（计算机科学与技术专业论文）车载数据库若干关键技术研究.pdf

z e n gl i n i n g fv - e h i c l ed a t a b a s e b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ir e n f a m a y , 2 0 1 1 学 j 性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：日期咿i 年 月讶日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名荔。婚以三 刷醛名稀、气 日期：v 年( 月、i 日 日期：、1年譬月2 - e e t ，墨 雹、 孕 、 数据库技术若干关键技术研究 摘要 随着汽车电子技术的飞速发展，汽车电子系统中功能的规模迅速增加，为汽 车电子系统带来了更多且更复杂的数据。汽车电子中的数据管理成为了一个新的 研究方向。 本文首先分析了基于应用的汽车电子数据管理方法。在汽车电子系统中，数 据管理一方面要为数据提供管理方法，另一方面还必须使数据保持实时性、可靠 性和一致性等特点。传统的基于应用的汽车电子数据管理把数据管理作为应用的 一个模块进行针对应用的开发，但是随着数据规模的增大，这种方法已经不能满 足汽车电子系统的要求，出现了包括数据一致性难以保证、数据存储介质不确定、 系统升级和维护难度大等问题。本文针对这些问题，提出了基于数据库的汽车电 子数据管理方法。 本文提出的基于数据库的汽车电子数据管理方法，改进了电子控制单元( e c u ) 的结构，把数据管理从应用中分离出来，在操作系统层和应用层之间加入了数据 管理层。数据管理层集成了数据事务管理、并发控制机制、实时性机制、数据索 引和数据维护等功能，并向应用提供了统一的数据存取接口。相对于基于应用的 数据管理，基于数据库的汽车电子数据管理能够大大降低系统的开发和维护难度， 并且能够提供更优的实时性、一致性等性能，并且随着系统中的数据量越来越大， 这种优势也越来越明显。 在前述内容的基础上，本文开发了一个基于嵌入式数据库b e r k e l e yd b 的汽车 仪表盘演示系统。系统分为应用部分和数据库部分，其中数据库部分以嵌入式数 据库b e r k e l e yd b 为开发平台，实现了数据存取、任务调度、并发控制和数据维护 等功能，保证了汽车电子系统所需的实时性、一致性、可靠性和易维护性的特点， 较好地完成了仪表盘系统的数据管理任务。 关键词：汽车电子；嵌入式数据库；数据管理；b e r k e l e yd b 1 1 f i r s t l y ，t h i st h e s i sa n a l y z e dt h er e l a t e dt e c h n o l o g yo fc u r r e n tv e h i c l ee l e c t r o n i c d a t am a n a g e m e n t i nt h ev e h i c l ee l e c t r o n i cs y s t e m ，a tt h es a m et i m eo fp r o v i d i n g m a n a g e m e n t ，t h ed a t am a n a g e m e n th a dt ok e e pr e a l t i m ea sw e l la sr e l i a b i l i t ya n d c o n s i s t e n c yo ft h ed a t a t h et r a d i t i o nv e h i c l ee l e c t r o n i cd a t a m a n a g e m e n ti sb a s e do na p p l i c a t i o n h o w e v e r , t h i sm o d ec a n n o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so ft h ev e h i c l ee l e c t r o n i cs y s t e m b e c a u s ea st h eg r o w t ho fd a t as c a l e ，o t h e rp r o b l e m ss u c ha st h ec o n s i s t