胡德森（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣州增城，511325）

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嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的研究

胡德森
（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院，廣州增城，511325）

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和各種硬件設(shè)施的發(fā)展，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)終端用戶顯得尤為的重要。對(duì)于嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的研究與開(kāi)發(fā)也成為業(yè)界人士爭(zhēng)相參與的研究領(lǐng)域，并引起了廣泛的共鳴。本文分析了嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)模型及其特點(diǎn)，并探討了嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容，以及未來(lái)發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)；體系結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)模型；發(fā)展趨勢(shì)

近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的更新與發(fā)展非常迅速，伴隨著微電子技術(shù)與存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)技術(shù)也在不斷地快速成長(zhǎng)。在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部，其數(shù)據(jù)處理規(guī)模不斷擴(kuò)大，而且大規(guī)模的數(shù)據(jù)如何處理的難度將越來(lái)越突出。程序開(kāi)發(fā)人員只能借鑒運(yùn)用于企業(yè)的處理數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)技術(shù)，而且已拓展到實(shí)體工業(yè)界、軍事領(lǐng)域、高科技行業(yè)。從嵌入式系統(tǒng)本身的特點(diǎn)來(lái)看，如果某些技術(shù)已顯過(guò)時(shí)，將不能滿足日新月異的時(shí)代需求，新的方法將在嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域不斷得到創(chuàng)新發(fā)展。

1 嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的體系結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)從本質(zhì)上來(lái)看，是一個(gè)“內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)”系統(tǒng)，不僅是程序管理的內(nèi)存緩沖，而且在系統(tǒng)中可供一個(gè)或多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)進(jìn)程共同享用。該數(shù)據(jù)庫(kù)可以嵌入在某個(gè)已在運(yùn)行的軟件系統(tǒng)中，成其不可分割的一部分。它的主要功能是數(shù)據(jù)的存取及刪除等操作，但已成為主體數(shù)據(jù)庫(kù)不可或缺的補(bǔ)充。

1.1 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)從用途上大體上可分為自用型和商用型兩大類。

1.1.1 自用型嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是本單位的開(kāi)發(fā)人員針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)自行開(kāi)發(fā)的一套數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，它只是嵌入到現(xiàn)用軟件系統(tǒng)中，作為現(xiàn)用程序的一個(gè)補(bǔ)充部分，不能獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)今各行業(yè)內(nèi)部由本部門自行開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)庫(kù)基本屬于此類。

1.1.2 商用性嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)是專業(yè)開(kāi)發(fā)人員根據(jù)客戶的要求，開(kāi)發(fā)出滿足一定特定要求的系統(tǒng)，并將它嵌入到已有的系統(tǒng)中，可獨(dú)立于現(xiàn)有的應(yīng)用體系，如eXtreme等嵌入數(shù)據(jù)庫(kù)，這種數(shù)據(jù)庫(kù)建立在系統(tǒng)的內(nèi)存，根據(jù)需要，用戶可調(diào)用某些接口函數(shù)，并建立新的API，從而對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理。

1.2 嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)具有特定的體系結(jié)構(gòu)，它由三級(jí)模式構(gòu)成：即用戶模式、邏輯模式和存儲(chǔ)模式，并且嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)還要包含曾經(jīng)使用過(guò)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)DBMS；此外，還要將接口函數(shù)提供給用戶，并由DBMS對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行一些配置操作，包括對(duì)系統(tǒng)中內(nèi)存的記錄節(jié)點(diǎn)進(jìn)行增減等配置操作。

1.3 一個(gè)合格的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，在構(gòu)建時(shí)應(yīng)包含如下功能：數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)恢復(fù)、實(shí)時(shí)事務(wù)管理、數(shù)據(jù)安全控制等。并根據(jù)系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，嵌入相應(yīng)的自適應(yīng)平臺(tái)，使數(shù)據(jù)模型、物理結(jié)構(gòu)趨于合理，將系統(tǒng)中本來(lái)比較緊張的資源，提高其利用率，并優(yōu)化其數(shù)據(jù)保護(hù)、交換及查詢等算法，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、可預(yù)知性都控制在一定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)進(jìn)程的優(yōu)先分派和任務(wù)進(jìn)程調(diào)度。

