一種新的嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0 引言

嵌入式技術(shù)已在人們生活中得到廣泛應(yīng)用,移動(dòng)計(jì)算更是給人們的生活帶來了極大的方便,由移動(dòng)計(jì)算技術(shù)推動(dòng)發(fā)展的新的數(shù)據(jù)庫技術(shù)讓人耳目一新。如嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫就是隨著各種移動(dòng)設(shè)備、智能計(jì)算設(shè)備、嵌入式設(shè)備的發(fā)展而迅速發(fā)展起來。分析當(dāng)前存在的各種嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，我們考慮采用一種總體上采用組件方式設(shè)計(jì)、組件內(nèi)部采用模塊化方式設(shè)計(jì)的嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫。

1 基本概念

模塊化設(shè)計(jì)(Block-based design)就是指程序的編寫不是開始就逐條錄入計(jì)算機(jī)語句和指令，而是首先用主程序、子程序、子過程等框架把軟件的主要結(jié)構(gòu)和流程描述出來，并定義和調(diào)試好各個(gè)框架之間的輸入、輸出鏈接關(guān)系。模塊化設(shè)計(jì)的基本思想是為了減少模塊與模塊之間的關(guān)聯(lián)性，模塊之間的邏輯結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，無函數(shù)的交叉調(diào)用，數(shù)據(jù)傳遞由全局變量完成。模塊化設(shè)計(jì)的核心是模塊的獨(dú)立性，主要包括功能獨(dú)立性和結(jié)構(gòu)獨(dú)立性，這使得軟件開發(fā)的分工易于實(shí)現(xiàn)。

軟件組件的概念產(chǎn)生于軟件復(fù)用,近幾年隨著對(duì)組件技術(shù)的認(rèn)識(shí)不斷深入，出現(xiàn)了若干新的組件定義。其中比較有代表性的有對(duì)象管理小組（Object Management Group, OMG)的“建模語言規(guī)范”中對(duì)組件的定義如下：系統(tǒng)中一種物理的、可代替的部件、它封裝了實(shí)現(xiàn)并提供了一系列可用的接口。一個(gè)組件代表一個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的物理部分，包括軟件代碼（源代碼，二進(jìn)制代碼，可執(zhí)行代碼）或者一些類似內(nèi)容，如腳本或者命令文件。

2 基于組件的EMDBS 的體系結(jié)構(gòu)

目前已出現(xiàn)的商業(yè)EMDBS 產(chǎn)品基本上都是采用一種封閉式的體系結(jié)構(gòu)，并都有各自的特性。他們支持不同的操作系統(tǒng)平臺(tái)，具有不同的內(nèi)存管理需求，提供不同類型的接口給用戶訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并且它們都是一種封閉、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，一旦發(fā)布，數(shù)據(jù)庫的功能就已經(jīng)確定下來。很少考慮數(shù)據(jù)庫的非功能特性。為了降低數(shù)據(jù)庫開發(fā)成本，減少開發(fā)時(shí)間、同時(shí)隨著時(shí)間的變遷不斷完善數(shù)據(jù)庫的各項(xiàng)功能，這樣傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫的體系結(jié)構(gòu)就很難完成各項(xiàng)新功能。因此我們考慮設(shè)計(jì)一種新的體系結(jié)構(gòu)——總體上基于組件、組件內(nèi)部模塊化的EMDBS 的體系結(jié)構(gòu)。這些組件可以隨時(shí)添加、刪除和重新配置新功能，它將提供數(shù)據(jù)庫原來沒有的功能，同時(shí)又不影響原來的功能。

考慮到基于組件軟件開發(fā)各個(gè)方面的好處，我們把這種總體上基于組件、組件內(nèi)部模塊化的EMDBS 的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成3 層體系結(jié)構(gòu)[2][4][7]。如圖1 所示。

第一層是數(shù)據(jù)庫基本功能提供層，它提供包含數(shù)據(jù)對(duì)象的定義、格式、存儲(chǔ)以及如何檢索這些對(duì)象的基本數(shù)據(jù)庫功能。本層隱藏了與硬件部分相關(guān)用戶的細(xì)節(jié)，同時(shí)這一層自身也會(huì)被作為組件的一部分。這一次通過接口向上一層和下一層提供相應(yīng)的服務(wù)，保證在添加時(shí)提供一種驗(yàn)證機(jī)制，在刪除時(shí)不影響系統(tǒng)的基本功能。