e n c yo fd a t a c a n n o tg u a r a n t e e ，t h ed a t as t o r a g em e d i u mi s u n s t a b l e ，t h eu p d a t ea n dm a i t a i no f s y s t e mb e c o m em o r ed i f f i c u l t ，a n de t c c a m eo u t t h u st h i st h e s i sr a i s e dt h ev e h i c l e e l e c t r o n i cd a t am a n a g e m e n tb a s e do nd a t a b a s eu p o nt h e s ep r o b l e m s t h ev e h i c l ee l e c t r o n i cd a t am a n a g e m e n tb a s e do nd a t a b a s eh a di m p r o v e dt h e s t r u c t u r eo fe c uv i as e p e r a t i n gt h ed a t am a n a g e m e n tf r o ma p p l i c a t i o n ，a n da d d i n gi t i n t ot h eo p e r a t i n gs y s t e ml a y e ra n da p p l i a c a t i o nl a y e r t h ed a t am a n a g e m e n tl a y e r i n t e g r a t e d t h ef u n c t i o no fd a t at r a n s a c t i o nm a n n a g e m e n t ，c o n c u r r e n tc o n t r o la n d r e a l t i m em e c h a n i s m ，d a t ai n d e x i n ga n dm a i n t a i n i n g ，a n de t c a sw e l la sp r o v i d i n g u n i f i e dd a t aa c c e s s p o r t f o rt h ea p p l i c a t i o n c o n t r a s t e dw i t ht h eo n eb a s e do n a p p l i c a t i o n ，t h ev e h i c l ee l e c t r o n i cd a t am a n a g e m e n tb a s e do nd a t a b a s ec o u l dr e d u c e t h ec o m p l e x i t yo fs y s t e md e v e l o p i n ga n dm a i n t a i n i n gg r e a t l y t h ea d v a n t a g ew o u l d b em o r ea n dm o r eo b v i o u sa st h eg r o w t ho ft h ev e h i c l ed a t as c a l e o nt h ef u n d a t i o no ft h ei n f o r m a t i o nm a e n t i o n e da b o v e ，t h et h e s i sd e v e l o p e da d e m o n s t r a t i o ns y s t e mo fv e h i c l ei n s t r u m e n t p a n e lb a s e do ne m b e d d e dd a t a b a s e b e r k e l e yd b t h es y s t e mw a sd i v i d e di n t ot h ep a r to fa p p l i c a t i o na n dt h ep a r to f d a t a b a s e ，w h il et h ef o r m e rp a r tw a sb a s e do ne m b