張秀芳，劉洲洲

(1.西安歐亞學(xué)院，陜西 西安 710065；2.西安工程大學(xué) 電信學(xué)院，陜西 西安 710000；3.西北工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710072)

0 引 言

當(dāng)前嵌入式開放系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)，比如通訊、電子、航空、過程控制、消費(fèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域[1-4]。當(dāng)前嵌入式操作系統(tǒng)有數(shù)百種,比較流行的有蘋果iOS，谷歌的安卓系統(tǒng)，ATI的Nucleus Plus、VXWorks等。用戶可以根據(jù)自身的軟硬件環(huán)境的要求，選擇合適的操作系統(tǒng)。其中數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，有至關(guān)重要的作用，當(dāng)前常見的數(shù)據(jù)庫存儲介質(zhì)由連續(xù)的Flash組成，同時(shí)配合驅(qū)動和文件管理系統(tǒng)，且邏輯地址空間可逆且連續(xù)。文中以嵌入式Nucleus數(shù)據(jù)庫為例[5-9]，設(shè)計(jì)一種測試軟件架構(gòu)，采用直接面向Flash驅(qū)動的方法，相比傳統(tǒng)存取方法速度有較大提高，內(nèi)存占用也隨之降低。

1 Nucleus開放系統(tǒng)

Nucleus是為實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一個(gè)搶先式多任務(wù)操作系統(tǒng)[10-12]。Nucleus系統(tǒng)的各層通訊協(xié)議都提供了由ANSIC寫成的源碼，有利于系統(tǒng)的可移植性并支持大部分處理器。而且Nucleus系統(tǒng)針對不同的處理器的源碼大部分也是相同的且少部分跟CPU相關(guān)由匯編完成。該操作系統(tǒng)完全開源，可以通過修改開源代碼進(jìn)行所需的配置，調(diào)試可以在中斷和寄存器級進(jìn)行。核心函數(shù)API和程序代碼鏈接一起生成目標(biāo)代碼，可以直接燒制到目標(biāo)板卡中，整個(gè)核心代碼區(qū)內(nèi)核規(guī)模非常小，方便調(diào)試。

2 數(shù)據(jù)庫測試架構(gòu)

文中提出了面向Flash驅(qū)動的數(shù)據(jù)庫方法，該方法向上提供尋址空間，且空間為線性，將連續(xù)且可逆的邏輯地址空間用地址映射表的擦除塊來映射。數(shù)據(jù)庫相關(guān)設(shè)備和本身數(shù)據(jù)庫相互關(guān)聯(lián)，其中在連續(xù)的邏輯地址的基礎(chǔ)上，記錄需要寫在同一個(gè)擦除塊，數(shù)據(jù)庫設(shè)備則需要提供動態(tài)記錄空間。數(shù)據(jù)庫設(shè)備不能獨(dú)立完成整理擦除塊，需要依賴記錄索引，同時(shí)設(shè)備需要記錄擦除塊的工作情況，使得動態(tài)分配空間功能得以完善。擦除塊的掉電保護(hù)在底層設(shè)備獨(dú)立完成，記錄等操作的掉電保護(hù)由數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)操作完成。記錄索引表和交換塊以及記錄區(qū)構(gòu)成本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，索引表占用首地址空間，而交換塊不占用地址空間且存儲索引表最后節(jié)點(diǎn)部分，記錄區(qū)占用其他地址空間，詳細(xì)記錄每個(gè)數(shù)據(jù)庫地址類別大小等屬性，且記錄唯一地址信息，ID號不沖突同時(shí)可區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)庫類別[13-15]。

2.1 地址映射

文中假定數(shù)據(jù)庫相關(guān)設(shè)備存儲大小為2 M，且擦除塊大小占據(jù)64 K，擦除塊為32塊，其中一塊作為交換塊，其余為擦除塊，每個(gè)擦除塊前四字節(jié)寫入ID號和bank號，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 擦除塊結(jié)構(gòu)

當(dāng)嵌入式開發(fā)系統(tǒng)初始化時(shí)，數(shù)據(jù)庫相關(guān)設(shè)備則開始掃描32塊ID，并動態(tài)生成一個(gè)映射表且存儲在系統(tǒng)的內(nèi)存中，由于保留一個(gè)交換塊，只可用31節(jié)點(diǎn)，定義最后節(jié)點(diǎn)地址，其余節(jié)點(diǎn)包括物理地址和擦除塊信息。文中映射表用C語言表述成：

struct tagDbDevTab{

long Addr;//物理地址

long Free;//剩余大小

long Dirty;//臟塊大小

}DbDevTab[DB_DEV_SIZE/0x10000];

