SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

??????? 引 言

　　隨著嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用及用戶對數(shù)據(jù)處理和管理需求的不斷提高，各種智能設(shè)備與數(shù)據(jù)庫技術(shù)的緊密結(jié)合得到重視。這種數(shù)據(jù)庫不僅具有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的主要功能，還具有嵌入式和支持移動技術(shù)兩種特性。可以說，嵌入式數(shù)據(jù)庫的發(fā)展提高了數(shù)據(jù)信息接入的普遍性，使人們隨時隨地獲取信息的愿望成為可能。

　　1 嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

　　嵌入式數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與操作系統(tǒng)和具體應(yīng)用集成在一起，運行在各種智能嵌入式設(shè)備上。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相比，它一般體積較小，有較強的便攜性和易用性，以及較為完備的功能來實現(xiàn)用戶對數(shù)據(jù)的管理操作。但是，由于嵌入式系統(tǒng)的資源限制，它無法作為一個完整的數(shù)據(jù)庫來提供大容量的數(shù)據(jù)管理，而且嵌入式設(shè)備可隨處放置，受環(huán)境影響較大，數(shù)據(jù)可靠性較低。在實際應(yīng)用中，為了彌補嵌入式數(shù)據(jù)庫存儲容量小、可靠性低的不足，通常在PC機上配置后臺數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的存儲和管理。嵌入式數(shù)據(jù)庫作為前端設(shè)備，需要一個GUI交互界面來實現(xiàn)嵌入式終端上的人機交互，并通過串口實現(xiàn)和PC機上主數(shù)據(jù)源之間的數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)系統(tǒng)服務(wù)器端數(shù)據(jù)的管理，接收嵌入式終端上傳的數(shù)據(jù)和下載數(shù)據(jù)到嵌入式終端機等操作。

　　2 SQLite的體系結(jié)構(gòu)及開發(fā)技術(shù)

　　SQLite是D·理查德·希普開發(fā)的用一個小型C庫實現(xiàn)的一種強有力的嵌入式關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理體制。它提供對SQL92的大多數(shù)支持：多表、索引、事務(wù)、視圖、觸發(fā)和一系列的用戶接口及驅(qū)動。

　　2.1 SQLite的體系結(jié)構(gòu)

　　SQLite可以分成8個主要子系統(tǒng)，如圖1所示。頂層是標(biāo)記處理器(tokenizer)和分析器(parser)。高度優(yōu)化的分析生成器可以快速生成高效率的代碼。底部是基于Knuth經(jīng)過優(yōu)化的B樹。這樣可以運行在可調(diào)整的頁面緩沖(pagecache)上，有助于將對磁盤的查找減到最少。再往下是頁面高速緩存。它作用在OS的抽象層之上，這樣的安排有助于數(shù)據(jù)庫的移動。體系結(jié)構(gòu)的核心是虛擬數(shù)據(jù)庫引擎(VDBE)。VDBE完成與數(shù)據(jù)操作相關(guān)的全部操作并且是客戶和儲存之間進行信息交換的中間單元。它是SQLite的核心。在SQL語句被分析之后，VDBE開始起作用。代碼生成器將分析樹翻譯成一個袖珍程序，隨后這些袖珍程序被組合成用VDBE虛擬機器語言表示的一系列指令。如此往復(fù)，VDBE執(zhí)行每條指令，最終完成SQL語句指定的查詢要求。VDBE的機器語言由圍繞數(shù)據(jù)庫管理的128個操作碼(op—code)組成。對于打開表、查詢索引、存儲和刪除記錄以及很多其他數(shù)據(jù)庫操作都有對應(yīng)的操作碼。VDBE里的每條指令由1個操作碼和3個操作數(shù)(operand)組成。一些指令使用全部3個操作數(shù)，也有些指令一個也未使用。這完全取決于指令的性質(zhì)。例如Open指令用于打開一個表的指針，使用了全部3個操作數(shù)：第1個操作數(shù)(P1)包含指針的ID號，第2個操作數(shù)(P2)指出表的根位置(或者表的首頁位置)，第3個操作數(shù)是表的名字。

　　2.2 SQLite開發(fā)技術(shù)

　　SQLite的API易于使用，只需要3個用來執(zhí)行SQL和獲得數(shù)據(jù)的函數(shù)。它還是可擴展的，允許程序員自定義函數(shù)，然后通過callback()函數(shù)集合進去。開放源碼團體已經(jīng)擴展了眾多的客戶接口、適配器、驅(qū)動等，這就使得其他語言使用SQLite也成為可能。

　　使用C語言API只需要三步。首先，提供文件名和訪問模式，來調(diào)用sqlite_open()連接數(shù)據(jù)庫。然后，執(zhí)行callback()函數(shù)，SQLite通過對每個記錄執(zhí)行callback()函數(shù)獲得從數(shù)據(jù)庫那里得到的結(jié)果。最后，如果想執(zhí)行一個SQL查詢并獲得一個callback()函數(shù)的指針，可以調(diào)用sqlite_exec()。另外還可以調(diào)用sqlite3_get_table()函數(shù)獲得數(shù)據(jù)表單的內(nèi)容。