e d d e dd a t a b a s eb e r k e l e yd bw h i c h r e a l i z e dt h ef u n c t i o no fd a t aa c c e s s ，t a s ks c h e d u l i n g ，c o n c u r r e n c yc o n t r o la n dd a t a m a i n t a i n i n g a n de c t t h u sg u a r a n t e e dt h e r e a l - t i m e ，c o n s i s t e n c y ，r e l i a b i l i t ya n d e a s i l y m a i n t a i n i n gn e e d e db yt h ev e h i c l ee l e c t r o l i cs y s t e m ，a n dc o u l df i n i s ht h ed a t a m a n a g e m e n to fi n s t r u m e n tp a n e ls y s t e m i i i ， k e yw o r d s ：v e h i c l ec o n t r o l s y s t e m ；e m b e d d e dd a t a b a s e ；d a t am a n a g e m e n t ；b e r k e l e y d b i v 一 。_ 一 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明及学位论文版权使用授权书i 摘j i j e i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i i 附表索引i x 第1 章绪论1 1 1 研究背景与意义1 1 2 研究内容概述2 1 3 本文的主要工作。2 1 4 论文结构3 第2 章相关研究。5 2 1 嵌入式系统相关研究5 2 1 1 嵌入式系统的概念5 2 1 2 嵌入式系统的特点6 2 1 3 嵌入式操作系统。6 2 2 嵌入式数据库相关研究7 2 2 1 嵌入式数据库的概念7 2 2 2 嵌入式数据库关键技术9 2 2 3 嵌入式数据库的结构1 0 2 2 4 嵌入式数据库的研究现状。1 0 2 3 汽车电子概述1 2 2 3 1 汽车电子定义1 2 2 3 2 汽车电子的特点1 3 2 3 3 汽车电子的发展1 3 2 4 汽车电子系统关键技术。1 5 2 4 1 电子控制单元( e c u ) 1 5 2 4 2 车载操作系统1 6 2 4 3 车内总线网络1 8 2 5 汽车电子中的数据管理概述1 9 2 6 j 、结1 9 第3 章基于应用的汽车电子数据管理。2 0 3 1 汽车电子系统中的数据分析2 0 v 车载数据库技术若干关键技术研究 3 2 基于应用的汽车电子数据管理技术。2 1 3 2 1 基于应用的v e c u 数据管理2 1 3 2 2 基于应用的i e c u 数据管理2 2 3 3 基于应用的汽车电子数据管理需求与问题2 4 3 4 小结。2 6 第4 章基于数据库技术的汽车电子数据管理2 8 4 1 数据库技术在汽车电子系统中的应用可行性分析2 8 4 2 汽车数据库的关键技术2 9 4 2 1 数据的实时性和一致性。3 0 4 2 2 数据库事务处理3 0 4 2 3 并发控制机制3 1 4 2 4 数据索引3 2 4 3 带数据管理层的e c u 结构3 3 4 3 1 数据管理层的分离3 3 4 3 2 数据管理内容分析一3 5 4 4 j 、结。3 6 第5 章基于b e r k e l e yd b 的汽车仪表盘演示系统3 7 5 1 开发工具b e r k e l e yd b 3 7 5 2 基于b e r k e l e yd b 的数据处理方法。4 0 5 2 1 k e y d a t a 对存储结构4 0 5 2 2 对象句柄4 1 5 2 3 错误处理。4 1 5 2 4 常用a p i 4 1 5 3 系统设计4 2 5 4 模块具体设计4 4 5 4 1 汽车驾驶员行为模拟模块4 4 5 4 2 数据库管理模块4 4 5 4 3 仪表显示模块4 6 5 5 系统演示和分析。4 6 5 5 1 系统演示_ 4 6 5 5 2 系统分析4 8 5 6 j 、坌吉5 0 结论5 1 参考文献5 3 j 改谢5 6 v i l 1 。