第九讲 嵌入式数据库 嵌入式软件设计开发 教学课件
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嵌入式软件设计开发
康一梅 kangyimei@
BeiHang College of Software
第九讲 嵌入式数据库
主要内容
9.1 概述 9.2 嵌入式数据库的分类 9.3 嵌入式数据库设计技术指标 9.4 嵌入式数据库管理系统设计 9.5 嵌入式数据库应用设计 9.6 几种嵌入式数据库
9.1.2.1 典型数据库系统体系结构
将用户的查询翻译 成内部形式，称作 查询计划
用户/应用 查询更新
查询编译器
事务命令
事务管理器
数据库管理员 数据定义 语言命令
DDL编译器
接受DLL命令，经过 索引、文件和记录管 理器来改变元数据。
将可利用的主存空 间分割成缓冲区， 用于存放数据。
查询计划
执行引擎
硬件平台
9.1 嵌入式数据库概述
9.1.3 嵌入式数据库系统发展现状
目前各种嵌入式数据库系统提供应用定制的方法主要有 编译法和解释法：
编译法：将应用所使用的数据管理操作固定在应用中，在应用生成 后。如果需要调整操作，参数也要重新生成。 解释法：将数据操作的解释器集成在应用中，生成后的应用对新的 操作也能够起作用。
9.1 嵌入式数据库概述
9.1.1 特 点 嵌入式（实时）数据库指事务和数据都可具备显式定时 限制的数据库管理系统。
与大型数据库相比，嵌入式数据库具有以下特点： 1.占用存储空间小 2.可靠性、可管理性和安全性 3.互操作性和可移植性 4.可剪裁性
9.1 嵌入式数据库概述
9.1.2 嵌入式数据库的体系结构
9.1 嵌入式数据库概述
9.1.3 嵌入式数据库系统发展现状
国外现状： Sybase 公司：Sybase SQL Anywhere Studio 7.0； Oracle 公司：Oracle Lite； IBM 公司：DB2 Satellite和DB2 Everyplace。
国内现状： 人民大学：金仓的“小精灵”系统； 东北大学：Open BASE Mini； 北京大学： ECOBASE。
对索引、文件 和记录的请求
索引、文件和 记录管理器
数据 缓冲区管理器 元数据
日志和恢复 缓冲区
并发控制 锁表
读页/写页
存储管理器
由管理员输入命令， 对命令进行分析，传 给执行引擎。
保证数据操作的原子 性、持久性
9.1 嵌入式数据库概述
9.1.2 嵌入式数据库的体系结构 9.1.2.2 嵌入式数据库系统体系结构
DBM( t)真包含于 DB； ● TS为所有事务的集合，A T (t) 是 t 时刻的活动
事务集，A T ( t) 真包含于 T S； ● D t (T ) 为 T 在 t 时刻的操作数据集，D t(T ) 真
包含于 DB； ● 若在任一时刻 t，均有：对任一事务有 T ∈A T
( t)，D t (T ) 真包含于 DBM ( t)成立，则称 DB 为一个内 存数据库，简记为 MMDB。
SQL Anywhere provides data management and exchange technologies designed for database-powered applications that operate in frontline environments without onsite IT support. It offers enterprise-caliber features in a database that is easily embedded and widely deployed in server, desktop, remote office and mobile applications.
