盜竊等對個人隱私數(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)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，以防止移動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、移動數(shù)據(jù)庫、小型的C/S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

11、劃分：小型C/S數(shù)據(jù)庫。這種數(shù)據(jù)庫其實(shí)是企業(yè)級數(shù)據(jù)庫的一個縮小版，縮小以后可以在一些實(shí)時性要求不高的設(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)時性和穩(wěn)定性，一般運(yùn)行在實(shí)時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

12、年來，嵌入式數(shù)據(jù)庫的研究取得不少進(jìn)展，以下幾個趨勢值得關(guān)注：(1)智能化和主動化以往的嵌入式數(shù)據(jù)庫往往是以存儲為目的的被動型的數(shù)據(jù)庫，只能被動地接受操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的調(diào)用來執(zhí)行相應(yīng)的動作。能夠根據(jù)數(shù)據(jù)庫中存儲的情況和自身特點(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)σ曨l、音頻、文字、圖像進(jìn)行存儲和快速檢索的嵌入式數(shù)據(jù)庫會有更大的市場，并成為人們研究的熱點(diǎn)。(3)時空數(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，迫切需要能夠同時處理時間和空間的數(shù)據(jù)庫問世。當(dāng)然，除了上

13、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

14、統(tǒng)開發(fā)過程中，開發(fā)人員還要充分考慮硬件平臺、操作系統(tǒng)平臺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)平臺，對硬件平臺和操作系統(tǒng)平臺透明的嵌入式數(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物體，然后收集嵌入在車體中各個部位的各種感應(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，如何能盡快地保存數(shù)據(jù)是一個問題。為了解決這個問題，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。發(fā)電機(jī)監(jiān)視

15、裝置在美國大型發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)監(jiān)視裝置里，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”的時候，這些程序模塊會檢測出這些數(shù)據(jù)，然后自動報警，同時通知監(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。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，廢氣排放測試的結(jié)

16、果全部保存于數(shù)據(jù)庫，以后的其他測試、分析以及模擬試驗等環(huán)節(jié)就能有效利用這些數(shù)據(jù)。2008年奧運(yùn)會所使用的環(huán)保巴士內(nèi)也使用了嵌入式數(shù)據(jù)庫。在FA領(lǐng)域中使用數(shù)據(jù)庫的注意事項在這個領(lǐng)域利用嵌入式數(shù)據(jù)庫時，會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，所以必須同時滿足兩個相反的要求。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)視和報宇宙航空和機(jī)器人現(xiàn)在，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

17、利略計劃，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目和機(jī)器人項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（rulebased）勺系統(tǒng)。可執(zhí)行模塊將根據(jù)傳感器的信息執(zhí)行各種動作或命令。將來，保存于數(shù)據(jù)庫中的執(zhí)行模塊很可能實(shí)現(xiàn)自動執(zhí)行的功能。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GPS（