一 车载数据库技术若干关键技术研究 插图索引 本文的文章结构图4 嵌入式系统架构一5 嵌入式数据库的结构1 0 嵌入式数据库的结构1 3 a u t o s a r 系统设计与开发流程1 4 汽车电子系统的一般结构1 5 e c u 结构1 6 o s e k0 s 的组成结构1 7 基于应用的v e c u 结构2 3 基于应用的i e c u 结构2 3 带数据管理层的e c u 结构3 4 基于数据库的v e c u 数据管理3 5 b e r k e l e yd b 的子系统结构图4 0 车速数据流4 3 驾驶员模拟系统演示界面4 6 数据管理系统界面4 7 仪表显示初试界面4 7 左转时的仪表显示4 7 超速时的仪表显示4 8 两种数据管理方式的实时性验证对比4 9 1 1 2 3 4 5 6 7 1 2 1 2 1 2 3 4 5 6 7 8 l 乙乞乙 乙 乙 z 乞 王 王 乱 钆 孓生孓i 孓孓 i 孓 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 1 2 2 4 3 9 表5 2 k e y d a t a 对例子4 0 表5 3汽车仪表盘演示系统资源占用表。4 9 1 。 硕上学位论文 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 汽车作为人们生活中越来越不可缺少的部分，已经发展到了一个全新的阶段， 为了使汽车更加安全、可靠、舒适，汽车电子技术被不断地发展，目前，计算机 技术在汽车电子系统中的应用成为了一个新的趋势。把计算机技术应用与汽车电 子系统，能大大丰富汽车电子系统的功能，提高汽车的自动化程度。 汽车电子系统是这样一种系统：一系列的电子控制单元( e c u ) 通过总线相连， 形成一个整体。其中，每一个e c u 都是一个嵌入式的子系统，分别包含一系列任 务，实现各自的功能。 当前，汽车电子系统已经获得了一定的发展，系统包含的e c u 数量越来越多， 有的已经达到了数百个，每个e c u 中的功能也越来越多、越来越复杂，因此，汽 车电子系统也遇到了一些新的问题，其中的一个重要问题就是数据管理问题。 据统计，近年来，汽车电子系统需要处理的数据量以每年7 左右的速度在 增长，当数据量增加到一定程度时，汽车电子系统就面临了一系列新的问题，具 体包括： 1 ) 当前的汽车电子系统中的数据由相应的应用程序处理，即对于不同的应 用，可能有一套不同的数据处理方法，数据的接口也是由应用程序定义的，因此， 系统的升级和维护就变得复杂，因为必须考虑到各个应用的数据及其接口，对于 逻辑联系非常紧密的汽车电子系统来说，这是非常复杂而且易错的。 2 1 ) 由于e c u 的硬件环境不同，其数据存储介质也不同，如r a m 、f l a s h 、 e e p r o m 等，都是可能的数据存储介质。因此可能出现这种情况：某个应用需要 根据多种参数计算一个数据值，而这些参数被存放在不同的介质内，因此，这个 应用的开发者就不得不针对每个介质设计接口，这大大提高了开发的难度，并且 也增大了应用的内存占用。 3 ) 所有的数据都被相应的应用程序管理，没有一种统一的方式来进行处理， 这使得系统数据的维护变得困难。 4 ) 没有一种统一的机制来保证不同应用间数据的时间和逻辑致性，由于汽 车电子系统是一个对数据实时性和可靠性要求都很高的系统，因此，一致性得不 到满足都可能带来灾难性的后果，这是不能容忍的。 因此，为汽车电子系统设计一种统一的数据管理方式成为了研究的一个重要 方向，本文的工作就是提出一种新的数据管理方式，从而尽可能的避免数据管理 车载数据库若干关键技术研究 的问题，使汽车电子系统的功能获得更大的发展空间。 1 2 研究内容概述 在汽车电子系统中加入数据库技术被认为是解决汽车电子数据管理问题的一 种方法。但是，传统的数据库技术是不适合汽车控制系统的，因为：1 、e c u 是 资源有限的，2 、传统的数据库追求平均吞吐量的最大化，但是这不适合于汽车控 制系统，汽车控制系统更侧重于数据存取的可预测性，如最坏反应时问。为了找 到一种合适的方法来把嵌入式数据库应用于汽车电子系统中，我们需要考虑到以 下问题： 1 ) 汽车数据控制系统中有什么特殊的需求? 2 ) 数据库系统中的数据怎样用一种能高效利用资源并具有确定性的方式来 存取? 3 ) 硬实时和软实时数据怎么被同时访问，而不会带来负面问题? 