引言

嵌入式系統(tǒng)是一種“完全嵌入受控件內部，為特定應用而設計的專用計算機系統(tǒng)”據不完全統(tǒng)計，目前世界上嵌入式處理器的品種總量超過一千多種，流行的體系結構也有30多個系列。但是沒有一種微處理器和微處理器公司可以主導嵌入式系統(tǒng)。由于嵌入式系統(tǒng)設計的差異性極大，因此選擇也是多樣化的。ARM是近年來在嵌入式系統(tǒng)很有影響力的微處理制造商，ARM的設計非常適用于小的嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)必須根據應用需求對軟硬件進行剪裁，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性等要求。隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用及嵌入式操作系統(tǒng)的不斷普及，嵌入式環(huán)境下的數(shù)據管理問題成為系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，工業(yè)系統(tǒng)要求嚴格的時間性，要求在一定的時刻或時間段內對外部采集數(shù)據按照順序進行存儲，并及時作出響應。所處理的數(shù)據往往是“短暫”的，只在一定的時間段內有效，過時則沒有任何意義，傳統(tǒng)的嵌入式數(shù)據庫主要用于處理永久性數(shù)據，設計時主要強調維護數(shù)據的完整性、一致性，提高系統(tǒng)的吞吐量和降低系統(tǒng)代價，沒有考慮與數(shù)據處理相關聯(lián)的時間因素，因而傳統(tǒng)的嵌入式數(shù)據庫無法滿足工業(yè)實時應用的需求，因此我們開發(fā)了一款嵌入式實時數(shù)據庫系統(tǒng)，實現(xiàn)了與操作系統(tǒng)的融合，建立屬于實時數(shù)據庫獨有的緩沖區(qū)管理，將數(shù)據庫的歸檔文件建立在專用的文件系統(tǒng)之上，該文件系統(tǒng)提供獨立的訪問接口及管理磁盤空間。1嵌入式實時數(shù)據庫分析

嵌入式實時數(shù)據庫系統(tǒng)是指在嵌入式設備中獨立運行的數(shù)據庫系統(tǒng)，用以處理大量的，時效性強且有嚴格時序的數(shù)據，它以高可靠性、高實時性和高信息吞吐量為目標，其數(shù)據的正確性不僅依賴于邏輯結果，而是依賴于邏輯結果產生的時間。由于嵌入式系統(tǒng)沒有充足的硬件資源支持，要求數(shù)據庫管理系統(tǒng)占用最小的內存和磁盤空間。如果用Linux自帶的文件系統(tǒng)或大型關系型數(shù)據庫管理系統(tǒng)，都不可避免地產生大量的冗余數(shù)據、數(shù)據管理效率低下等問題。所以，它們不能應用于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據管理。嵌入式環(huán)境下設計的實時數(shù)據庫必須包含高效的存取機制，數(shù)據安全性機制，數(shù)據庫日志管理等功能。在實際設計中更關心系統(tǒng)的實時性，開銷大小,系統(tǒng)性能，可靠性等。

嵌入式實時數(shù)據庫系統(tǒng)按照與嵌入式應用的關系可以分為兩類[1]:一類是獨立于具體的應用，它將數(shù)據庫直接建立在內存之中，專門為嵌入式系統(tǒng)數(shù)據管理而編寫的實時數(shù)據庫；另一類是針對具體的應用而設計開發(fā)的嵌入式實時數(shù)據庫系統(tǒng)。本文的實現(xiàn)屬于后者，介紹針對工業(yè)數(shù)據處理的嵌入式實時數(shù)據庫。

