2019年信息技术与应用国际论坛
嵌入式数据库SQLite应用研究
Lv Junyan,Xu Shiguo,Li Yijie
辽宁工业大学经济信息工程学院，葫芦岛，125105
简介：传统的数据库并不能在嵌入式系统中用作数据管理。然而，开源嵌入式数据库SQLite因其特性能更好地满足嵌入式系统的需求。通过对嵌入式数据库特点和SQLite特点，以及其内在结构组成和API功能的分析，我们构建了一个ARM-Linux的模拟环境，实现了SQLite在ARM-Linux平台上的成功运行，包括交叉编译、过渡过程和应用开发，我们也实现了基于Qt/Embedded的图形用户界面设计。嵌入式数据库系统满足系统数据管理的需要，并且对指导嵌入式系统开发的理论和实践都具有重大的意义。
关键词：嵌入式系统;嵌入数据库;SQLite的;交叉编译
1 引言
嵌入式系统的软硬件资源有限，嵌入式应用的实现比较单一，对数据处理和维护能力要求不高，所以传统的数据库不能用于嵌入式数据管理系统。必须使用嵌入式数据库来满足嵌入式系统的需求，这种系统体积小，速度快，简单，可靠，易于移植。通过对许多嵌入式数据库的比较，我们发现SQLite具有强大、快速、简单的接口以及占用空间小等特殊优势，因此特别适用于嵌入式环境。本文将重点介绍如何在SkyEye平台上模拟ARM-Linux操作系统，如何在ARM-Linux平台上交叉编译SQLite3，实现平台中的SQLite应用程序开发以及基于Qt/Embedded的用户图形界面设计。SQLite3使用C语言作为开发语言，因此具有良好的可移植性。这里提到的方法也适用于其他操作系统平台而无需太多修改。 SQLite是一个开源的嵌入式数据库系统，具有开销小，搜索效率高的特点，特别适用于手机，PDA，机顶盒和其他电子设备，在能够被下载的消费类应用中具有良好的运行能力。
2 嵌入式数据库的特点
由于硬件和软件资源有限，无法在嵌入式数据库系统中安装庞大的数据库服务器。但是，用户的需要可能是一个作为简单文档存在于磁盘中的数据库系统。系统只是使用了数据库的基本功能。由于应用环境的特殊限制，嵌入式数据库与普通数据库系统相比具有自己的特点：占用存储空间小，可靠性高，可管理性和安全性，互操作性，定制性，可移植性，高性能，低成本，嵌入式，功能齐全等特点。
3 嵌入式数据库SQLite
SQLite是一个由D. Richard Hipp在2000年使用C语言编写的开源的嵌入式数据库。它是完全独立的，没有外部依赖性，可以更容易地在嵌入式系统中使用，并且可以在所有主要操作系统中运行、支持大多数计算机语言。
A SQLite的特点
虽然SQLite是一个非常轻量级的关系数据库，但它保留了大部分数据库的功能。其主要特点如下：
- 即使在系统崩溃和电源故障之后，事务也是原子的，一致的，隔离的和持久的（ACID）。
- 零配置，无需设置或管理。
- 完整的数据库存储在单个跨平台磁盘文件中。
- 支持TB级数据库和千兆字节大小的字符串和二进制大对象。
- 小代码占用：完全配置小于275KB。
- 比大多数常见操作的流行客户端/服务器数据库引擎更快。
- 简单易用的API。
- 自包含：没有外部依赖。
- 跨平台，很容易移植到其他系统。
- 来源属于公共领域。
B SQLite的内部结构
SQLite的内部结构由以下组件组成：SQL编译器，内核，后端以及附件。内部结构如图1所示：
图1 SQLite的内部结构
接口是一个C语言库，可以接收多种语言的API，但底层的实现是C语言库。当实现包含该字符串的SQL语句时，接口程序将该字符串传递给编译器。编译器将原始字符串分解为解析器标识的指示符，并将这些指示符传递给解析器。解析器收集符号之后，将它们转换为完整的SQL语句，然后调用代码生成器生成虚拟机代码，虚拟机代码交给虚拟机实现并完成SQL语句。SQLite体系结构的核心是虚拟数据库引擎（Virtual Database Engine,VDBE）。VDBE完成与数据处理相关的整个任务，它是客户与存储之间信息交换的中间单元。SQLite数据库存储在磁盘中，由源文件btree.c中的B-tree实现，它通过可调页面缓存（寻呼机）快速搜索和访问数据。为了便于移植，SQLite操作系统的接口程序使用层提取。实用程序主要实现了内存分配，字符串比较，语法分析，语法分析中符号表的存储以及SQLite的专业打印功能和随机数功能。一半以上的SQLite函数可以使用测试代码调试，并模拟了在系统崩溃时SQLite的恢复机制。
C SQLite的API函数
嵌入式数据库SQLite提供了C语言的API接口，使得数据库的操作非常简单。下面的章节将简要介绍一些功能：
1）SQLite3的C/C 常用接口
typedef struct sqlite3 sqlite3;
int sqlite3_open(const char*, sqlite3**);//打开数据库，包括文档和内存数据库。
int sqlite3_close(sqlite3*);//关闭数据库。
int qlite3_last_insert_rowid(sqlite3*);//最后插入数据库的行。
const char *sqlite3_errmsg(sqlite3*);/获取相应的错误代码介绍。这些错误消息将以UTF-8返回，并在下次调用任何SQLite API函数时被删除。
int sqlite3_errcode(sqlite3*);//获取调用最近API接口的错误代码。
2）SQLite的不同实现方法
- 执行一条或者多条SQL语句，并且在每行查询结果上实现回调函数:int sqlite3_exec();
- 动态构造SQL查询语句：char *sqlite3_mprintf(const char*,...);
char *sqlite3_vmprintf(const char*, va_list);
//结构与语句，由sqlite3_exe执行int sqlite3_exec_printf();
//结构化查询语句并且执行voidsqlite3_free(char *z);
// 由sqlite3_(v)来释放分配的内存
-
预编译SQL语句，减少SQL分析的时间：
int sqlite3_prepare（）；//预编译