4 ) 数据库系统的集成怎么影响分布式嵌入式实时系统的数据分布? 本文的工作正是为了解决上述的问题而展开的。我们的目的是：设计一种方 法，把嵌入式数据库应用于汽车电子系统中，而不会影响到汽车电子系统的功能， 并且能为汽车电子系统的性能带来提升，为开发者的工作带来便利。具体的说， 我们需要使得汽车电子系统的数据管理满足以下要求： 1 1 由于汽车电子系统是一个资源有限的嵌入式系统，因此要求数据管理要尽 可能少的占用内存和c p u 资源。这是汽车电子数据管理的最重要要求之一。 2 ) 因为汽车电子系统一般运行在高速运动中的汽车环境中，所以实时性是汽 车电子系统必须保证的指标。同样，数据管理也必须满足实时性的要求，数据管 理必须在数据的期限内完成。 3 ) 汽车电子系统的数据之间通常具有逻辑关系，数据管理需要提供有效的一 致性保证，避免数据错误。 4 、) 数据管理机制必须有利于开发者的开发，具体的内容包括：提供对各种介 质的内置数据访问方法、提供统一的面向应用的接口和提供系统维护和升级方法 世 号手0 要达到这些要求，可以通过把数据管理从应用中分离出来的方式实现。本文 的研究内容正是基于这样的思想，把数据管理作为系统的一层独立出来，置于操 作系统层和应用层之间，并分别向操作系统和应用程序提供统一的接口。数据管 理层的内部是一个经过配置的嵌入式数据库，能够为数据提供实时性、一致性和 数据备份等服务。 1 3 本文的主要工作 本文的主要研究内容如下： 2 硕i j 学位论文 1 ) 对汽车电子数据管理各项技术进行全面学习。 全面学习了汽车电子的相关技术，包括嵌入式系统、嵌入式操作系统、嵌入 式数据库、汽车电子标准( 如o s e k 和a u t o s a r ) 、数据索引、并发控制、实时 性机制等。 2 ) 对基于应用的汽车电子数据管理技术进行分析 在对当前的汽车电子数据管理机制进行深入了解的基础上分析其优缺点，并 根据e c u 的类别分析了基于应用的汽车电子数据管理机制，然后结合汽车电子的 发展趋势，指出当前技术的问题，并分析了汽车电子数据管理的需求。 3 ) 提出了带数据管理层的e c u 结构和基于数据库的汽车电子数据管理方法 根据汽车电子数据管理的新需求，提出了带有数据管理层的e c u 结构，把数 据管理功能从应用中分离出来，把嵌入式数据库集成到里面，为数据提供了一种 统一的有效的基于数据库的数据管理方法。 4 ) 实现了基于b e r k e l e yd b 的汽车仪表盘演示系统 根据前面提出的思想，利用嵌入式数据库b e r k e l e yd b 实现了汽车仪表盘演 示系统。系统主要包括三个部分：驾驶员行为模拟部分、数据处理部分和仪表显 示部分。其中，数据处理部分是系统的核心，它实现了对数据的处理、并发控制、 实时性机制等内容。然后对系统进行分析，说明了演示系统在移植到汽车中的可 行性。 1 4 论文结构 第一章给出了课题研究背景和意义。分析了当前汽车电子数据管理的现状； 概述了汽车电子数据管理面临的问题；提出了本文需要解决的问题；概述了数据 管理的需求；说明了本文的研究内容和方法。 第二章对汽车电子技术进行分类概述。分析了与汽车电子系统相关的各种技 术，主要包括：介绍了嵌入式系统的概念、特点以及嵌入式操作系统，介绍了嵌 入式数据库的优势、定义、关键技术和研究现状，介绍了汽车电子系统的概念、 特点和关键技术，包括e c u 结构、两种汽车电子技术标准o s e k 和a u t o s a r 和车 内总线网络等，概述了汽车电子数据管理的特点。 第三章分析了基于应用的汽车电子数据管理方法。分析了汽车电子系统中的 数据特点，以v e c u 和i e c u 为例分析了基于应用的汽车电子数据管理技术，分 析了基于应用的汽车电子数据管理的优缺点，阐述了汽车电子系数据管理的需求。 第四章提出了把嵌入式数据库应用于汽车电子系统的方法。分析了嵌入式数 据库应用于汽车电子系统中的可行性，分析了汽车数据库的关键技术，包括实时 数据、事务处理、数据索引和并发控制等，然后提出了带数据管理层的e c u 结构 并分析了实现这种结构的方法。 3 车载数据库若干关键技术研究 第五章介绍了基于b e r k e l e yd b 的汽车仪表盘演示系统。首先介绍了开发平 台b e r k e l e yd b ，分析了基于b e r k e l e yd b 的数据管理方法，然后给出了系统的模 块设计和功能设计，并对系统进行了演示和分析。 