基于專用文件系統(tǒng)的數(shù)據庫設計基本思想是將數(shù)據庫技術引入文件系統(tǒng)，目前有兩種實現(xiàn)方式：一種是搭建一個基于現(xiàn)有數(shù)據庫的文件系統(tǒng)，其中數(shù)據庫充當了新文件系統(tǒng)的基石。另一種是對傳統(tǒng)文件系統(tǒng)進行改造，將文件系統(tǒng)設計成一個“數(shù)據庫”，文件系統(tǒng)與數(shù)據庫完全融合。它不同于傳統(tǒng)的文件系統(tǒng)，其改造使得其文件的組織和訪問發(fā)生重大的變化,因為文件系統(tǒng)更加數(shù)據庫化，包含“文件”、“目錄”這樣的概念也可能發(fā)生改變。對于文件的組織和訪問，或者說數(shù)據的組織和訪問，也會更加側重于數(shù)據庫的方式，它會對各種數(shù)據提供統(tǒng)一訪問存儲機制，以此來獲得有效而靈活的數(shù)據查詢機制。本文使用了后者的實現(xiàn)方式，將數(shù)據庫與專用文件系統(tǒng)進行融合，提供了統(tǒng)一的訪問接口。

2嵌入式實時數(shù)據庫文件系統(tǒng)的設計模型

2.1實時數(shù)據特點

實時數(shù)據自然是與時間緊密相關的，工業(yè)上嵌入式實時根據點號分配磁盤塊I數(shù)據庫所存儲的數(shù)據通常是基于時間的連續(xù)模擬量或者數(shù)字量，如：溫度、流量、壓力、閥門開關等，這些數(shù)據有以下幾個特點:

時效性

每個記錄的值都與時間有關聯(lián)，數(shù)據隨時間不斷添加入數(shù)據庫，這些數(shù)據的順序按照時間來排序的，以后不會被重新排序，而每秒中的數(shù)據都有可能發(fā)生改變。因此，在記錄數(shù)據值得過程中必須記錄其相應的時間。在數(shù)據查找時，也必須確定其時間點，否則數(shù)據就沒有存在的意義。

數(shù)據格式

與關系型數(shù)據庫中的元組不同，工業(yè)數(shù)據每一條數(shù)據只包含一條記錄，數(shù)據格式相對簡單，固定和獨立。從應用角度來看，保存的數(shù)據有I/O整型、離散型、實數(shù)型、開關量等。但從數(shù)據存儲技術方面看，都可歸納為1字節(jié)，2字節(jié)，4字節(jié)這三種情況，每一條記錄的屬性比較少，不存在記錄點與記錄點之間的依賴關系，沒有類似關系數(shù)據庫中數(shù)據間的復雜關系，它記錄格式少，關系簡單，可以采用統(tǒng)一的結構化管理。

數(shù)據時間間隔

在工業(yè)現(xiàn)場中，某些記錄點變化頻率非常快，而有些則是很長一段時間才會發(fā)生變化，根據這個特點，設計實時數(shù)據庫時必須兼顧細分要求。

根據實時數(shù)據的特點，可以發(fā)現(xiàn)將實時數(shù)據存入關系型數(shù)據庫既浪費系統(tǒng)資源，又無法滿足其對實時性的要求，因此，我們設計了實時數(shù)據庫文件系統(tǒng)用于存儲一定格式的工業(yè)數(shù)據，其數(shù)據格式設定為三元組<點號、時間、數(shù)值>，其中“點號”代表工業(yè)現(xiàn)場的單值采樣設備，“時間”代表設備狀態(tài)的采樣時刻，“數(shù)值”代表設備的工作狀態(tài)或計量值。每一個數(shù)值由時間和點號確定，如果沒有確定的時間與點號，數(shù)據則沒有任何意義。

2.2嵌入式實時數(shù)據庫文件系統(tǒng)設計框架

在系統(tǒng)架構方面，從操作系統(tǒng)內核結構的角度來看，數(shù)據庫文件系統(tǒng)放在操作系統(tǒng)的內核之內，將數(shù)據庫技術與文件系統(tǒng)技術深度結合叫圖1所示為實時數(shù)據庫文件系統(tǒng)在操作系統(tǒng)中存在形式。

嵌入式實時數(shù)據庫文件系統(tǒng)不使用一般文件系統(tǒng)中的文件目錄結構，而是建立針對實時數(shù)據的索引結構，以便實現(xiàn)對磁盤數(shù)據的高效讀寫，它的數(shù)據接口是通過在操作系統(tǒng)中建立新的系統(tǒng)調用來實現(xiàn)的，使用了Linux中現(xiàn)有的磁盤驅動程序，通過VFS完成在Linux環(huán)境下文件系統(tǒng)的注冊和安裝。嵌入式實時數(shù)據庫文件系統(tǒng)的基本原型如圖2所示。