2 嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型

嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)除了具有體系結(jié)構(gòu)之外，還要有相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型，它不僅規(guī)定了訪問(wèn)數(shù)據(jù)的操作方式，還決定了系統(tǒng)程序的運(yùn)行性能和可靠性。

2.1 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的模型結(jié)構(gòu)一般采用關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可利用二維關(guān)系表來(lái)實(shí)現(xiàn)，而數(shù)據(jù)查詢可利用索引訪問(wèn)。它的建立依賴嚴(yán)格的數(shù)學(xué)邏輯基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，但存在不足：它所耗費(fèi)的內(nèi)存開(kāi)銷較大，必須及時(shí)優(yōu)化，這就給開(kāi)發(fā)增加了難度。

2.2 有的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)采用網(wǎng)狀模型，它是用指針來(lái)顯示數(shù)據(jù)間的連接關(guān)系，優(yōu)勢(shì)在于節(jié)約大量的存儲(chǔ)空間，因?yàn)樗萌哂鄶?shù)據(jù)和索引文件，使數(shù)據(jù)獨(dú)立性和共享性也有所提高，因而運(yùn)行高效，數(shù)據(jù)操作速度快捷。不足之處在于：這種模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，致使其數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)變得非常大，從而會(huì)影響到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。

2.3 如果在系統(tǒng)開(kāi)銷方面進(jìn)行比較，網(wǎng)狀模型要小于關(guān)系模型，原因是它節(jié)省了索引操作時(shí)間。程序員要合理選擇數(shù)據(jù)庫(kù)模型，可采用網(wǎng)狀加關(guān)系或?qū)哟渭雨P(guān)系的混合模式，取雙方之所長(zhǎng)，如RDM（Raima Database Management）嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)即采用此種模式，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，從而避免了輸入輸出操作周期所導(dǎo)致的資源浪費(fèi)。

3 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的基本特性

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的軟件環(huán)境下所使用的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)一般都為嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，其中典型的代表有Empress數(shù)據(jù)庫(kù)。它是一種集網(wǎng)絡(luò)通信、分布式計(jì)算等學(xué)科于一身的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)?？捎镁W(wǎng)絡(luò)設(shè)備為載體，內(nèi)存的占用較少，運(yùn)行速度快，效率高。其在模型上可以是層次、網(wǎng)狀、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，操作系統(tǒng)的資源條件對(duì)它影響較大。嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

3.1 實(shí)時(shí)嵌入性

一個(gè)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，必須在第一時(shí)間得到系統(tǒng)的資源，并對(duì)系統(tǒng)的請(qǐng)求迅速做出響應(yīng)，實(shí)時(shí)性是它必須具備的特質(zhì)，在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)終端之間，或不同的作業(yè)進(jìn)程之間，它要求用API通信接口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，因此嵌入數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)用涉及到很多的軟件和硬件。如開(kāi)發(fā)人員可以將Empress數(shù)據(jù)庫(kù)嵌入到程序中，成為該軟件的一部分，且在客戶體驗(yàn)時(shí)是“透明”的，即不受什么影響，數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)也是通過(guò)嵌入式的數(shù)據(jù)引擎技術(shù)自動(dòng)完成的。

3.2 可移植性

當(dāng)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)與其他數(shù)據(jù)庫(kù)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，信息共享是一個(gè)重要保證。一般嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中，面對(duì)的數(shù)據(jù)平臺(tái)和操作系統(tǒng)不同，其它應(yīng)用軟件也不盡相同，硬件環(huán)境也各有差異。這就需要嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)必須具有一定的可移植性，以便適應(yīng)各種不同的軟、硬件環(huán)境。