最后，总结本文的主要内容，并给出进一步的研究工作。 本文的文章结构图如图1 1 所示。 绪论 ( 第一章) 1r 相关研究 ( 第二章) 1r 基于应用的汽车电子数据管理 ( 第三章) 1 r 基于数据库的汽车电子数据管理 ( 第四章) 1r 基于b e r k e l e y d b 的汽车仪表盘演示系统 ( 笫五章) 图1 1 本文的文章结构图 4 1 硕十学位论文 第2 章相关研究 本章介绍汽车电子数据管理的相关内容。由于汽车电子系统是一个综合性的 系统，因此，在开发汽车电子软件之前，就必须对汽车系统相关的技术进行了解 和分析，这些技术主要包括：嵌入式系统、嵌入式数据库、汽车电子系统结构及 关键技术，以及汽车电子数据管理技术等，下面将分别对这些技术进行分析。 2 1嵌入式系统相关研究 2 1 1 嵌入式系统的概念 所谓嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁 剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算 机系统【1 】【2 】。它用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。它通常具备以 下四项特征：1 ) 通常执行特定功能；2 ) 以微电脑与外围构成核心；3 ) 严格的时序 与稳定性要求；4 ) 全自动操作系统。 嵌入式系统的架构可分为五个部分：处理器、内存、输入输出、操作系统和 应用软件。如图2 1 所示。其中，嵌入式处理器主要由个单片机或微处理器组 成。内存则通常采用闪存( f l a s hm e m o r y ) 、e e p r o m 等作为存储介质。嵌入式操 作系统作为整个嵌入式系统资源的管理者，为嵌入式应用软件提供与底层硬件的 接口。嵌入式应用软件的范围很广，根据不同的需求有不同的类别，一般包括通 讯协议、数据库系统、图形界面等。 i 内存 l 彳+ 弋夕 处理器 图2 1 嵌入式系统架构 嵌入式系统往往是面向应用、面向产品、面向用户的，它具有很强的专业性， 需要根据特定需求对软硬件进行合理的裁剪利用，从而实现应用系统的功能，并 5 车载数据库若干关键技术研究 满足相应的可靠性、实时性、成本、体积、功耗等要求。 由上述内容可见，汽车电子系统是一种典型的嵌入式系统。它具有特定的功 能，需要满足汽车运行过程中对可靠性、实时性、安全性、e c u 体积和功耗等方 面的要求，为汽车电子开发的应用也同样需要符合汽车的应用需求。 2 1 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统的特点主要如下1 3 l ： 1 ) 带嵌入式操作系统。许多嵌入式系统都引入了操作系统，这是因为如今的 嵌入式系统已经变得越来越复杂，如果按照传统的方式使用单独的应用程序通过 控制条件来完成功能，会使系统的控制变得异常困难，并且难以保证系统的可靠 性和实时性，而引入嵌入式操作系统，利用操作系统提供的接口来处理底层事务， 使得应用程序只需要关注功能的实现，这样就大大降低了开发的复杂度，并且提 升了功能。 2 ) 支持多任务。目前的嵌入式操作系统一般都运行在多任务模式下，因此需 要合理的任务调度。任务调度一般由操作系统实现，并且在嵌入式操作系统中的 地位越来越重要，可以说，多任务调度能力在一定程度上反映了嵌入式操作系统 的优劣。 3 ) 资源有限。嵌入式系统的尺寸和功耗一定是有限的，如何尽量地降低系统 的尺寸和功耗是系统设计中最重要的问题之一。解决这个问题需要考虑的因素很 多，如芯片的选择、内存容量的限制、算法的改进等。 4 ) 网络化。当前的许多嵌入式系统都是以分布式系统的形式存在的，因此， 系统之间的通信成为了必不可少的内容。许多嵌入式系统已经配备了标准的网络 通信接口和通信协议。比如，在汽车电子系统中，就使用到了c a n 、f l e x r a y 等 总线型网络协议，为各个e c u 提供数据传输的接口和方式，从而使综合控制汽车 电子系统成为了可能。 5 ) 实时性。嵌入式系统大多对实时性有较高的要求，如汽车电子系统中，大 多数任务是有硬实时要求的。要达到实时性的要求有许多方法，如改善系统结构、 改进通信协议、改进任务调度算法等。嵌入式系统的实时性也是当前嵌入式研究 的热点和难点。 2 1 3 嵌入式操作系统 在当前的许多嵌入式系统中，嵌入式操作系统是嵌入式应用软件的基础和开 发平台。