2022年嵌入式数据库无所不在 .pdf

嵌入式数据库无所不在Time:2009-02-11 10:27:00 Author: Source: 分享到：随着移动通信和网络技术的进步，人们对随时随地无所不在的计算、信息处理和信息交换的需求不断提高，与各种电子设备紧密结合的嵌入式数据库技术得到飞速发展。可以预见，未来嵌入式数据库将无所不在，人们希望能够随时随地存取任意数据的愿望终将成为现实。一、嵌入式数据库(eDB) 重要性日益凸现首先通过几个实例阐明电子设备中为什么需要嵌入式数据库。实例一：汽车电子随着汽车中的电子装置越来越多，所产生的数据越来越复杂，数据量也越来越大，嵌入式数据库必将成为汽车环境中进行数据管理的最佳、也是惟一的选择。以节省汽车油耗的控制系统为例( 图 1)：通过安装在气缸和尾气排放口的传感器，可以实时获取气缸内的压力和温度、尾气温度和CO2含量等数据并保存到嵌入式数据库中， 同时触发数据库内的处理过程，判断采集得到的数据是否符合相应要求( 如：节能减排的指标要求 ) ，然后根据预定策略计算调整参数，将计算结果传给控制器，以控制喷油嘴和引擎，达到环保节能的目的。实例二：电信和移动在电信和移动应用中有许多场合( 如：电话呼叫中心、短信中心、无线网络中心、电信实时计费系统等) 对数据的快速处理和响应要求很高：电信的计费系统如果不能及时得到数据响应，必然会给客户带来损失；短信中心如果不能及时将短信送达目标设备，也会给客户带来沟通上的不便。实践已经证明：使用嵌入式数据库是实现快速处理和响应的最佳方案。图2 是对短信网关的一个说明。短信网关是短信中心的一部分，访问量非常大，嵌入式数据库可实时查询出被叫手机所在位置，将短信打包、存储、转发，并与后台的大型数据库进行数据同步。Web网关也是短信中心的一部分，同样要借助于内存数据库来保证对客户的快速响应，并与后台数据库进行数据同步。实例三：行星探测器嵌入式数据库在行星探测器中的应用可分为四个层面：1用嵌入式数据库实时处理各种复杂数据( 星云和大气信息、温度信息、各种传感器信息等)，然后探测仪把这些数据发送到地面控制中心；2收集各种遥感数据和天体信息以及飞船的空间几何数据信息，根据这些信息给科学仪器提供具体的遥感观测指令；3 管理航天器的运转信息( 电池电压、燃料供应、旋转、高度和定位 ) 和遥测数据 ( 图像数据收集和卫星转发)； 4 实时处理所有的用户信息、地面状态信息和卫星数据值，以便对卫星进行控制以及回放和分析。具体见图3。二、什么是嵌入式数据库根据维基百科的定义，嵌入式数据库是与那些需要存取数据的应用紧密集成的DBMS ，应用的终端用户感觉不到它的存在，并且只需要很少的维护或者不需要维护。我们可以这样理解该定义：嵌入式数据库是嵌入名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 5 页 - - - - - - - - - 式设备上的数据管理软件，提供给设备的生产商或应用的开发商，直接生成在嵌入式系统和应用之中，从而实现可定制的、更为客户化的数据管理。为了更好地说明嵌入式数据库的基本概念，我们将其与传统数据库进行比较。这种比较可以分别从应用层面和技术层面进行展开。从应用层面来看，嵌入式数据库的特点在于以下几个方面：?小内核：可嵌入应用程序和处理能力受限的硬件环境；?高性能：比企业级数据库速度快，实时性要求高；?低成本：可嵌入手机、车载导航等批量生产的系统里；?可裁减：能够根据实际需要增加或者减少必要的功能模块；?嵌入性：能够嵌入到软件系统或者硬件系统中，对于终端用户来说是透明的。从技术层面而言，与传统数据库的区别体现在：1数据处理方式不同传统企业级数据库，如：Oracle 、DB2等，有庞大的数据库服务器，并且有独立运行的数据库引擎，数据处理方式是引擎响应式。而嵌入式数据库由于软硬件资源有限，不能安装服务器，只需要数据库产品的一些基本特性，并且由程序调用相应的API 实现对数据的存取操作，是程序驱动方式。2 逻辑模式不同都是三级模式，但传统数据库基本上采用关系模型，而嵌入式数据库除采用关系模型外，还会采用网状模型或两者的结合体，主要是为了避免关系模型中数据冗余和索引文件的空间开销。3优化重点不同传统数据库由于面向通用的应用，优化重点是：高吞吐量、高效的索引机制、详尽的查询优化策略。