这些嵌入式数据库对资源要求较低，占用内存空间 较小，从几十K 到几百K 不等；支持C语言API函数和标 准SQL子集的开发接口，并提供了数据同步的功能。
9.1 嵌入式数据库概述
/TechHotspot/TH_embeddedDB.asp
9.1 嵌入式数据库概述
Sybase 公司：Sybase SQL Anywhere Studio
9.2 嵌入式数据库的分类
9.2.1 基于内存方式 (Main Memory Database System)
内存数据库是支持实时事务的最佳技术，本质特征 是以其“主拷贝”或“工作版本”常驻内存，即活动事 务只与实时内存数据库的内存拷贝打交道。
内存数据库要求较大的内存量，但并不是要求任何 时刻整个数据库都能存放在内存。传统数据库适用的数 据结构、事务处理算法与优化、并发控制及恢复等技术 对内存数据库不一定合适，需独立设计。
9.1 嵌入式数据库概述
东北大学：Open BASE Mini
OpenBASE Mini的成功推出 为嵌入式系统，提供了方便、可 靠的数据管理手段。它在如下的 领域中得到广泛的应用：
医疗、保险、零售、 金融、电信、军事
9.1 嵌入式数据库概述
北京大学： ECOBASE
/projects/ecobase/
9.2 嵌入式数据库的分类
9.2.1 基于内存方式 (Main Memory Database System)
eXtremeDB
1. 内存数据库，eXtremeDB将数据以程序直接使用的格式保存在主内存之中，不仅剔除了文件 I/O的开销，也剔除了文件系统数据库所需的缓冲和Cache机制。其结果是每个交易一微秒甚 至更少的极限速度，相比于类磁盘数据库而言，速度成百上千倍地提高。作为内存数据库， eXtremeDB不仅性能高，而且数据存储的效率也非常高。为了提高性能并方便程序使用，数 据在eXtremeDB中不做任何压缩，100M的空间可以保存高达70M以上的有效数据，这是其他 数据库所不可想象的。 2. 混合数据库，eXtremeDB不仅可以建立完全运行在主内存的内存数据库，更可以建立磁盘/ 内存混合介质的数据库。在eXtremeDB，我们把这种建立在磁盘、内存或磁盘+内存的运行模 式称为eXtremeDB Fusion融合数据库。eXtremeDB Fusion兼顾数据管理的实时性与安全性要求 ，是实时数据管理的台阶性进步。 3. 嵌入式数据库，eXtremeDB内核以链接库的形式包含在应用程序之中，其开销只有 50KB~130KB。无论在嵌入式系统还是在实时系统之中，eXtremeDB都天然地嵌入在应用程序 之中，在最终用户毫不知情的情况下工作。eXtremeDB的这种天然嵌入性对实时数据管理至 关重要：各个进程都直接访问eXtremeDB数据库，避免了进程间通信，从而剔除了进程间通 信的开销和不确定性。同时， eXtremeDB独特的数据格式方便程序直接使用的，剔除了数据 复制及数据翻译的开销，缩短了应用程序的代码执行路径。 4. 由应用定制的API，应用程序对eXtremeDB数据库的操作接口是根据应用数据库设计而自动 产生，不仅提升了性能，也剔除了通用接口所必不可少的动态内存分配，从而提高了应用系 统的可靠性。定制过程简单方便，由高级语言定制eXtremeDB数据库中的表格、字段、数据 类型、事件触发、访问方法等应用特征，通过eXtremeDB预编译器自动产生访问该数据库的 C/C++ API接口。 5. 可预测的数据管理, eXtremeDB独特的体系结构，保证了数据管理的可预测性。 eXtremeDB不仅更快、更小，而且更确定。在80双核CPU的服务器上，eXtremeDB在1TB内存 里保存15B条记录；无论记录数多少，eXtremeDB可以在八十分之一微秒的时间内提取一条记 录。
9.1 嵌入式数据库概述
东北大学：Open BASE Mini
技术特点： •具有微小内核结构，最小系统50K左右； •提供了对标准SQL的支持； •具有事务处理功能； •具有完善的数据同步机制，支持主动同步，支持 与异构数据源的同步，实现了冲突检测并提供了多 种冲突解决方案； •具有强大的系统管理工具，方便实现系统的建立 和管理； •提供了多种灵活的编程接口，便于嵌入式开发； •支持多种嵌入式操作系统，目前系统可以支持Win CE和Palm两种主流的嵌入式操作系统。