3.3 分割裁剪性

嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的分割裁剪性，體現(xiàn)在它可提高系統(tǒng)運(yùn)作效率，節(jié)省內(nèi)存空間。因?yàn)椴煌那度胧綌?shù)據(jù)庫(kù)所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)千差萬(wàn)別，為了應(yīng)對(duì)不同的系統(tǒng)功能，盡量節(jié)省有限的系統(tǒng)資源，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)必須可供裁剪分割，這樣才能夠根據(jù)不同的系統(tǒng)嵌入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)功能，以發(fā)揮系統(tǒng)整體功效。

3.4 可擴(kuò)展性

由于客戶的硬件、軟件的平臺(tái)不盡相同，單一進(jìn)程的系統(tǒng)功能已不能滿足社會(huì)應(yīng)用的需要，要想實(shí)現(xiàn)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)在不同的數(shù)據(jù)平臺(tái)上運(yùn)行，必須實(shí)現(xiàn)支持多進(jìn)程，隨著嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)代碼量的不斷增加，所支持的功能和數(shù)量也隨之增加，如數(shù)據(jù)庫(kù)Empress能夠支持眾多的平臺(tái)運(yùn)行。

3.5 安全可靠性

嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，雖然它只包含了大型數(shù)據(jù)庫(kù)的部分功能，其數(shù)據(jù)表、數(shù)據(jù)記錄等方面的數(shù)量和大小的控制也變得越來(lái)越復(fù)雜，其功能已從傳統(tǒng)的添加、刪除等操作發(fā)展成為對(duì)多維數(shù)據(jù)、智能控制等進(jìn)行操作，而這些環(huán)節(jié)都離不開(kāi)安全因素，只有數(shù)據(jù)庫(kù)本身安全了，才能顯示嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的輔助功能的重要性，否則，非但起不到正面的功效，還會(huì)因其危險(xiǎn)性殃及主體數(shù)據(jù)庫(kù)。

4 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的現(xiàn)狀

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。但在應(yīng)用場(chǎng)合上，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)與系統(tǒng)的組件及標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，對(duì)于嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)說(shuō)，在應(yīng)用中會(huì)遇到很多特殊化問(wèn)題。有的用戶系統(tǒng)已十分成熟，組件也很完善，但嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)只能實(shí)現(xiàn)客戶大部分需求，而剩下的一小部分的功能需求，只能由供應(yīng)商和客戶之間協(xié)商解決。

4.1 在國(guó)內(nèi)，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)已隨互聯(lián)網(wǎng)的普及而快速發(fā)展，它的安全性問(wèn)題頗受業(yè)界重視，很多問(wèn)題雖已解決，但隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境日趨復(fù)雜，以及計(jì)算機(jī)的軟、硬件不斷更新，對(duì)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性要求也越來(lái)越高，因?yàn)檫@關(guān)乎用戶信息安全問(wèn)題。目前，我國(guó)網(wǎng)絡(luò)消費(fèi)特別是跨境電商的快速發(fā)展，用戶關(guān)心個(gè)人隱私信息的安全，因此，要在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟，就必須解決數(shù)據(jù)安全性問(wèn)題。

4.2 在國(guó)際上，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的研究歷史經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期，在20世紀(jì)70年代，西方國(guó)家就開(kāi)始了數(shù)據(jù)庫(kù)安全性的研究，而微軟等世界一流的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)進(jìn)行強(qiáng)行控制，以保障其數(shù)據(jù)庫(kù)的安全。此外，一些商用型數(shù)據(jù)庫(kù)如Empress嵌入數(shù)據(jù)庫(kù)，具備很好的實(shí)時(shí)性和嵌入性特征，并支持多個(gè)不同的平臺(tái)，在國(guó)外的工業(yè)、醫(yī)療甚至軍事領(lǐng)域都有廣泛用，它能夠進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行及時(shí)反饋。在一些核電站監(jiān)控裝置、化學(xué)工廠監(jiān)控裝置、汽車引擎監(jiān)控裝置等領(lǐng)域扮演重要角色，程序開(kāi)發(fā)人員嚴(yán)格按照客戶要求的技術(shù)指標(biāo)來(lái)特化引擎級(jí)構(gòu)件。