而嵌入式数据库是面向特定应用的，并且资源有限，优化重点是：实时性、开销大小、系统性能、可靠性、可预知性和底层控制能力，即如何针对选用的实时OS和嵌入式硬件平台设计合理的数据模型和物理结构。4关键技术不同嵌入式数据库的很多关键技术与传统数据库不同，如：备份恢复、 复制与同步 ( 通过上载、 下载或混合方式，加上复杂的同步控制，来实现服务器和前端设备的数据同步) 、事务和安全性 ( 因为设备具有较高的移动性、便携性加上非固定的工作环境，存在诸多不安全的因素) 等。嵌入式数据库的应用领域可分为水平应用与垂直应用两大类。其中，水平应用是指通用性较强的应用，包括：场地问的移动应用，公共数据库信息存取，监控系统，基于GPS和 GLS的应用、模拟等等；而垂直应用指的是专用性较强的应用系统，包括：零售业、电信业、医疗业、银行业和运输业等等。三、嵌入式数据库的组成和研究内容嵌入式数据库的体系结构如图4 所示。从图中可以看出：嵌入式数据库是位于操作系统和应用程序之间的系统软件，主要是利用操作系统提供的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 5 页 - - - - - - - - - 文件系统来访问数据库中的数据。应用程序开发人员可利用特定接口(SQLCLI、DDL解析工具、实用工具集等 ) 与嵌入式数据库进行交互。嵌入式数据库的主要研究内容包括：数据库例程、内存和缓冲区管理、并发控制、系统故障恢复、访问接口控制、数据定义和数据存储等。四、嵌入式数据库的发展较早的关于嵌入式数据库的论文出现在1987 年第 13 届 VLDB会议上，由丹麦哥本哈根大学A Christensen等人发表了题为A Comparison of Self-Contained andEmbedded Database Languages的论文。早期的嵌入式数据库产品有1979 年的 Micro RelationSystem，后来版本几经更新，成为现在的Empress；1984 年 Raima推出 db_Vista ，后改名为 RDM(Raima DatabaseManager) ；1998 年 ObjectStore推出 PSE Pro 3.0 ，是第一个被Windows CE和 PersonalJava操作系统同时认证的嵌入式数据库；1999 年 McObject 推出的 eXtremeDB 是第一个为实时嵌入式系统设计的内存数据库；2000 年出现的 DB4o是第一个面向对象的嵌入式数据库。五、嵌入式数据库的主要产品嵌入式数据库产品分类1移动 CS 数据库企业级数据库的一个缩小版，在一些对实时性要求不高的设备内运行。它只和操作系统有关，一般只能支持一些常见的移动操作系统，如Linux 和 WindowsCE系列。2嵌入软件的数据库将数据库作为组件嵌入软件系统中。一般用在对数据库的安全性、稳定性和速度要求比较高的系统中。这种结构资源消耗低，终端用户不用维护数据库，甚至感受不到数据库的存在。3嵌入设备的数据库将数据库嵌入设备，作为设备数据处理的杨心组件。要求数据库有很高的实时性和稳定性，一般运行在实时操作系统中。4 内存数据库数据库直接在内存中运行，数据处理更加高速，不过安全性等方面需要额外的手段来保障。国内外市场状况Oracle 的嵌入式数据库产品线比较完整，包括BerleleyDB 、TimesTen、Lite三种。其中 Berleley DB适合嵌入到设备中使用；TimesTen 为内存型实时关系数据库；Lite提供完整的集成式环境，用于开发、实施和管理移动应用。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 5 页 - - - - - - - - - Sybase SQL Anywhere 属于移动 CS数据库：提供企业级特性，同时实现高度的自管理。IBM Solid属于内存数据库。SQLite ：开源数据库，具有系统开销小、检索效率高的特性，适用于手机、PDA 、机顶盒等设备。EMPRESS：产品线完整，包括Memory Embedded 、Lite 、Ultra Embedded 、RDBMS Suite。具有实时、稳定、免维护、易裁剪等特性。人大“小精灵”：支持移动平台。