嵌入式实时数据库关键技术研究与实现_张涛

摘要嵌入式实时数据库管理系统是近几年才兴起的一项新的数据管理技术。

它以目前成熟的数据库技术为基础，针对嵌入式设备的具体特点，实现对移动设备和嵌入式设备上的数据存储、组织和管理。

传统的数据库通常运行在大型的计算设备上，随着计算设备的日益小型化，数据库的小型化也日益迫切。

本文以863项目——基于信息与嵌入式设备的软件开发平台为背景，对嵌入式实时数据库的关键技术进行了分析研究和实现。

本文先对嵌入式系统和实时数据库技术及其产品的特点和发展进行概述，分析了目前嵌入式实时数据库研究的关键技术发展方向。

嵌入式实时数据库系统通常做为嵌入式系统的应用软件出现，系统常常在无人干预的情况下运行，需要具备较高的可靠性。

针对嵌入式实时数据库的高可靠性技术，本文研究了具有功能等效的实时事务模型，该模型为系统中的关键事务提供若干功能等效的替代事务，通过事务的二次调度提高了系统的可靠性。

本文以Linux2.6内核的进程调度和嵌入式数据库Berkeley DB的事务管理为例子，研究了外部调度和内部调度的实现机制，并对Berkeley DB的事务调度提供了冗余事务调度接口；嵌入式数据库的定制技术也是的一项关键技术，本项目中嵌入式数据库做为一个运行构件被加入到嵌入式软件开发环境中，本文对嵌入式数据库开发平台的工作流程和嵌入式数据库定制流程进行了分析，并完成了嵌入式数据库构件的封装实现工作；通过试验，本文在PDA 手机上实现了嵌入式数据库系统，该系统完成了PDA手机上的本地数据管理，并提供PDA和PC机之间的数据同步支持。

在本文最后，对嵌入式实时数据的并发控制协议进行了研究。

针对目前实时并发控制协议的特点，将功能等效的实时事务模型和事务许可接纳机制相结合，对实时事务的可调度性进行分析，并对基于价值函数的VB-SCC协议进行了改进使其适应于嵌入式系统，同时指出了研究中尚且需要解决的关键问题。