第二層是組件接口層。它是多種功能組件的大集合，構(gòu)成了一個(gè)組件庫，庫中的組件提供一種特定的服務(wù)或者服務(wù)集。它向數(shù)據(jù)庫基本功能提供層發(fā)送請(qǐng)求，獲得來自數(shù)據(jù)庫的請(qǐng)求結(jié)果，同時(shí)向上層的基于組件的應(yīng)用程序和組件配置層提供相應(yīng)的服務(wù)。比如客戶的應(yīng)用有可能不需要使用數(shù)據(jù)庫提供的現(xiàn)有功能或者需要修改已有的數(shù)據(jù)庫服務(wù)功能以滿足特殊的使用目的，在這種情況下，可以通過向數(shù)據(jù)庫中提供新的組件以完成任務(wù)，從而達(dá)到簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的目的。

第三層是組件配置層，它提供一種供新組件順利地移植到數(shù)據(jù)庫中的機(jī)制。這一層的部分工作就是提供用戶接口。通過用戶接口可以了解到各個(gè)組件的屬性及其提供的服務(wù)。同時(shí)，該用戶接口也允許組件擁有者選擇新的組件屬性和服務(wù)映射到已經(jīng)存在的功能上。一旦組件擁有者完成了這個(gè)映射過程，那么配置層產(chǎn)生的膠合代碼將確保對(duì)數(shù)據(jù)庫中的新組件提供支持，同時(shí)這些膠合代碼信息都會(huì)被保存在數(shù)據(jù)庫之中。在生成組件膠合代碼之前，用戶接口會(huì)提供驗(yàn)證機(jī)制以弄清楚該組件能否被融入到系統(tǒng)中，同時(shí)用戶接口將會(huì)生成一個(gè)報(bào)告，用以說明兼容性上的細(xì)節(jié)，也會(huì)視具體情況做些配置上的修改以便使該組件適用于本數(shù)據(jù)庫。

3 基于組件的EMDBS 的開發(fā)過程

基于組件的EMDBS 的開發(fā)過程可以有以下7 個(gè)步驟：需求分析和開發(fā)平臺(tái)選擇、基于組件EMDBS 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、組件實(shí)現(xiàn)、組件集成、集成測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試、系統(tǒng)發(fā)布。如圖2 所示[1]。

第一階段是需求分析和開發(fā)平臺(tái)選擇，通過分析確定功能性需求和非功能性需求。確定哪些功能由硬件來實(shí)現(xiàn)，哪些功能由軟件來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)結(jié)合相應(yīng)領(lǐng)域的知識(shí)選擇開發(fā)工具和規(guī)劃各個(gè)部分實(shí)現(xiàn)的功能。

第二階段是基于組件EMDBS 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在前面分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。硬件體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用組件技術(shù)的思想，設(shè)計(jì)和開發(fā)硬件的基礎(chǔ)組件，或者有相應(yīng)的工程師選擇現(xiàn)成的硬組件。而軟件體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)通過選擇支持組件的嵌入式操作系統(tǒng)、確定系統(tǒng)級(jí)的擴(kuò)展服務(wù)組件、確定應(yīng)用級(jí)的領(lǐng)域通用組件和專用組件，同時(shí)確定各個(gè)組件之間的關(guān)系。

第三階段是組件實(shí)現(xiàn)和組件集成。它首先明確組件的定義、組件的描述技術(shù)和規(guī)范、組件的裁剪，其次驗(yàn)證組件特性和生成相應(yīng)的技術(shù)文檔，讓所有的組件通過標(biāo)準(zhǔn)端口在統(tǒng)一調(diào)度程序下實(shí)現(xiàn)交互，完成系統(tǒng)預(yù)定的功能，集成系統(tǒng)的所有組件（有些組件可以在組件庫中提取，其余的組件由相應(yīng)的開發(fā)小組完成），最后及時(shí)地把新開發(fā)的組件放入到組件庫中以備將來使用。

第四階段是測(cè)試和系統(tǒng)發(fā)布，測(cè)試包括集成測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試兩部分。它把整個(gè)系統(tǒng)的組件、調(diào)試程序以及硬件的開發(fā)平臺(tái)集成在一起，進(jìn)行整體測(cè)試，最終形成產(chǎn)品進(jìn)行發(fā)行使用。

4 基于組件的EMDBS 的設(shè)計(jì)