9.1 嵌入式数据库概述
金仓的“小精灵”系统
•支持低端产品：主要面向移动信息采集，处理终端， 户外工作等；由本地DBMS和简单的同步服务器构成
•支持高端产品：主要面向移动通讯、GPS的应用需求， 可适用于智能交通管理、军队指挥系统、消防、警察 等；由本地DBMS和支持事务一致性的同步服务器构 成支持信息电器的嵌入产品：具有极精简的嵌入 DBMS和因特网访问功能，广泛适用机顶盒、手机、 车载设备等
实时内存数据库的设计应打破传统磁盘数据库的设 计观念，考虑内存直接快速存取的特点，以CPU和内存 空间的高效利用为目的，来重新设计、开发各种策略、 算法、技术、方法和机制。
9.y Database System)
设有数据库 DB， ● DBM ( t) 是 t 时刻 DB 在内存中的数据集，
9.1 嵌入式数据库概述
数据库，人们为解决特定的任务，以一定的 组织方式存储在一起的相关的数据的集合。
实时 数据库
嵌入式 数据库
9.1 嵌入式数据库概述
嵌入式数据库，是指可在嵌入式设备中独立运行的一 种数据库系统，用以处理大量的、时效性强且有严格时序 的数据，它以高可靠性、高实时性和信息吞吐量为目标， 其数据的正确性不仅依赖于逻辑结果，而且依赖于逻辑结 果产生的时间。
/products/databasemanagement/sqlanywhere
9.1 嵌入式数据库概述
SQL Anywhere Sybase Anywhere - Mobile and Embedded Database
The industry-leading mobile and embedded database, providing data management and exchange technologies that enable applications for frontline environments.
SQL 接口
外壳 内核
API 接口
SQL 接口
数据库系统功能
事务模块
数据库基本功能
DataBase I/O
日志机制
缓冲机制 RAM表虚拟
FLASH 文件系统
文件
9.1 嵌入式数据库概述
9.1.3 嵌入式数据库系统发展现状
目前各种应用解决方案中，大多采用以下所示的体系结构：
应用程序 嵌入式数据库 嵌入式操作系统
9.2 嵌入式数据库的分类
9.2.1 基于内存方式 (Main Memory Database System)
eXtremeDB McObject公司的商业版嵌入式实时数据库。支持QNX、 VxWorks、WindowsCE、Linux、嵌入式Linux、Windows、 UNIX、Quodros。可运行于主内存中。 特点： 空间开销非常小：包括实时操作系统在内的总空间开 销为130K字节以内； 提供数据管理的关键功能：包括任务间协调、高速灵 活的导航并保证数据一致性； 高效率性：越过文件I/O及大量消耗CPU资源的缓存过 程，大大提高了eXtremeDB在数据管理时的效率； 自检：提供自检API极大地提高了用户研发的效率；
9.1 嵌入式数据库概述
金仓的“小精灵”系统
“小精灵”嵌入式移动数据库系统是由中国人民大学数据 与知识工程研究所、人大金仓信息技术有限公司自主开发。
技术特点: 核心精巧，占用内存小于100KB； 执行代码为100K～300K; 支持基本的SQL功能； 具有与远程数据库进行数据交换的 功能并保持数据同步； 与其它数据库（Oracle、Sybase、 SQL Server）数据交换； 具有可裁减性； 具有简单清晰的类ODBC的API； 支持多种平台HOPEN，WinCE， 嵌入式Linux。
9.1 嵌入式数据库概述
北京大学： ECOBASE
技术指标： •存储量：占用内存70KB； •运行工作空间：基本内核执行代码140KB； •支持的数据类型：int、numeric、float、decimal、 char、date、long； •支持基本的SQL功能包括：表的创建与撤消，不 带子查询的增删改查语句，支持事务的概念。