嵌入式操作系统是一段嵌入在目标代码中的程序，系统复位后首先执行， 其他的应用程序都建立在操作系统之上，此外，嵌入式操作系统还是一个标准内 6 硕士学位论文 核，将c p u 事件、中断、i 0 、定时器等资源都封装起来，把标准的a p i 留给用 户，同时，提供算法对各个任务进行排序，合理分配c p u 时间等资源。 嵌入式操作系统一般能对多种不同处理器提供接口，如m p u 、m c u 、d s p 、 s o c 等，这些接口是嵌入式操作系统基于设备独立的应用程序开发基础，具有平 台无关性。因此，基于这些接口的应用程序同样具有很强的可移植性。 嵌入式系统的应用环境一般都具有实时性的要求，因此，嵌入式操作系统一 般也是实时操作系统。在嵌入式系统中，实时性的含义是指在规定的期限( d e a d l i n e ) 内能够得到并传递正确的结果，超时的结果将被判定为错误，即使结果本身是正 确的。实时系统的要求并非“快速 ，而是让系统中的行为可预测，所有的行为都 能在限定的响应时间内完成。在嵌入式系统中，实时分为“硬实时和“软实时， 其中，硬实时对实时性的要求更高，如果不能在期限之前获得所需的结果，将带 来灾难性的后果( 如汽车电子系统中的刹车和安全气囊) ，而软实时系统的行为即 使不能满足期限，也不会带来灾难性的后果，而只是可能的系统性能退化( 如汽车 电子系统中的仪表盘和驾驶舱温度控制、l 。 目前，国内外出现了一批优秀的嵌入式实时操作系统，下面对其中几个进行 简要介绍： 1 ) v x w o r k s 4 1 ：v x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司生产的著名实时嵌入式操作系统， 目前应用范围非常广。它支持多种处理器，如x 8 6 、i 9 6 0 、p o w e rp c 、a r m 等， 采用g n u 的编译和调试器，提供大量v x w o r k sa p i 。 2 ) 嵌入式l i n u x 5 】1 6 】【7 】：嵌入式l i n u x 是一种开源的嵌入式操作系统，它最大 的特点在于可裁剪性。用户可以根据自己的需求对操作系统就行修改和裁剪，使 其能适应应用的平台。目前，嵌入式l i n u x 得到了越来越多的关注，更多的人开 始研究这种操作系统。 3 ) u c o s 剐：u c o s 也是一种开源嵌入式操作系统，它最大的特点是结构小 巧，通常应用于小型控制系统，执行效率高，实时性能好，可扩展性强，它的内 核可编译至最小2 k b 。 可以预见，嵌入式操作系统在将来会扮演越来越重要的角色，因为随着嵌入 式系统的需求不断扩大，应用程序的种类增多，将要求嵌入式操作系统提供更多 更强大的接口。 2 2 嵌入式数据库相关研究 2 2 1 嵌入式数据库的概念 在人们的印象中，数据库是一种大型的数据管理软件，用于管理大量的数据， 通常用在p c 或者更大的平台上。而嵌入式系统是一种资源有限的系统，其结构 7 车载数据库若干关键技术研究 通常较小巧，那么嵌入式数据库似乎没有太大的意义。 其实，随着近年来嵌入式系统的应用飞速增长，嵌入式系统的应用范围已经 非常大，可以说，在我们生活中的方方面面都有嵌入式系统的存在。越来越多的 功能和越来越复杂的应用也带来了越来越多的数据量，如何对这些数据进行有效 的存储和管理，使数据能被更有效地存取已经成为了嵌入式系统的一个重要问题。 把数据库技术应用于嵌入式系统作为数据库技术研究的一个重要分支，为嵌 入式系统中的数据处理提供了新的方式。嵌入式数据库部分借鉴了传统数据库技 术，针对嵌入式系统的特点，实现了嵌入式系统中的数据存取、组织和管理【9 1 。 在嵌入式系统中使用嵌入式数据库有明显的优势：1 ) 数据库系统具有很高的 可重用性，可以在不同的嵌入式系统中使用，而不需要像传统的嵌入式数据管理 方式一样，把数据管理作为嵌入式系统的一个子系统，用特定的数据结构来表述 数据，与传统的方法相比，使用嵌入式数据库技术能大大降低开发复杂度和成本； 2 ) 数据库系统本身带有保证数据一致性和可靠性的机制，这样就降低了软件复杂 度；3 ) 使得系统更易于维护【1 0 j 。 一般来说，嵌入式数据库是指支持某种特定计算模式的数据库管理系统，它 通常与操作系统和具体应用集成在一起，运行在嵌入式设备和实时应用环境中， 它一般对实时性有较高的要求【1 1 j 。 嵌入式数据库与传统大型数据库有类似的地方，比如软件结构，嵌入式数据 库也可以是层次、网状或关系型数据库等。