int sqlite3_step(sqlite3_stmt*);//执行一次或多次
int sqlite3_reset( sqlite3_ stmt*);
// reset sqlite3_stmt（来自sqlite3_prepare（））
int sqlite3_finalize（sqlite3_stmt *pstmt）；
//发布
- 利用有关sqlite3_exec（）的封装并返回所有结果：
int sqlite3_get_table();
void sqlite3_free_table(char **result);
4 ARM-Linux平台上的SQLite
在比较和研究了不同的嵌入式数据库系统后选择了SQLite数据库。SQLite发布源代码，可以移植到大量的硬件平台上，源代码可以根据不同的平台进行交叉编译。由于ARM核心处理器广泛应用于嵌入式系统领域，ARM-Linux平台已经在许多嵌入式操作系统中得到广泛应用。为了节省成本，提高开发效率，首先将ARM-Linux操作系统移植到SkyEye平台进行仿真，经过调试和运行良好后，SQLite在ARM-Linux平台上进行交叉编译。
A 构建ARM-Linux的仿真操作环境
SkyEye平台是硬件开发板的变体和扩展。它利用软件技术来模拟真实的硬件环境，你可以忽略大量的细节硬件，提高设计效率，缩短软件产品的设计周期。 ARM-Linux是一个优秀的实时嵌入式操作系统，因此移植到SkyEye平台的ARM-Linux具有一定的实际意义。
ARM-Linux将在SkyEye平台上构建。为了能够在ARM-Linux中运行自己的应用程序，需要明确表达NFS。其实现包括以下步骤：
1）安装skyeye
-
选择skyeye1.2.4版本，首先解压缩源包：
#tar xzf skyeye-e-1.2.4_Rel.tar.gz
#cd skyeye-1.2.4 -
为了在运行它的ARM-Linux上清晰地表达NFS，我们需要修改device/net/dev_net_cs8900a.c，将修改后的文件保存为dev_net_cs8900a.c，替换未修改的旧文件，然后实现编译器：
#make NO_DBCT = 1 NO_BFD = 1。 - 编译生成的skyeye是二进制文件后，将其复制到/usr/local/bin/：
#cp binary/skyey/usr/lonal-bin
2) 编译内核，选择Linux版本为2.6.14.tar.bz2,，交叉编译工具arm-linux-gcc 3.4.1，如下面的步骤：
- 设想核心资源包在/root目录中，首先，解压资源：
#cd /root
#tar xjf linux-2.6.14.tar.bz2
- 进入核心目录： #cd linux-2.6.14，修改该目录下的Makefile。
- 生成默认的内核配置文件（针对于s3c2410）：#make smdk2410_defconfig。
- 将cs8900网卡驱动程序添加到核心以支持NFS安装。
- 修改核心文件。
- 剪切并自定义内核。首先，设置命令#make menuconfig，然后是start-core的参数和CS8900的支持，初始化内存盘，NFS，ROM文件系统和ext2。
- 编译#make。编译完成后，当前目录中会有一个vmlinux，这就是需要的arm-linux内核。
3）创建根文件系统initrd.img（初始RAM磁盘）。选择版本Busybox-1.9.2.tar.bz2，以静态方式编译它。
通过在arm-linux中阐述NFS，我们可以将armlinux-gcc编译器的库文件清楚地表达到arm-linux的目录/lib，然后我们就可以运行自己的程序了。以下步骤是：提取源包，修改Makefile，自定义busybox，实现make compiling和make initrd.img。
4）运行arm-linux。配置文件Skyeye.conf并运行arm-linux的模拟。
5）在arm-linux中运行自己的程序。
首先，在arm-linux的主机中配置NFS服务，然后编辑文件/etc/exports，配置主机的ip，重新启动nfs服务，在skyeye中运行arm-linux并配置其ip，在skyeye中运行arm-linux并演示安装的nfs。
为了确认arm-linux能够与主机通信，我们可以相互使用ping，直到它们可以相互通信。
B 在ARM-Linux平台上实现SQLite
SQLite在ARM-Linux平台上编译，包括以下步骤:
- 从http://www.sqlite.org/中下载sqlite-3.6.3.tar.gz到/root目录，解压缩并从pigeonholed文件中提取文件和目录。然后它将在/root目录中生成sqlite-3.6.3/子目录。
- 使用命令“echo $ PATH”检查交叉编译器工具arm-linux-gcc是否已包含在PATH中。
-
手动修改Makefile文档，无法配置脚本生成Makefile文档。首先，通过命令 #cp Makefile.linux-gccMakefile复制Makefile Makefile.linux-gcc的示例文件到sqlite-3.6.3/目录下，重命名文件Makefile,然后使用vim手动打开Makefile文件并且修改它。原则上，对Makefile的修改主要包括两个方面:首先，将编译器，归档等工具更改为跨工具链中的相应工具，例如gcc替换为arm-linux-gcc，ar替换为ar-linux-ar，用arm-linux-ranlib替换了ranlib，依此类推;然后，删除与TCL相关的编译器选项。因为默认情况下，与SQLite绑定的TCL语言将被编译，但是当被移植到ARM-Linux平台上时，它并不需要。因此注意到与TCL相关的两线；它依旧需要手动修改main.mk文件，使用 select.o table.o tclsqlite.o tokenize.o trigge
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资料编号：[2015]
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