9.1 嵌入式数据库概述
东北大学：Open BASE Mini
OpenBASE Mini在最初的设计时就定位在易学、 易用、安全、标准的前提上。
•易学,使用户在具备了一定的数据库开发经验的 基础上只需要简单的学习就可以掌握OpenBASE Mini系统的开发； •易用,系统维护方便，系统各种操作简单； •安全,为用户提供了安全可靠的系统管理手段； •标准,支持目前国际通用的各种数据库标准，方 便系统的开发和移植。
康一梅 kangyimei@
BeiHang College of Software
第九讲 嵌入式数据库
主要内容
9.1 概述 9.2 嵌入式数据库的分类 9.3 嵌入式数据库设计技术指标 9.4 嵌入式数据库管理系统设计 9.5 嵌入式数据库应用设计 9.6 几种嵌入式数据库
9.1.2.1 典型数据库系统体系结构
将用户的查询翻译 成内部形式，称作 查询计划
用户/应用 查询更新
查询编译器
事务命令
事务管理器
数据库管理员 数据定义 语言命令
DDL编译器
接受DLL命令，经过 索引、文件和记录管 理器来改变元数据。
将可利用的主存空 间分割成缓冲区， 用于存放数据。
查询计划
执行引擎
硬件平台
9.1 嵌入式数据库概述
9.1.3 嵌入式数据库系统发展现状
目前各种嵌入式数据库系统提供应用定制的方法主要有 编译法和解释法：
编译法：将应用所使用的数据管理操作固定在应用中，在应用生成 后。如果需要调整操作，参数也要重新生成。 解释法：将数据操作的解释器集成在应用中，生成后的应用对新的 操作也能够起作用。
9.1 嵌入式数据库概述
9.1.1 特 点 嵌入式（实时）数据库指事务和数据都可具备显式定时 限制的数据库管理系统。
与大型数据库相比，嵌入式数据库具有以下特点： 1.占用存储空间小 2.可靠性、可管理性和安全性 3.互操作性和可移植性 4.可剪裁性
9.1 嵌入式数据库概述
9.1.2 嵌入式数据库的体系结构
9.1 嵌入式数据库概述
9.1.3 嵌入式数据库系统发展现状
国外现状： Sybase 公司：Sybase SQL Anywhere Studio 7.0； Oracle 公司：Oracle Lite； IBM 公司：DB2 Satellite和DB2 Everyplace。
国内现状： 人民大学：金仓的“小精灵”系统； 东北大学：Open BASE Mini； 北京大学： ECOBASE。
对索引、文件 和记录的请求
索引、文件和 记录管理器
数据 缓冲区管理器 元数据
日志和恢复 缓冲区
并发控制 锁表
读页/写页
存储管理器
由管理员输入命令， 对命令进行分析，传 给执行引擎。
保证数据操作的原子 性、持久性
9.1 嵌入式数据库概述
9.1.2 嵌入式数据库的体系结构 9.1.2.2 嵌入式数据库系统体系结构
DBM( t)真包含于 DB； ● TS为所有事务的集合，A T (t) 是 t 时刻的活动
事务集，A T ( t) 真包含于 T S； ● D t (T ) 为 T 在 t 时刻的操作数据集，D t(T ) 真
包含于 DB； ● 若在任一时刻 t，均有：对任一事务有 T ∈A T
( t)，D t (T ) 真包含于 DBM ( t)成立，则称 DB 为一个内 存数据库，简记为 MMDB。
SQL Anywhere provides data management and exchange technologies designed for database-powered applications that operate in frontline environments without onsite IT support. It offers enterprise-caliber features in a database that is easily embedded and widely deployed in server, desktop, remote office and mobile applications.