2.2 分配記錄空間和臟塊回收

文中數(shù)據(jù)庫相關(guān)設(shè)備可為系統(tǒng)動態(tài)分配記錄空間，數(shù)據(jù)庫記錄表存儲在同一塊擦除塊，且不能夸塊存儲。將地址映射表的空閑字段進(jìn)行優(yōu)先分配，減少碎片和物聯(lián)塊充分使用，由于操作如刪除和修改等會產(chǎn)生臟塊，為有效利用，臟塊需要反復(fù)利用，回收記錄觸發(fā)后當(dāng)設(shè)備空間無空余，臟塊回收則選中要回收的目標(biāo)塊，根據(jù)地址映射表記錄字段的大小優(yōu)先判斷，選定后記錄轉(zhuǎn)存其他空間同時(shí)刪除原記錄?？臻g所有記錄移除后，調(diào)用擦除函數(shù)寫入，同時(shí)修改地址映射表，如果臟塊太多，需要整塊回收，將有用記錄逐條轉(zhuǎn)存其他空間后擦除該空間，將保留空間作為邏輯空間寫入記錄，這樣將整個(gè)物理空間有效利用。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)備初始化

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)初始化先由設(shè)備初始化再進(jìn)行數(shù)據(jù)本身初始化。初始化不但要對調(diào)電保護(hù)做出檢測和數(shù)據(jù)修復(fù)，還要初始化許多全局變量，它們包括：地址映射表、保留Bank的物理基地址、記錄索引表的最大節(jié)點(diǎn)、索引表中已經(jīng)刪除的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、系統(tǒng)索引的記錄個(gè)數(shù)等，另外還要打開系統(tǒng)索引。

初始化過程為掃描各個(gè)Bank ID，填寫地址映射表的addr字段，如果發(fā)現(xiàn)Bank ID的Flag是0xF，則擦掉該Bank，如果發(fā)現(xiàn)Bank0 ID是0xE0000000，則改寫為0xC0000000。如果注冊表沒有填寫滿，也就是有的邏輯Bank找不到，則找到一個(gè)ID為0xFFFFFFFF的塊，擦除后寫入ID為0xC*******，并作為這個(gè)邏輯Bank。找到保留Bank并把基地址寫入地址映射表的最后一個(gè)節(jié)點(diǎn)。掃描Bank0的記錄索引表的addr字段，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)的Flag是0xF，改寫為0x8，如果Flag是0xE，讀出該節(jié)點(diǎn)id，找出該記錄舊的節(jié)點(diǎn)并刪除，同時(shí)改寫Flag為0xC。最后統(tǒng)計(jì)出記錄索引表的最大節(jié)點(diǎn)以及索引表中已經(jīng)刪除的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。還要統(tǒng)計(jì)出各個(gè)Bank的已經(jīng)用掉的空間、剩余空間、臟記錄的空間，其中剩余空間是根據(jù)該Bank的最后一條記錄再加上這個(gè)記錄的大小算出來一個(gè)初始值，然后再從該Bank的最后向前搜索到初始值，遇到不是0xFFFFFFFF的時(shí)候退出，該地址就是該Bank的剩余起始地址。

3 掉電保護(hù)

嵌入式開放數(shù)據(jù)庫設(shè)備必須使用掉電保護(hù)，目的是嵌入式系統(tǒng)在突發(fā)掉電情況，資料完整性得以保存，要求在寫操作步驟進(jìn)行。首先系統(tǒng)啟動后初始化過程中需要記錄之前掉電現(xiàn)象是正常模式下掉電還是異常模式下掉電，當(dāng)突發(fā)掉電可以還原掉電前資料信息，數(shù)據(jù)庫的空間地址分別由四個(gè)字節(jié)信息組成，相關(guān)記錄含義目錄名的相關(guān)性不得沖突、同時(shí)依靠數(shù)據(jù)庫的魯棒性。

