基于嵌入式的數據庫設計

摘 要：文章提出了基于嵌入式的簡單數據庫設計。設計了以S3C2440A微處理器作為數據庫數據采集的硬件控制核心，然后指出了嵌入式下數據庫的需求特點，對在ARM-Linux下的SQLite數據庫的體系進行分析，再結合ARM-Linux開發板給出了如何實現SQLite數據庫的具體方法。

關鍵詞：嵌入式；SQLite數據庫；ARM-Linux開發平臺

引言

現有的RTU多基于ARM7開發板上的程序植入和數據庫管理，對于多線程的數據管理，以及種類繁多的第三方數據接口，顯得力不從心。本課題擬在ARM9處理器上進行數據庫的建立，對底層的數據采集，并對采集數據進行歷史保留和遠程管理。其中，數據庫的建立運用可基于嵌入式系統的小型數據庫SQlite，SQLite是一款嵌入式數據庫，沒有獨立運行的進程，在所服務的應用程序在應用程序進程空間中是共同存在的。它與應用程序的代碼也是一起的，作為它所服務程序的一部分，同時提供了豐富的數據庫接口；而對數據采集，則由底層設備驅動程序完成。

1 數據庫數據采集的硬件平臺設計

為了實時的對現場數據的采集和傳輸，我們采用功能強大的ARM9作為主控處理器，外接相關功能模塊，在ARM9處理器上嵌入Linux操作系統，其強大的多任務和多線程以及設備獨立性能夠較好的發揮ARM9強大的控制功能。

現場數據采集主要由：數字量輸入、輸出模塊、模擬量輸入模塊組成。數字量輸入模塊將外部采集的數據經過處理輸入到ARM9處理器；模擬量輸入模塊采集外部輸入的模擬量；數字量輸出模塊采集主控處理器的輸出量。如圖1所示。

圖1 硬件系統主要構成圖

數據的存儲和傳輸部分主要包括S3C2440A微處理器、存儲器模塊、數據通信模塊、RS458模塊、以太網模塊、無線功能模塊等。該處理器是基于ARM920T核心的16/32位的精簡指令集（RISC）微處理器，S3C2440A為手持設備和一些小型應用提供了低耗能、低價格、高性能提供了一個絕佳的選擇。它采用了新的總線結構AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture），這一結構具有獨立的16KB指令緩存和16KB數據緩存，每個都是由8字長的行組成。因為它具有一套完整的系統外設，S3C2440A降低了整體的系統成本并且不需配置另外的組件。這部分的主要功能是對現場采集數據進行處理、存儲和顯示，之后通過網絡把所采集的數據上傳到遠程的PC機網頁上。遠程的PC機主要負責的功能是對所上傳的數據進行監測、分析、處理。必要時對采集終端進行控制。

2 Linux下的數據庫的應用

基于Linux系統下的數據庫數不勝數，大型應用于商業開發的數據庫有Sybase、Empress、Oracle、Informix等，小型數據庫常用的有mSQL、MySQL、Sqlite等等。應用于商業開發的大型數據庫一般價格高昂并且體積龐大，不符合嵌入式下數據庫要求。在小型數據庫中MySQL雖說在保持體積較小的情況，提供了足夠的應用與一般開發的功能，但是在應用于商業用途也要收費。mSQI具有嵌入式開發的條件，但是由于它并非完全開源的代碼，在使用期限上不符合本設計的要求。余下的開放源碼數據庫中，除了占用空間較大以外，學習難度也比較大，如果非要采用的話必然會加大開發成本。

SQLite支持大部分的SQL的語句，采用單文件存放數據庫，存儲速度也快，在操作語句上與關系數據庫類型更加接近，最重要的是它的代碼使完全開源的，不用收費。基于SQLite的設計理念，雖然相較與商業用途的大型數據庫在功能上有所不足，但是在開源組織的日漸完善下差距逐漸縮小。在應用上如果不需要存儲過程或者復雜的表之間的關聯的話，SQLite是個非常好的平衡點。

3 SQLite的體系結構以及在Linux平臺上的開發技術

3.1 SQLite的體系結構

SQLite有一套簡潔的、模塊化的體系結構，并引進了一些方法進行有關關系型數據庫的管理。SQLite的體系結構由3個子系統和8個獨立模塊組成，如圖2所示，它顯示了SQLite的主要成分及各成分之間的關聯，其中有一些相當接近于關系數據庫管理。

圖2 SQLite的體系機構

接口位于整個結構的頂端，由SQLite C API組成。所有與SQLite交互的程序和庫文件都是通過接口進行的。Tokenizer（詞法分析器）和Parser（語法分析器）協同對文本形式的查詢語言進行分析，驗證其語法的有效性，然后轉化成底層能更容易處理的層次化數據結構。這個結構的中心部分便是數據庫引擎VDBE（Virtual DataBase Engine）。VDBE在字節碼上工作，區別于頂層操作系統、系統體系結構和CPU。B-tree、page cache（頁緩存）、操作系統接口組成了整個后端。B-tree和pager作為信息代理，他們并不知道信息內容，只是對這些信息進行移動和排列。

3.2 SQLite在ARM上的實現

SQLite嵌入式數據庫的代碼使開源的，根據不同需求的硬件平臺，對源碼進行交叉編譯即可實現移植。在上的編譯過程主要有以下幾個步驟：

解壓sqlite壓縮文件

tar -zvxf sqlite-autoconf-3071300.tar.g

得到文件sqlite-autoconf-307130

進入sqlite-autoconf-3071300目錄

[root@localhost ～]# cd /home/sqlite-autoconf-3071300/

配置

[root@localhost sqlite-autoconf-3071300]# ./configure

編譯

[root@localhost sqlite-autoconf-3071300]# make

安裝

[root@localhost sqlite-autoconf-3071300]# make install

默認安裝路徑為/usr/local/及系統標準目錄

頭文件 sqlite3.h sqlite3ext.h安裝在 /usr/local/include下

以及頭文件標準目錄 /usr/include下

庫文件

libsqlite3.a libsqlite3.so.0.8.6 libsqlite3.so.0 libsqlite3.so

安裝在/usr/local/lib目錄下并且共享庫文件libsqlite3.so libsqlite3.so.0 libsqlite3.so.0.8.6安裝在系統庫文件標準目錄/usr/lib下，可執行文件sqlite3安裝在/usr/local/bin目錄下以及系統可執行標準目錄/usr/bin下，幫助文檔man安裝在/usr/local/share目錄下。

修改Makefile文件：

將代碼行BBC=arm-linux-gcc-g-02改成BBC=gcc-g-02。用make生成sqlite、libsqlite.a和libsqlite.so。為了減小執行文件大小可用strip處理，去掉其中的調試信息。

在ARM板上運行SQLite：

將SQLite下載到ARM板的/tmp目錄，修改權限并運行：

chmod +wx sqlite

./sqliteest.sqlite

會出現：

sqlite>

如果一切正常，SQLite已經在ARM-Linux下正常運行，然后就可以基于此進行數據庫數據的遠程處理。

4 結束語

該遠程數據庫的設計，可以提高現階段RTU在ARM7開發板上的歷史數據存儲和數據借調的缺點，在分析對比了各數據庫在嵌入式下的表現，選取了比較符合需求的SQLite數據庫，并且完成了在ARM-Linux下的編譯以及開發工作。實踐證明，基于ARM9的數據庫設計可以完成對數據采集更多的需求。

參考文獻

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作者簡介：李少雄（1990，3-），男，陜西省咸陽市，西安石油大學，2012級，碩士研究生，計算機院，計算機科學與技術，計算機技術。