基于組件的嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)將會(huì)使用大量組件，我們通過組件容器來搭建創(chuàng)建者和使用者之間的橋梁。并且在組件容器的上配置上組件*器，用來監(jiān)測(cè)組件的添加、刪除、修改和替換等操作，同時(shí)它會(huì)啟用組件的規(guī)范驗(yàn)證機(jī)制來測(cè)試和驗(yàn)證狀態(tài)發(fā)生變化的組件是否能夠按照要求工作，膠合組件中的膠合代碼信息也會(huì)被更新，系統(tǒng)還會(huì)通知其它與此組件相關(guān)聯(lián)的組件，告訴它們發(fā)生的變化，以適應(yīng)新的系統(tǒng)狀態(tài)。

通過對(duì)嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫組件環(huán)境的分析和設(shè)計(jì)，我們?cè)O(shè)計(jì)了以組件容器為核心，由日志組件、事務(wù)處理組件、SQL 解析組件、訪問控制組件和其他功能組件組成的嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。如圖3 所示[2][5]。

通過圖3 設(shè)計(jì)的嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，第一，方便用戶掌握和學(xué)習(xí)，又方便為基于組件技術(shù)開發(fā)軟件提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；第二，組件容器提供了一些擴(kuò)展接口，方便第三方開發(fā)的組件的使用；第三，方便組件的更新、刪除、替換等操作，如對(duì)某些組件不想要可以進(jìn)行上面的操作；最后，為了系統(tǒng)的安全和節(jié)能起見，可以為系統(tǒng)增加新的功能，如增加“來電防火墻”組件，節(jié)能保護(hù)組件等。

5 基于組件的EMDBS 的實(shí)現(xiàn)

SkyEye 是一個(gè)開源軟件項(xiàng)目，它是一個(gè)指令級(jí)的模擬器，可以模擬多種嵌入式開發(fā)板，能夠支持多種CPU 指令集。在SkyEye 上運(yùn)行的操作系統(tǒng)根本意識(shí)不到它是在一個(gè)模擬的環(huán)境中運(yùn)行，開發(fā)人員還可以通過SkyEye 調(diào)試操作系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件。SkyEye 模擬器即可以運(yùn)行于Linux 環(huán)境下，又可以在Windows 下進(jìn)行模擬運(yùn)行。限于文章篇幅原因，關(guān)于SkyEye模擬器Cywgin 和MingW 安裝過程就省略不談。

本文采用Visual C++6.0 進(jìn)行編程開發(fā)，通過MingW 或者Cywgin 在Windows 下模擬運(yùn)行，并以PHILIPS LPC2xxxx 為開發(fā)測(cè)試板，運(yùn)行的結(jié)果如圖4 所示。

在嵌入式環(huán)境下使用交叉編譯工具編譯和鏈接測(cè)試程序代碼，同樣把生成的可執(zhí)行文件鏈接加入到SkyEye 測(cè)試環(huán)境中去，運(yùn)行該測(cè)試程序，輸入數(shù)據(jù)，就可以通過查詢得到所需要的數(shù)據(jù)。通過測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了利用組件技術(shù)的思想設(shè)計(jì)嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫的可行性。

6 結(jié)束語

基于組件的軟件開發(fā)是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前由于基于組件技術(shù)開發(fā)嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)還沒有形成，因?yàn)檫@即要考慮組件的屬性獲取、組件認(rèn)證、屬性預(yù)測(cè)等方面，又要考慮具有公共接口的組件技術(shù)，通過調(diào)整和配置這些組件達(dá)到特定應(yīng)用領(lǐng)域的需要，同時(shí)又要考慮一些非功能特性。本文總體上采用基于組件的組件復(fù)用技術(shù)，在組件內(nèi)部采用模塊化思想設(shè)計(jì)組件，從而設(shè)計(jì)了一個(gè)可供嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫使用的框架模型，并設(shè)計(jì)了基于該框架的組件，通過測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了利用組件技術(shù)的思想設(shè)計(jì)嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫的可行性。從而達(dá)到早日提供基于組件的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，以此達(dá)到構(gòu)造靈活、高效、方便的嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫。

本文的創(chuàng)新點(diǎn)：軟件工程的思想貫穿于嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程，本文中的嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)中總體上采用分層和組件技術(shù)的思想，組件內(nèi)部采用模塊化的思想，方便系統(tǒng)快捷、高效、靈活地開發(fā)。