圖2嵌入式實時數(shù)據庫文件系統(tǒng)(ERTFS)的體系結構

該結構提供了對實時數(shù)據進行讀寫的調用接口：其中數(shù)據寫(rt_write)可更新一組塊數(shù)據，包括磁盤塊號以及寫進該塊的數(shù)據內容，可將數(shù)據寫入磁盤。數(shù)據讀(rt_read)則用于讀出某一磁盤塊數(shù)據，或者讀出一批磁盤塊數(shù)據。數(shù)據存儲則以完整的塊數(shù)據為基礎，在文件系統(tǒng)內部不對塊內數(shù)據進行任何處理，而對塊數(shù)據內容的規(guī)整必須在文件系統(tǒng)之上完成。嵌入式實時數(shù)據庫文件系統(tǒng)的數(shù)據處理流程如圖3所示。

數(shù)據存儲時根據點號分配磁盤塊，查看磁盤塊空間是否寫滿，若寫滿則分配新的磁盤塊，然后為磁盤塊分配緩沖塊,將數(shù)據庫拷貝到緩沖塊，通過Linux的塊設備驅動程序進行寫入磁盤，同時維護索引區(qū)。數(shù)據讀取時主要根據點號和時間進行讀取，如果沒有確定的時間點，數(shù)據沒有任何意義。

2.3文件結構

嵌入式實時數(shù)據庫文件系統(tǒng)的通過點號進行索引，每個點號指向對應的數(shù)據簇，它的數(shù)據組織方式如圖4所示。

圖4按照點時間管理數(shù)據

嵌入式實時數(shù)據庫文件系統(tǒng)以點作為索引，在對某一點的數(shù)據進行訪問時，需要獲取該點的點信息，按照鏈表的方式來索引到指定的數(shù)據簇，在數(shù)據簇內，查詢命中的數(shù)據塊,將數(shù)據從數(shù)據區(qū)讀取或者存入，采用這種索引結構，可以減少數(shù)據的訪問時間，提高了實時數(shù)據的查詢能力。其中點所指向的數(shù)據塊基本信息如圖5所示。

圖5中，數(shù)據塊索引信息將記錄數(shù)據塊信息，每個數(shù)據塊存儲固定數(shù)目的實時數(shù)據，為了節(jié)約存儲空間，塊內的每個時間值只保存偏移量，即實際時間減去該塊數(shù)據起始時間。圖6所示為數(shù)據塊的存儲結構。

3性能測試

測試選取的嵌入式ARM開發(fā)板選取YLE2440，處理器為SamsungS2C2440A，主頻400MHz:外部存儲器NorFLASH:2MB；NandFLASH:64MB；存取介質選取8GB的惠普優(yōu)盤進行讀寫。實驗過程中將實時數(shù)據庫文件系統(tǒng)正常編譯到了嵌入式Linux內核中，內核能夠穩(wěn)定的工作,格式化程序能夠對優(yōu)盤進行格式化，經過格式化后的優(yōu)盤能夠掛載到實時數(shù)據庫文件系統(tǒng)上，能夠對其進行數(shù)據讀和寫。

4結語

本文通過對嵌入式數(shù)據庫的分析，提出了針對實時數(shù)據的嵌入式實時數(shù)據的框架結構，介紹了其文件系統(tǒng)在Linux內核中的存在形態(tài)以及其數(shù)據讀取接口，根據實時數(shù)據的特點設計了通過點進行索引的文件結構，在數(shù)據文件內部，按照時間段分簇的方式來歸類同一時間段內的數(shù)據。通過本文的闡述，讀者可以大致明白如何設計實時數(shù)據庫以及實現(xiàn)特有文件系統(tǒng)。

20211124_619d105eaa45f__基于ARM平臺的嵌入式實時數(shù)據庫的設計與實現(xiàn)