嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究

胡德森（廣東工業(yè)大學華立學院，廣州增城，511325）

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嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的研究

胡德森
（廣東工業(yè)大學華立學院，廣州增城，511325）

摘要：隨著網絡通信技術和各種硬件設施的發(fā)展，嵌入式數(shù)據(jù)庫的應用對網絡終端用戶顯得尤為的重要。對于嵌入式數(shù)據(jù)庫的研究與開發(fā)也成為業(yè)界人士爭相參與的研究領域，并引起了廣泛的共鳴。本文分析了嵌入式數(shù)據(jù)庫的體系結構、數(shù)據(jù)模型及其特點，并探討了嵌入式數(shù)據(jù)庫實時技術的相關內容，以及未來發(fā)展的方向。

關鍵詞：嵌入式數(shù)據(jù)庫；體系結構；數(shù)據(jù)模型；發(fā)展趨勢

近年來，網絡設備的更新與發(fā)展非常迅速，伴隨著微電子技術與存儲技術的發(fā)展，嵌入式數(shù)據(jù)庫的相關技術也在不斷地快速成長。在嵌入式系統(tǒng)內部，其數(shù)據(jù)處理規(guī)模不斷擴大，而且大規(guī)模的數(shù)據(jù)如何處理的難度將越來越突出。程序開發(fā)人員只能借鑒運用于企業(yè)的處理數(shù)據(jù)庫的相關技術，而且已拓展到實體工業(yè)界、軍事領域、高科技行業(yè)。從嵌入式系統(tǒng)本身的特點來看，如果某些技術已顯過時，將不能滿足日新月異的時代需求，新的方法將在嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應用領域不斷得到創(chuàng)新發(fā)展。

1 嵌入式實時數(shù)據(jù)庫的體系結構

嵌入式系統(tǒng)從本質上來看，是一個“內存數(shù)據(jù)庫”系統(tǒng)，不僅是程序管理的內存緩沖，而且在系統(tǒng)中可供一個或多個實時任務進程共同享用。該數(shù)據(jù)庫可以嵌入在某個已在運行的軟件系統(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)庫不可或缺的補充。

1.1 嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(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)庫系統(tǒng)是本單位的開發(fā)人員針對現(xiàn)有系統(tǒng)自行開發(fā)的一套數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，它只是嵌入到現(xiàn)用軟件系統(tǒng)中，作為現(xiàn)用程序的一個補充部分，不能獨立運行，當今各行業(yè)內部由本部門自行開發(fā)的數(shù)據(jù)庫基本屬于此類。

1.1.2 商用性嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是專業(yè)開發(fā)人員根據(jù)客戶的要求，開發(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，可獨立于現(xiàn)有的應用體系，如eXtreme等嵌入數(shù)據(jù)庫，這種數(shù)據(jù)庫建立在系統(tǒng)的內存，根據(jù)需要，用戶可調用某些接口函數(shù)，并建立新的API，從而對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進行管理。

1.2 嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)具有特定的體系結構，它由三級模式構成：即用戶模式、邏輯模式和存儲模式，并且嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)還要包含曾經使用過的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)DBMS；此外，還要將接口函數(shù)提供給用戶，并由DBMS對數(shù)據(jù)庫進行一些配置操作，包括對系統(tǒng)中內存的記錄節(jié)點進行增減等配置操作。

1.3 一個合格的嵌入式數(shù)據(jù)庫，在構建時應包含如下功能：數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)恢復、實時事務管理、數(shù)據(jù)安全控制等。并根據(jù)系統(tǒng)中的實時操作系統(tǒng)，嵌入相應的自適應平臺，使數(shù)據(jù)模型、物理結構趨于合理，將系統(tǒng)中本來比較緊張的資源，提高其利用率，并優(yōu)化其數(shù)據(jù)保護、交換及查詢等算法，使系統(tǒng)的實時性、可靠性、可預知性都控制在一定范圍內，實現(xiàn)任務進程的優(yōu)先分派和任務進程調度。

2 嵌入式實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型

嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)除了具有體系結構之外，還要有相應的數(shù)據(jù)模型，它不僅規(guī)定了訪問數(shù)據(jù)的操作方式，還決定了系統(tǒng)程序的運行性能和可靠性。

2.1 嵌入式數(shù)據(jù)庫的模型結構一般采用關系模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲可利用二維關系表來實現(xiàn)，而數(shù)據(jù)查詢可利用索引訪問。它的建立依賴嚴格的數(shù)學邏輯基礎，在結構上比較簡單，但存在不足：它所耗費的內存開銷較大，必須及時優(yōu)化，這就給開發(fā)增加了難度。