六、我们的研究工作目前我们的研究工作主要在以下几个领域展开：1嵌入式数据库体系结构?数据库的核心直接和应用程序编译在一起嵌入式数据库采用嵌入式库的模型，将数据库的核心直接和应用程序编译在一起，享有相同的地址空间，这样基本上消除了进程的上下文切换，降低了CPU的开销。不仅如此，由于没有了进程间的IPC 通信或网络报文传递，系统的负担将进一步降低，宝贵的内存资源得以节约。此外，无须担心嵌入式库的方式会导致应用程序可执行二进制文件的膨胀，因为我们可以使用共享库的方式，在这种方式下，多个应用程序共享嵌入式库的代码。?SQL CLI 的前端和 DML查询处理的函数库模式前端是指嵌入式数据库与应用程序的接口，以SQL CLI 函数集形式提供， 该函数集可以扩展。应用程序访问数据库是通过该函数集实现的。前端以库的形式提交，应用程序开发人员需要将应用程序和它编译在一起。数据的查询和更新通过DML处理模块实现。同前端一样，它也以库的形式提交，应用程序开发人员需要将应用程序和它( 以及前端 ) 都编译在一起。DML处理模块主要包括两个子模块，即DML语法解析模块和数据存取模块。?利用文件系统提供的系统调用来操作数据库实现数据访问的功能，如：打开关闭数据库的数据字典文件、数据文件、索引文件，以及读写这些文件中的数据。2 内存管理为提高闪存数据访问的效率，数据库内部建立了缓冲区机制。为最小化内存资源消耗，并使它可控，我们名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 5 页 - - - - - - - - - 使用了内存池技术，用自己的动态内存管理技术为各个模块提供服务。它是数据库内部的公共部分。?数据库内部建立缓冲区机制缓冲区机制是指为减少Flash 或磁盘 I O而在主存和二级存储器之间架设了一块内存空间，其职责是在查询处理过程中让数据存取模块得到所需的元组，数据存取模块通过某种访问方法( 如顺序扫描或索引扫描)从这些缓冲区读写元组，写入元组也是写到缓冲区上，而不需要直接访问Flash 文件或磁盘系统。?动态内存管理技术系统使用了自己的动态内存管理方法取代系统的malloc 和 free ，也就是预分配 +内存池技术。其主要优点有： 1)系统内部的动态数据结构其长度基本上都落在预定义类别的块上，而块又按等长的片断组织，内存管理的算法大大简化了，提高了分配和回收的效率；2) 系统的动态内存分配和释放只在预留的存储空间上，基本不会干扰系统堆，使得在嵌入式系统中常发生的堆破碎可能性几乎降为零，大大增强了系统的可靠性；3)系统的内存占用处于我们可以控制的范围，用户根据应用的规模在系统初始时可进行配置；4) 一定程度上节约了内存资源。缺省系统堆的内存管理为了能分配各种长度，会在所分配的动态内存前面存储一些控制信息，这些控制信息至少占8 字节。采用预分配+内存池技术后，不再需要这些控制信息。3 自主知识产权的嵌入式数据库研究开发基于国产的嵌入式操作系统，开发具有完全自主知识产权的嵌入式数据库，并进行应用示范。满足手持式计算和移动计算、智能设备、嵌入式系统和智能卡等新兴领域对数据管理的要求。能够方便、可靠地集成到现有的企业级应用中。在充分考虑系统性能(如：内存资源占用、CPU开销 ) 的基础上，使得嵌入式数据库系统具有专用性、微型化、健壮性、可伸缩性、零管理、互操作性和可移植性等特点。4合作研究为了更好地进行嵌入式数据库的研发和推广工作，我们正在与华东计算技术研究所、加拿大Empress 公司和上海互惠公司开展合作。与华东计算技术研究所合作方面，我们计划在ReWorks操作系统上开发实时嵌入式数据库 ReData，计划用三年时间完成系统开发。结语随着嵌入式系统的广泛应用及嵌入式操作系统的不断普及，嵌入式环境中处理的数据量不断增加，对数据的处理效率、并发处理能力等方面的要求越来越高，需要利用数据库技术来管理和处理嵌入式环境中的各种数据。据 IDC 等国内外权威机构预测，将会出现数以亿计的嵌入式设备存在数据管理的需要，从而极大地推动嵌入式数据库的技术发展和市场应用。( 感谢上海互惠信息技术有限公司的欧书云先生提供了部分资料) 名师资料总结 - 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