关键词：嵌入式实时数据库, 功能等效, 价值, 构件, PDAAbstractEmbedded Real-Time Database Management System is a new technology of data management rising in recent years. Based on mature database technology and special embedded device, it implements the data’s storage, organization and management on mobile devices and embedded devices.Traditionally, database systems run on large-scale computer equipments including host computer system and all kinds of servers. As the computer equipments go smaller and smaller, the database’s miniaturization is urgently. ERTDBMS need to have high reliability and real-time ablility because it usually works on the condition that without people’s interference. In this thesis, We discuss some key technologies, including system’s reliability, real-time ablility and the data synchronization. We try to improve the reliability of ERTDBMS by enrolling the function alternative transaction model into the ERTDBMS.The transaction model is proposed on function alterative characteristic. As the characteristic, transaction schedule is divided into interior schedule and exterior schedule, which increase the systems success ratio. We also construct a software development platform for embedded database and implement a data management on PDA, which extends its data management through ODBC interface. At last, we research a real-time concurrency protocol based on value, and make it suit for embedded system by modifying it.The author of this thesis took part in the development of the ERTDBMS in the national 863 project, which arms to construct a platform for embedded software.Keyword：ERTDBMS, function alternative, component, PDA目录第一章绪论 (1)1.1嵌入式系统概述 (1)1.1.1嵌入式处理器 (1)1.1.2嵌入式操作系统 (2)1.1.3嵌入式系统的发展 (3)1.1.4嵌入式系统软件的要求 (4)1.2嵌入式实时数据库系统 (5)1.2.1嵌入式数据库系统概述 (5)1.2.2嵌入式数据库的特点 (6)1.2.3主流的嵌入式数据库产品及其关键技术 (8)1.2.4嵌入式数据库的发展现状与应用前景 (11)1.3本论文的研究背景和组织结构 (12)1.3.1研究背景和研究内容 (12)1.3.2论文结构及章节安排 (13)第二章嵌入式实时数据库系统的结构与特征分析 (15)2.1嵌入式实时数据库系统的体系结构 (15)2.1.1嵌入式实时数据库的总体结构 (15)2.2实时数据库系统的数据与事务特征 (17)2.2.1数据特征 (17)2.2.2事务特征 (19)第三章嵌入式软件的可靠性与实时性需求 (21)3.1 嵌入式软件的可靠性要求和保障技术 (21)3.1.1嵌入式软件的可靠性要求 (21)3.1.2影响嵌入式软件可靠性的因素 (22)3.1.3提高嵌入式数据库可靠性的方法 (24)3.2 嵌入式软件的实时性要求和保障技术 (26)3.2.1影响嵌入式软件实时性的因素 (26)3.2.2提高嵌入式数据库实时性的方法 (27)第四章嵌入式实时数据库的可靠性保障技术研究与分析 (31)4.1实时数据库的事务模型 (31)4.1.1功能替代的实时事务模型 (31)4.1.2功能替代集的性质 (32)4.1.3实时事务与功能替代集的关系 (34)4.2功能等效的容错调度思想 (35)4.2.1调度的预分析处理 (35)4.2.2二次调度思想 (37)4.3 Linux 2.6进程管理调度分析 (39)4.3.1 Linux 2.6 进程管理机制 (39)4.3.2 Linux 2.6 进程调度 (42)4.4 Berkeley DB事务调度改进 (44)4.4.1 Berkeley DB事务管理器和内部调度算法改造 (44)第五章嵌入式数据库软件开发平台的设计与实现 (46)5.1 嵌入式实时数据库开发平台设计与实现思想 (46)5.1.1体系结构设计采取的思路和方法 (46)5.2嵌入式数据库系统开发平台 (47)5.2.1嵌入式数据库集成开发环境工作流程 (47)5.2.2嵌入式数据库选型 (49)5.2.3数据库模块划分和API函数分类 (50)5.3 本章小节 (57)第六章基于PDA手机的嵌入式数据库系统设计与实现 (58)6.1 PDA嵌入式数据库系统的设计 (58)6.1.1系统功能分析 (58)6.1.2开发运行环境 (59)6.2基于PDA的嵌入式数据库的实现 (60)6.2.1体系结构 (60)6.2.2处理过程概述 (61)6.2.3功能模块的划分与实现 (61)6.3数据同步的扩展 (65)6.4本章小结 (66)第七章嵌入式实时数据库的并发控制协议研究 (67)7.1实时并发控制 (67)7.1.1并发控制概述 (67)7.1.2实时并发控制协议分析 (70)7.1.3两类协议的比较 (72)7.2事务的可接纳控制机制 (74)7.2.1事务价值 (74)7.2.2接纳控制系统模型 (76)7.2.3可调度性分析 (77)7.3 基于功能等效的VB-SCC协议研究与探讨 (80)7.3.1VB-SCC协议改进 (80)7.3.2协议性能测试 (83)7.4研究中尚未解决的问题 (85)第八章全文总结 (86)8.1全文工作总结 (86)8.2后续工作展望 (86)参考文献 (87)致谢 (89)个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文 (90)第一章绪论数据库技术是应数据管理任务的需要而产生的，60年代后期，数据库系统的出现使得信息系统的重心发生了转移，从以加工数据的程序为中心转向以数据共享为核心。

其后随着计算技术的发展和应用需求水平的提高，数据库技术向深度计算和普及计算发展。

高端的超大型数据库系统致力于解决复杂数据类型如视频数据、音频数据、过程或行为数据的处理问题，满足海量数据的存取。

其特点是大、强、块；而低端的数据管理则随着嵌入式移动计算技术的发展逐步成熟，在这类系统中，精小型数据库系统需要解决个性化数据存储的处理需求，其特点是小、巧、易。

嵌入式实时数据库系统技术的研究已成为目前数据库研究的一个新方向。

1.1嵌入式系统概述所谓嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可剪裁，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术及其电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物，一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及嵌入式应用软件等四个部分组成。