2.2 有的嵌入式數(shù)據(jù)庫的結構采用網狀模型，它是用指針來顯示數(shù)據(jù)間的連接關系，優(yōu)勢在于節(jié)約大量的存儲空間，因為它利用冗余數(shù)據(jù)和索引文件，使數(shù)據(jù)獨立性和共享性也有所提高，因而運行高效，數(shù)據(jù)操作速度快捷。不足之處在于：這種模型結構復雜，致使其數(shù)據(jù)庫的結構變得非常大，從而會影響到系統(tǒng)的實時性能。

2.3 如果在系統(tǒng)開銷方面進行比較，網狀模型要小于關系模型，原因是它節(jié)省了索引操作時間。程序員要合理選擇數(shù)據(jù)庫模型，可采用網狀加關系或層次加關系的混合模式，取雙方之所長，如RDM（Raima Database Management）嵌入式實時數(shù)據(jù)庫即采用此種模式，結合了兩者的優(yōu)點，從而避免了輸入輸出操作周期所導致的資源浪費。

3 嵌入式數(shù)據(jù)庫的基本特性

在網絡技術的軟件環(huán)境下所使用的分布式數(shù)據(jù)庫一般都為嵌入式數(shù)據(jù)庫，其中典型的代表有Empress數(shù)據(jù)庫。它是一種集網絡通信、分布式計算等學科于一身的數(shù)據(jù)庫技術?？捎镁W絡設備為載體，內存的占用較少，運行速度快，效率高。其在模型上可以是層次、網狀、關系數(shù)據(jù)庫，操作系統(tǒng)的資源條件對它影響較大。嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特點如下：

3.1 實時嵌入性

一個嵌入式數(shù)據(jù)庫，必須在第一時間得到系統(tǒng)的資源，并對系統(tǒng)的請求迅速做出響應，實時性是它必須具備的特質，在各個網絡計算機終端之間，或不同的作業(yè)進程之間，它要求用API通信接口對數(shù)據(jù)進行操作，因此嵌入數(shù)據(jù)庫的運用涉及到很多的軟件和硬件。如開發(fā)人員可以將Empress數(shù)據(jù)庫嵌入到程序中，成為該軟件的一部分，且在客戶體驗時是“透明”的，即不受什么影響，數(shù)據(jù)庫維護也是通過嵌入式的數(shù)據(jù)引擎技術自動完成的。

3.2 可移植性

當嵌入式數(shù)據(jù)庫與其他數(shù)據(jù)庫之間進行數(shù)據(jù)通信時，信息共享是一個重要保證。一般嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在不同的應用領域中，面對的數(shù)據(jù)平臺和操作系統(tǒng)不同，其它應用軟件也不盡相同，硬件環(huán)境也各有差異。這就需要嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)必須具有一定的可移植性，以便適應各種不同的軟、硬件環(huán)境。

3.3 分割裁剪性

嵌入式數(shù)據(jù)庫的分割裁剪性，體現(xiàn)在它可提高系統(tǒng)運作效率，節(jié)省內存空間。因為不同的嵌入式數(shù)據(jù)庫所對應的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)千差萬別，為了應對不同的系統(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)嵌入相應的數(shù)據(jù)庫功能，以發(fā)揮系統(tǒng)整體功效。

3.4 可擴展性

由于客戶的硬件、軟件的平臺不盡相同，單一進程的系統(tǒng)功能已不能滿足社會應用的需要，要想實現(xiàn)嵌入式數(shù)據(jù)庫在不同的數(shù)據(jù)平臺上運行，必須實現(xiàn)支持多進程，隨著嵌入式數(shù)據(jù)庫代碼量的不斷增加，所支持的功能和數(shù)量也隨之增加，如數(shù)據(jù)庫Empress能夠支持眾多的平臺運行。

3.5 安全可靠性

嵌入式數(shù)據(jù)庫的應用越來越廣泛，雖然它只包含了大型數(shù)據(jù)庫的部分功能，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越復雜，其功能已從傳統(tǒng)的添加、刪除等操作發(fā)展成為對多維數(shù)據(jù)、智能控制等進行操作，而這些環(huán)節(jié)都離不開安全因素，只有數(shù)據(jù)庫本身安全了，才能顯示嵌入式數(shù)據(jù)庫的輔助功能的重要性，否則，非但起不到正面的功效，還會因其危險性殃及主體數(shù)據(jù)庫。