5 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展趨勢(shì)

5.1 網(wǎng)絡(luò)通信與移動(dòng)終端一體化。隨著現(xiàn)代電商及微商的發(fā)展，特別是跨境電商已成為中國(guó)及至全球用戶競(jìng)相追逐的消費(fèi)模式，這必然帶動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中各種軟件與硬件快速發(fā)展。與之相應(yīng)的嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)需較快提升，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各種海量信息進(jìn)行存儲(chǔ)與加工，以適應(yīng)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中軟、硬件實(shí)時(shí)快速通信需要。

5.2 可移植與擴(kuò)展性更強(qiáng)。嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品歷經(jīng)換代，已可支持多種操作系統(tǒng)，未來(lái)要考慮的是能移植到更多的軟硬件平臺(tái)。有的實(shí)時(shí)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行效率不高，甚至影響CPU的速度，因此，將嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)做成具有更好的可移植性和可擴(kuò)展性，以便能適用于絕大多數(shù)的系統(tǒng)平臺(tái)，具有一定的通用性，這可大大地提高開(kāi)發(fā)效率。

5.3 安全性與可靠性更強(qiáng)。為了使數(shù)據(jù)庫(kù)之間實(shí)現(xiàn)信息共享，在保證數(shù)據(jù)使用安全的前提下，提供相應(yīng)的安全對(duì)策，以保護(hù)數(shù)據(jù)不受外來(lái)的惡意破壞。隨著其功能越來(lái)越多，已從傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入輸出操作向?qū)σ纛l、視頻數(shù)據(jù)的操作發(fā)展，必須提高其可靠性才行。

5.4 普適性與智能化并舉。由于數(shù)據(jù)庫(kù)加工的數(shù)據(jù)量不斷增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)的管理與維護(hù)的難度也隨之提高。這就要求嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)各種各樣的軟件及硬件環(huán)境皆具有適應(yīng)性，即可通過(guò)一定的預(yù)測(cè)機(jī)制，根據(jù)系統(tǒng)中環(huán)境情況和自身特點(diǎn)，主動(dòng)地調(diào)整相應(yīng)功能，以適應(yīng)新的軟硬件環(huán)境。這種智能化的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)必將成為未來(lái)數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展趨勢(shì)。

6 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)今以互聯(lián)網(wǎng)為平臺(tái)的大數(shù)據(jù)時(shí)代，嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)可使網(wǎng)絡(luò)通信與移動(dòng)終端一體化，使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能進(jìn)一步提升與完善；它的可移植性與智能化，可為軟件開(kāi)發(fā)提供高效的直通平臺(tái)；它的安全性與可靠性，對(duì)于網(wǎng)上電商及至微商的發(fā)展，提供了更好的安全性保障。嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)正在不斷向著更高技術(shù)發(fā)展，為未來(lái)數(shù)據(jù)庫(kù)的發(fā)展提供方向。

參考文獻(xiàn)

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Research on embedded real time database system

Hu Desen
（HOLLEY college， Guangdong University of Technology，Zengcheng，Guangzhou，511325）

Abstract：With the development of network communication technology and the development of all kinds of hardware facilities，the application of embedded database is very important to network terminal users. The research and development of embedded database has become the research field of the industry，which has attracted a wide range of resonance.This paper analyzes the embedded database system structure，data model and its characteristics，and discusses the embedded database real-time technology related content，as well as the direction of future development.

Keywords：embedded database；architecture；data model；development trend