　　SQLite還提供了存取二進制大對象(BLOB)的方法，同時在線程安全、數(shù)據(jù)庫管理、API的擴展等方面也都提供了強大方便的技術(shù)支持。

　　3 SQLite在ARM9開發(fā)板上的編譯及拷貝

　　在SQLite官方網(wǎng)www.sqlite.org下載SQLite-3.3.8版本，在終端解壓生成SQLite-3.3.8目錄。進入此目錄，對sqlite/src/sqliteInt.h作一定的修改，以確保btree(B樹)有正確的變量大小。不同體系結(jié)構(gòu)的Linux會有些差別。對于ARM-Linux可找到如下部分：

　　這樣后面的“typedef INTPTR_TYPE ptr;”就定義為“int”類型，而不是“l(fā)ong long”。

　　修改configure文件的內(nèi)容，注釋掉相關(guān)代碼，讓系統(tǒng)不去檢查交叉編譯環(huán)境，否則會出現(xiàn)錯誤，不能生成Makefile文件。然后新建一個文件夾sqlite-arm-linux來保存將要生成的庫文件，運行以下命令進行配置：

　　將在本目錄下生成Makefile文件。修改Makefile文件中如下語句，指定主機編譯器為GCC：

　　這時就可以運行make & & make install命令開始編譯，若無其他錯誤提示，則會在/../sqlite-3.3.8/sqlite-arm-linux/lib目錄下生成庫文件。主要有l(wèi)ibsqlite3.so、libsqlite3.so.O、libsqlite3.so.O.8.6三個文件。同時在bin文件夾下生成了可執(zhí)行文件sqlite3。為了減小執(zhí)行文件大小，用strip命令處理去掉其中的調(diào)試信息。

庫文件生成后，可以通過NFS(網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng))把相關(guān)庫文件拷貝到ARM開發(fā)板上，設(shè)置好主機NFS服務(wù)器，啟動目標(biāo)板后，執(zhí)行：

　　其中192.168.1.101為NFS服務(wù)器IP，這樣就把SQLite庫文件所在文件夾掛載到了目標(biāo)板上，拷貝時注意加上-aRF選項，因為libsqlite3.so和libsqlite3.so.O是鏈接到Iibsqlite3.so.O.8.6的。

　　4 嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

　　對嵌入式系統(tǒng)而言，強大的圖形用戶接口使系統(tǒng)的功能更加豐富。目前有眾多的GUI可供使用，考慮到授權(quán)和價格的因素，我們在Qt/Embedded基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)庫界面程序的開發(fā)，完成嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計。Qt良好的封裝機制使Qt的模塊化程度非常高，可重用性較好。嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　通過Qt的QTable控件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)表單的顯示，通過QListView、QC20mBobox以及QTextEdit等控件進行數(shù)據(jù)表單的選擇、數(shù)據(jù)輸入等，配合PushButton控件實現(xiàn)數(shù)據(jù)表的創(chuàng)建、刪除和數(shù)據(jù)查詢、添加、刪除、修改等操作。這樣，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基本管理，并可利用串口實現(xiàn)與后臺數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)交互。本系統(tǒng)利用Qt Designer實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫界面的快速開發(fā)，并通過調(diào)用SQLite的API接口函數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的基本操作。下面簡要介紹一下用QtDesigner開發(fā)數(shù)據(jù)庫界面的基本方法及關(guān)鍵代碼。新建一個C++項目，在此基礎(chǔ)上新建一個窗口部件，在窗口部件上添加一個Table控件作為數(shù)據(jù)表單的顯示界面。另根據(jù)需要，添加PushButton控件以實現(xiàn)相應(yīng)的操作。在窗口類下新建一個槽，命名為SelectSlot()。連接相關(guān)按鈕信號，關(guān)鍵代碼如下：

　　其中tableView函數(shù)的作用是將查詢得到的數(shù)據(jù)表顯示在Table控件中。函數(shù)體程序如下：

　　終端下進入工程目錄，修改*.pro文件，并添加如下內(nèi)容：

　　這里加入了編譯程序所需庫文件的路徑以及sqlite.h頭文件的路徑。這一切做好后，開始編譯。

　　tmake-o Makefile EDBMS.pro生成Makefile，將其中的編譯工具改為arm-linux-g++，加上交叉編譯的相關(guān)庫文件。然后make編譯，生成能在ARM開發(fā)板上運行的二進制文件，并且通過NFS掛載到開發(fā)板上。運行./EDBMS，會出現(xiàn)我們設(shè)計的窗口界面。查詢一個數(shù)據(jù)表的內(nèi)容并顯示在QTable控件上，主界面效果如圖3所示。

　　另外，系統(tǒng)運用SQL Servqr。2000作為后臺數(shù)據(jù)庫，用VB 6.O開發(fā)，通過ODBC與數(shù)據(jù)庫連接，實現(xiàn)后臺數(shù)據(jù)庫管理，并負責(zé)接收和處理客戶端請求。PC機與嵌入設(shè)備端則可以通過串口進行通信，以完善系統(tǒng)功能。這樣，一個較為完備的嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)就構(gòu)建起來了。

　　結(jié) 語

　　本文結(jié)合嵌入式數(shù)據(jù)庫的特點，運用SQLite在ARM-Linux平臺上構(gòu)建嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上利用Qt設(shè)計了數(shù)據(jù)庫界面，使用SQLite的API實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的基本操作。最后對后臺數(shù)據(jù)庫的配置及串口通信機制做了簡要介紹，完成了整個嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的構(gòu)建。