4 嵌入式數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)狀

隨著網絡通信技術的快速發(fā)展，嵌入式數(shù)據(jù)庫的應用也越來越廣泛。但在應用場合上，嵌入式數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)的組件及標準不盡相同，對于嵌入式數(shù)據(jù)庫來說，在應用中會遇到很多特殊化問題。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)庫只能實現(xiàn)客戶大部分需求，而剩下的一小部分的功能需求，只能由供應商和客戶之間協(xié)商解決。

4.1 在國內，嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已隨互聯(lián)網的普及而快速發(fā)展，它的安全性問題頗受業(yè)界重視，很多問題雖已解決，但隨著網絡環(huán)境日趨復雜，以及計算機的軟、硬件不斷更新，對嵌入式數(shù)據(jù)庫的安全性要求也越來越高，因為這關乎用戶信息安全問題。目前，我國網絡消費特別是跨境電商的快速發(fā)展，用戶關心個人隱私信息的安全，因此，要在市場競爭中站穩(wěn)腳跟，就必須解決數(shù)據(jù)安全性問題。

4.2 在國際上，嵌入式數(shù)據(jù)庫的研究歷史經歷了相當長的時期，在20世紀70年代，西方國家就開始了數(shù)據(jù)庫安全性的研究，而微軟等世界一流的互聯(lián)網企業(yè)對數(shù)據(jù)訪問進行強行控制，以保障其數(shù)據(jù)庫的安全。此外，一些商用型數(shù)據(jù)庫如Empress嵌入數(shù)據(jù)庫，具備很好的實時性和嵌入性特征，并支持多個不同的平臺，在國外的工業(yè)、醫(yī)療甚至軍事領域都有廣泛用，它能夠進行高速的數(shù)據(jù)采集，并進行及時反饋。在一些核電站監(jiān)控裝置、化學工廠監(jiān)控裝置、汽車引擎監(jiān)控裝置等領域扮演重要角色，程序開發(fā)人員嚴格按照客戶要求的技術指標來特化引擎級構件。

5 嵌入式數(shù)據(jù)庫的發(fā)展趨勢

5.1 網絡通信與移動終端一體化。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及至全球用戶競相追逐的消費模式，這必然帶動網絡中各種軟件與硬件快速發(fā)展。與之相應的嵌入式實時數(shù)據(jù)庫需較快提升，對網絡中各種海量信息進行存儲與加工，以適應未來網絡中軟、硬件實時快速通信需要。

5.2 可移植與擴展性更強。嵌入式數(shù)據(jù)庫產品歷經換代，已可支持多種操作系統(tǒng)，未來要考慮的是能移植到更多的軟硬件平臺。有的實時嵌入式數(shù)據(jù)庫運行效率不高，甚至影響CPU的速度，因此，將嵌入式數(shù)據(jù)庫做成具有更好的可移植性和可擴展性，以便能適用于絕大多數(shù)的系統(tǒng)平臺，具有一定的通用性，這可大大地提高開發(fā)效率。

5.3 安全性與可靠性更強。為了使數(shù)據(jù)庫之間實現(xiàn)信息共享，在保證數(shù)據(jù)使用安全的前提下，提供相應的安全對策，以保護數(shù)據(jù)不受外來的惡意破壞。隨著其功能越來越多，已從傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入輸出操作向對音頻、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)庫加工的數(shù)據(jù)量不斷增加，導致數(shù)據(jù)庫的管理與維護的難度也隨之提高。這就要求嵌入式數(shù)據(jù)庫對各種各樣的軟件及硬件環(huán)境皆具有適應性，即可通過一定的預測機制，根據(jù)系統(tǒng)中環(huán)境情況和自身特點，主動地調整相應功能，以適應新的軟硬件環(huán)境。這種智能化的嵌入式數(shù)據(jù)庫必將成為未來數(shù)據(jù)庫的發(fā)展趨勢。

6 結語

在當今以互聯(lián)網為平臺的大數(shù)據(jù)時代，嵌入式數(shù)據(jù)庫可使網絡通信與移動終端一體化，使傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理功能進一步提升與完善；它的可移植性與智能化，可為軟件開發(fā)提供高效的直通平臺；它的安全性與可靠性，對于網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)庫正在不斷向著更高技術發(fā)展，為未來數(shù)據(jù)庫的發(fā)展提供方向。

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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