但是，由于应用环境和功能需求的特 殊，嵌入式数据库有其自己的特点。归纳起来，大致如下： 1 ) 尽量少的内存占用：嵌入式系统是一种资源有限的系统，内存资源往往在 几千b y t e s 到几兆b y t e s 之间，嵌入式数据库的规模必须能够适应这样的环境，要 尽可能少的占用内存1 1 2 j 。 2 ) 尽可能低的资源消耗：在嵌入式系统中，数据库系统、操作系统和其他应 用程序往往运行在同一个处理器上，并且这个处理器的处理受到了其本身硬件的 限制而比较有限，这就要求嵌入式数据库尽可能少的占用处理器的计算能力，让 更多的处理器资源花费在应用程序上i l 3 。 3 ) 尽可能高的平台无关性：嵌入式系统所用的硬件平台和操作系统多种多 样，为了使嵌入式数据库具有可移植性，能够复用到各种应用系统中，需要嵌入 式数据库有较高的平台无关性，能够支持多种操作系统和多种硬件平台。 4 ) 高可靠性：大多数嵌入式系统需要在无人干预的情况下自动运行，并且系 统配置和修改的频率比一般的计算机系统要低得多，这就要求嵌入式数据库提供 高可靠性，尽可能地保证嵌入式系统正常运行1 1 4 j 。 5 ) 实时性：嵌入式数据库应用于嵌入式系统中，数据库事务就必须能满足嵌 入式系统的实时性要求，这就要求嵌入式数据库事务尽可能地高效和简洁。 8 硕： ：学位论文 2 2 2 嵌入式数据库关键技术 由于嵌入式数据库的特点，其实现技术也不同于传统数据库，其中主要的几 种如下i ”】： 1 _ ) 系统微型化级内存管理 嵌入式系统的有限资源要求嵌入式数据库尽量少的占用内存。因此，系统微 型化的技术成为了嵌入式数据库的关键技术。嵌入式数据库的微型化主要包括数 据库的微型化和数据库管理系统的微型化。数据库的微型化是指提高数据存储空 间的利用率，增加嵌入式设备的数据存储能力。主要实现方法包括对关系模式的 优化和数据的压缩存储。实现数据库管理系统微型化的主要方式是根据系统需求 对数据库功能进行裁剪，这种微型化是以牺牲系统功能完备性为代价的，但是在 嵌入式系统中，对系统规模的要求比对功能完备性的要求要高得多，因此这种方 式还是可取的。 2 ) 备份与恢复 与传统数据库一样，嵌入式数据库同样注重数据的备份与恢复。但是不同的 是，嵌入式数据库无法像大型数据库一样采用独立的服务或类似的形式来进行， 而只能采取某些简化的方式。由于嵌入式数据库具有很高的实时性要求，为了满 足实时性，数据往往只是保存在易失性存储器中，如果发生断电等特殊情况，数 据往往丢失，因此，如何将关键数据实时转存到非易失性存储器中也是一个需要 重点考虑并解决的问题。 3 ) 定制能力 传统数据库系统和应用是分离的，因此，即使应用所需的功能很少，数据库 仍然包含了所有支持的功能模块。但是对于资源有限的嵌入式系统来说，不需要 的功能所占据的内存空间是一种奢侈的浪费。嵌入式系统的主要特点就是微型化， 所有的功能都应该根据实际应用来设计。把数据库系统和应用结合在一起，能很 好的节约资源，减少不必要的资源浪费。嵌入式数据库根据系统需求来对自身进 行裁剪和功能定制，这种方式能够最大化的利用资源，并更好的达到实时性的要 求。因此，嵌入式数据库系统的定制也是嵌入式数据库的关键技术之一。 4 ) 管理自动化 通常，嵌入式系统进行升级或重新配置的频率很低，嵌入式系统一旦投入应 用，就应该能够在无人工管理的情况下自动安全可靠的运行。嵌入式数据库也同 样如此。数据库的管理工作一般主要包括初始化配置和运行维护，其中初始化配 置是指各种系统表的建立和参数设定调整，运行维护包括同志归档和回收、备份、 数据重组、自动回复等。嵌入式数据库应该提前规划和调配好这些问题的处理方 案，使嵌入式数据库能尽量的自动可靠运行。 9 车载数据库若干关键技术研究 2 2 3 嵌入式数据库的结构 嵌入式系统的应用环境取决于功能需求，具有多样性，因此，嵌入式数据库 系统的应用环境也是多变的。嵌入式数据库的结构会随着应用环境的变化而多种 多样，因此，没有一种明确的结构可以完整的概述嵌入式数据库的结构，但是， 嵌入式数据库的设计还是遵循着一些规律，一般的嵌入式数据库可以分为两层： 外壳和内核。如图2 2 所示。 外壳 内核 图2 2 嵌入式数据库的结构 嵌入式数据库的内核是系统的关键部分，一般主要包括了系统管理、事务管 理、缓冲区管理、日志管理等功能。内核部分一般不需要应用程序开发者关注， 开发者只需要调用应用层的接口，由数据库自己调用内核功能对数据进行处理。 当然，对于部分开源嵌入式数据库，开