这些嵌入式数据库对资源要求较低，占用内存空间 较小，从几十K 到几百K 不等；支持C语言API函数和标 准SQL子集的开发接口，并提供了数据同步的功能。
9.1 嵌入式数据库概述
/TechHotspot/TH_embeddedDB.asp
9.1 嵌入式数据库概述
Sybase 公司：Sybase SQL Anywhere Studio
9.2 嵌入式数据库的分类
9.2.1 基于内存方式 (Main Memory Database System)
内存数据库是支持实时事务的最佳技术，本质特征 是以其“主拷贝”或“工作版本”常驻内存，即活动事 务只与实时内存数据库的内存拷贝打交道。
内存数据库要求较大的内存量，但并不是要求任何 时刻整个数据库都能存放在内存。传统数据库适用的数 据结构、事务处理算法与优化、并发控制及恢复等技术 对内存数据库不一定合适，需独立设计。
9.1 嵌入式数据库概述
东北大学：Open BASE Mini
OpenBASE Mini的成功推出 为嵌入式系统，提供了方便、可 靠的数据管理手段。它在如下的 领域中得到广泛的应用：
医疗、保险、零售、 金融、电信、军事
9.1 嵌入式数据库概述
北京大学： ECOBASE
/projects/ecobase/
9.2 嵌入式数据库的分类
9.2.1 基于内存方式 (Main Memory Database System)
eXtremeDB
1. 内存数据库，eXtremeDB将数据以程序直接使用的格式保存在主内存之中，不仅剔除了文件 I/O的开销，也剔除了文件系统数据库所需的缓冲和Cache机制。其结果是每个交易一微秒甚 至更少的极限速度，相比于类磁盘数据库而言，速度成百上千倍地提高。作为内存数据库， eXtremeDB不仅性能高，而且数据存储的效率也非常高。为了提高性能并方便程序使用，数 据在eXtremeDB中不做任何压缩，100M的空间可以保存高达70M以上的有效数据，这是其他 数据库所不可想象的。 2. 混合数据库，eXtremeDB不仅可以建立完全运行在主内存的内存数据库，更可以建立磁盘/ 内存混合介质的数据库。在eXtremeDB，我们把这种建立在磁盘、内存或磁盘+内存的运行模 式称为eXtremeDB Fusion融合数据库。eXtremeDB Fusion兼顾数据管理的实时性与安全性要求 ，是实时数据管理的台阶性进步。 3. 嵌入式数据库，eXtremeDB内核以链接库的形式包含在应用程序之中，其开销只有 50KB~130KB。无论在嵌入式系统还是在实时系统之中，eXtremeDB都天然地嵌入在应用程序 之中，在最终用户毫不知情的情况下工作。eXtremeDB的这种天然嵌入性对实时数据管理至 关重要：各个进程都直接访问eXtremeDB数据库，避免了进程间通信，从而剔除了进程间通 信的开销和不确定性。同时， eXtremeDB独特的数据格式方便程序直接使用的，剔除了数据 复制及数据翻译的开销，缩短了应用程序的代码执行路径。 4. 由应用定制的API，应用程序对eXtremeDB数据库的操作接口是根据应用数据库设计而自动 产生，不仅提升了性能，也剔除了通用接口所必不可少的动态内存分配，从而提高了应用系 统的可靠性。定制过程简单方便，由高级语言定制eXtremeDB数据库中的表格、字段、数据 类型、事件触发、访问方法等应用特征，通过eXtremeDB预编译器自动产生访问该数据库的 C/C++ API接口。 5. 可预测的数据管理, eXtremeDB独特的体系结构，保证了数据管理的可预测性。 eXtremeDB不仅更快、更小，而且更确定。在80双核CPU的服务器上，eXtremeDB在1TB内存 里保存15B条记录；无论记录数多少，eXtremeDB可以在八十分之一微秒的时间内提取一条记 录。
9.1 嵌入式数据库概述
东北大学：Open BASE Mini
技术特点： •具有微小内核结构，最小系统50K左右； •提供了对标准SQL的支持； •具有事务处理功能； •具有完善的数据同步机制，支持主动同步，支持 与异构数据源的同步，实现了冲突检测并提供了多 种冲突解决方案； •具有强大的系统管理工具，方便实现系统的建立 和管理； •提供了多种灵活的编程接口，便于嵌入式开发； •支持多种嵌入式操作系统，目前系统可以支持Win CE和Palm两种主流的嵌入式操作系统。
9.1 嵌入式数据库概述
金仓的“小精灵”系统