數(shù)據(jù)庫的掉電保護(hù)是指在用戶打開數(shù)據(jù)庫后，在數(shù)據(jù)庫的操作期間(關(guān)閉數(shù)據(jù)庫之前)發(fā)生低電壓或者突然掉電時(shí)應(yīng)保證數(shù)據(jù)庫資料的完整性。在這個(gè)過程中允許且只允許丟失用戶最后一次的操作。在這個(gè)數(shù)據(jù)庫的實(shí)現(xiàn)中,利用了兩套數(shù)據(jù)文件來保證這一點(diǎn),每個(gè)數(shù)據(jù)庫打開后同時(shí)存在兩套文件:一是(*.dat,*.def.*,*.ida,*.idb,*.idc,...),另一套是(*.dat,*.bef,*.bda,*.bdb.*.bdc,...)，其中*.dat是同一個(gè)文件。其余的文件兩者一一對應(yīng)。在數(shù)據(jù)庫打開時(shí)，根據(jù)兩套文件的完整性(文件個(gè)數(shù))及其相互關(guān)系(記錄數(shù)的個(gè)數(shù))來確定當(dāng)前使用哪一套文件，并將另外一套文件全部置空(此時(shí)這套文件無效)。在對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作的過程中，先將當(dāng)前這套文件的內(nèi)容修改后寫入另一套文件中，全部完成后將當(dāng)前使用的文件標(biāo)志修改并將原來那套文件全部置空。這樣一來就可以保證在任何時(shí)候都有一套完整的數(shù)據(jù)，在關(guān)閉數(shù)據(jù)庫的時(shí)候?qū)⒖盏哪且惶孜募h除。對于數(shù)據(jù)庫的保護(hù)，在本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)里數(shù)據(jù)處理過程中采用備份的方式：兩份數(shù)據(jù)庫定義文件(*.def，*.bef)，兩份索引文件(*.id*，*.bd*)，但只有一份數(shù)據(jù)文件，因?yàn)閿?shù)據(jù)塊的使用可以由文件系統(tǒng)保障。這兩份文件組在使用中互為備份：在第一組為當(dāng)前使用時(shí)，執(zhí)行操作前恢復(fù)當(dāng)前文件組的數(shù)據(jù)，然后在備份組上進(jìn)行修改，修改完成，在將當(dāng)前組指向第二組。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試

通過上位機(jī)和下位機(jī)測試兩種方式：同時(shí)按下電源開關(guān)鍵(掛斷鍵)和退出鍵(右功能鍵)用傳輸線將小機(jī)同PC連接起來：在PC端啟動“數(shù)據(jù)庫測試程序”，小機(jī)端：按開關(guān)鍵開機(jī)連接成功后，在PC端選擇“系統(tǒng)自檢”。首先進(jìn)行串口測試如圖2所示，同時(shí)分別測試串口0和串口1，并顯示測試結(jié)果。在測試夾具上，會將串口0和串口1短接，故各串口自發(fā)自收，自動判斷測試結(jié)果。

圖2 串口通訊

然后再通過SRAM測試和DATA/PROGRAM校驗(yàn)，如圖3和圖4所示。測試過程中對于數(shù)據(jù)庫的保護(hù)，在本數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)里數(shù)據(jù)處理過程中采用備份的方式：兩份數(shù)據(jù)庫定義文件(*.def,*.bef)，兩份索引文件(*.id*,*.bd*)，但只有一份數(shù)據(jù)文件，因?yàn)閿?shù)據(jù)塊的使用可以由文件系統(tǒng)保障。這兩份文件組在使用中互為備份：在第一組為當(dāng)前使用時(shí)，執(zhí)行操作前恢復(fù)當(dāng)前文件組的數(shù)據(jù)，然后在備份組上進(jìn)行修改，修改完成，再將當(dāng)前組指向第二組。存儲一條記錄時(shí)，首先存貯該記錄的數(shù)據(jù)，然后存入記錄的節(jié)點(diǎn)，最后對該記錄進(jìn)行排序。針對上述流程，發(fā)生掉電時(shí)，如果發(fā)生在存數(shù)據(jù)過程，該記錄將完全不存在；如果發(fā)生在存節(jié)點(diǎn)過程中，該節(jié)點(diǎn)將不存在，但會浪費(fèi)一塊數(shù)據(jù)文件空間；如果發(fā)生在排序過程中，由于記錄數(shù)目不一致，將會刪除失效的一套文件。數(shù)據(jù)庫保持原來的結(jié)構(gòu)。

圖3 SDRAM測試

圖4 DATA/PROGRAM校驗(yàn)

通過軟件測試，表明該方法便于移植且當(dāng)其他模塊崩潰時(shí)不會直接影響數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)同時(shí)存取速度有所提高，同時(shí)占用內(nèi)存也會大大降低，由于有掉電保護(hù)，系統(tǒng)可靠性也得到了增強(qiáng)。

5 結(jié)束語

Nucleus作為開放嵌入式系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性和多任務(wù)性，系統(tǒng)資源的調(diào)度都在其有效管理控制下可以使嵌入式多任務(wù)的開發(fā)變得省時(shí)省力，同時(shí)高效，文中分析了基于Nucleus的嵌入式數(shù)據(jù)庫測試軟件架構(gòu)的機(jī)理,對于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的意義。