•支持低端产品：主要面向移动信息采集，处理终端， 户外工作等；由本地DBMS和简单的同步服务器构成
•支持高端产品：主要面向移动通讯、GPS的应用需求， 可适用于智能交通管理、军队指挥系统、消防、警察 等；由本地DBMS和支持事务一致性的同步服务器构 成支持信息电器的嵌入产品：具有极精简的嵌入 DBMS和因特网访问功能，广泛适用机顶盒、手机、 车载设备等
实时内存数据库的设计应打破传统磁盘数据库的设 计观念，考虑内存直接快速存取的特点，以CPU和内存 空间的高效利用为目的，来重新设计、开发各种策略、 算法、技术、方法和机制。
9.y Database System)
设有数据库 DB， ● DBM ( t) 是 t 时刻 DB 在内存中的数据集，
9.1 嵌入式数据库概述
数据库，人们为解决特定的任务，以一定的 组织方式存储在一起的相关的数据的集合。
实时 数据库
嵌入式 数据库
9.1 嵌入式数据库概述
嵌入式数据库，是指可在嵌入式设备中独立运行的一 种数据库系统，用以处理大量的、时效性强且有严格时序 的数据，它以高可靠性、高实时性和信息吞吐量为目标， 其数据的正确性不仅依赖于逻辑结果，而且依赖于逻辑结 果产生的时间。
/products/databasemanagement/sqlanywhere
9.1 嵌入式数据库概述
SQL Anywhere Sybase Anywhere - Mobile and Embedded Database
The industry-leading mobile and embedded database, providing data management and exchange technologies that enable applications for frontline environments.
SQL 接口
外壳 内核
API 接口
SQL 接口
数据库系统功能
事务模块
数据库基本功能
DataBase I/O
日志机制
缓冲机制 RAM表虚拟
FLASH 文件系统
文件
9.1 嵌入式数据库概述
9.1.3 嵌入式数据库系统发展现状
目前各种应用解决方案中，大多采用以下所示的体系结构：
应用程序 嵌入式数据库 嵌入式操作系统
9.2 嵌入式数据库的分类
9.2.1 基于内存方式 (Main Memory Database System)
eXtremeDB McObject公司的商业版嵌入式实时数据库。支持QNX、 VxWorks、WindowsCE、Linux、嵌入式Linux、Windows、 UNIX、Quodros。可运行于主内存中。 特点： 空间开销非常小：包括实时操作系统在内的总空间开 销为130K字节以内； 提供数据管理的关键功能：包括任务间协调、高速灵 活的导航并保证数据一致性； 高效率性：越过文件I/O及大量消耗CPU资源的缓存过 程，大大提高了eXtremeDB在数据管理时的效率； 自检：提供自检API极大地提高了用户研发的效率；
9.1 嵌入式数据库概述
金仓的“小精灵”系统
“小精灵”嵌入式移动数据库系统是由中国人民大学数据 与知识工程研究所、人大金仓信息技术有限公司自主开发。
技术特点: 核心精巧，占用内存小于100KB； 执行代码为100K～300K; 支持基本的SQL功能； 具有与远程数据库进行数据交换的 功能并保持数据同步； 与其它数据库（Oracle、Sybase、 SQL Server）数据交换； 具有可裁减性； 具有简单清晰的类ODBC的API； 支持多种平台HOPEN，WinCE， 嵌入式Linux。
9.1 嵌入式数据库概述
北京大学： ECOBASE
技术指标： •存储量：占用内存70KB； •运行工作空间：基本内核执行代码140KB； •支持的数据类型：int、numeric、float、decimal、 char、date、long； •支持基本的SQL功能包括：表的创建与撤消，不 带子查询的增删改查语句，支持事务的概念。
9.1 嵌入式数据库概述
东北大学：Open BASE Mini
OpenBASE Mini在最初的设计时就定位在易学、 易用、安全、标准的前提上。
•易学,使用户在具备了一定的数据库开发经验的 基础上只需要简单的学习就可以掌握OpenBASE Mini系统的开发； •易用,系统维护方便，系统各种操作简单； •安全,为用户提供了安全可靠的系统管理手段； •标准,支持目前国际通用的各种数据库标准，方 便系统的开发和移植。