1 引言
　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫（real-time database， RTDB）作為組態(tài)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的核心內(nèi)容解決了其所 應(yīng)對(duì)的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中生產(chǎn)數(shù)據(jù)與控制數(shù)據(jù)類型復(fù)雜多樣，數(shù)據(jù)處理與事件調(diào)度時(shí) 間約束嚴(yán)格等難題［1］。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多種基于Windows 操作系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫 產(chǎn)品在自動(dòng)化過程控制領(lǐng)域中得到應(yīng)用［2］，隨著Linux 操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，這種開發(fā)平臺(tái)單一 的局面有望得到改觀。Linux 操作系統(tǒng)具有很多優(yōu)秀的特性適于組態(tài)軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的 開發(fā)，特別是其完善的進(jìn)程線程管理，進(jìn)程間通信機(jī)制與并發(fā)控制，可靠的內(nèi)存管理系統(tǒng)［3］， 更是為時(shí)間約束嚴(yán)格的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的開發(fā)提供了有力的支持。因此，本文結(jié)合Linux 系統(tǒng)實(shí) 時(shí)多任務(wù)方面的特性，采取能夠滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)響應(yīng)要求的多級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，研究并提出了一種 基于嵌入式Linux 系統(tǒng)平臺(tái)并可應(yīng)用于監(jiān)控組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)方案。
　　2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)
　　實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫是監(jiān)控組態(tài)軟件數(shù)據(jù)處理，事務(wù)調(diào)度，各應(yīng)用程序間通信的中心。圖1 即示 出了組態(tài)軟件實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)處理流程。
　　
　　2.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)流分析
　　組態(tài)軟件運(yùn)行環(huán)境分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RTDBMS）和實(shí)時(shí)監(jiān)控界面程序（real-time supervisory control interface， RTSCI）。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)需要把工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中復(fù)雜多樣的過 程和控制數(shù)據(jù)抽象為合理高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)監(jiān)控界面程序則利用實(shí)時(shí)過程數(shù)據(jù)為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān) 控人員提供一個(gè)反映實(shí)際生產(chǎn)過程的可視化圖形界面，在實(shí)際運(yùn)行中二者構(gòu)成客戶端/服務(wù) 器計(jì)算模式。RTDBMS 作為數(shù)據(jù)服務(wù)的提供者，需要滿足RTSCI 種類多樣的數(shù)據(jù)需求。
　　為了形象的描繪工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)過程，RTSCI 由多種圖形對(duì)象構(gòu)成，根據(jù)不同的數(shù) 據(jù)類型需求可分為實(shí)時(shí)顯示，實(shí)時(shí)趨勢(shì)，歷史趨勢(shì)，實(shí)時(shí)報(bào)警等。而應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn) 場(chǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫還需要滿足嚴(yán)格的數(shù)據(jù)存取與事件響應(yīng)的定時(shí)限制。所以，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù) 庫管理系統(tǒng)所采用的數(shù)據(jù)表示方法，存儲(chǔ)模式已不能滿足工控組態(tài)軟件所要求的響應(yīng)速度 ［4］。為此，在設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫時(shí)，為了兼顧RTSCI 所要求的數(shù)據(jù)圖形表現(xiàn)多樣性與工業(yè)生產(chǎn) 環(huán)境時(shí)間約束的嚴(yán)格性，需要采用多種存儲(chǔ)介質(zhì)合理組合的多層級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。
　　在工業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)時(shí)產(chǎn)生的過程量，是需要組態(tài)軟件在每個(gè)采樣周期中及時(shí)更新的動(dòng) 態(tài)數(shù)據(jù)，為了保證實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的及時(shí)響應(yīng)，須將其存儲(chǔ)在內(nèi)存中；對(duì)于RTSCI 的某些數(shù)據(jù) 需求，如歷史趨勢(shì)顯示，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫應(yīng)為之提供相比內(nèi)存更大的存儲(chǔ)空間，這類數(shù)據(jù)需求不 需要很高的響應(yīng)速度，可將之命名為靜態(tài)數(shù)據(jù)，其所服務(wù)的圖形對(duì)象要求可按時(shí)間翻頁瀏覽， 這類靜態(tài)數(shù)據(jù)適于存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中；而需要長(zhǎng)期保存的生產(chǎn)過程量數(shù)據(jù)，即歷史數(shù)據(jù)，它 們是今后進(jìn)行生產(chǎn)效能分析的依據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以保存在通用數(shù)據(jù)庫中。這樣，由內(nèi)存數(shù)據(jù) 庫，外存文件系統(tǒng)以及通用數(shù)據(jù)庫的三級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，便構(gòu)成了既可滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)定時(shí)限制又 兼顧數(shù)據(jù)需求多樣性的可應(yīng)用于監(jiān)控組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)架構(gòu)。
　　2.2 利用共享內(nèi)存與命名管道技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)
　　Linux 提供了一組由AT&T System V.2 版本的UNIX 引入的進(jìn)程間通信（Inter-Process CommunicatiON， IPC）機(jī)制，其中的共享內(nèi)存技術(shù)允許兩個(gè)不相關(guān)的進(jìn)程訪問同一段邏輯內(nèi) 存，是在兩個(gè)運(yùn)行中的進(jìn)程間傳遞數(shù)據(jù)的一種非常高效的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制［5］，可為RTDBMS 與RTSCI 間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互提供有力的支持。但共享內(nèi)存技術(shù)本身并未提供任何同步機(jī)制， 因此還需要配合IPC 的信號(hào)量機(jī)制來保證二者間數(shù)據(jù)訪問控制。Linux 提供的另一組在不相 關(guān)的進(jìn)程間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的函數(shù)是命名管道FIFO。它是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在文件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)進(jìn)程 間共享的一種通信方式。命名管道適用于數(shù)據(jù)存取響應(yīng)時(shí)間要求相對(duì)寬松且數(shù)據(jù)交互總量較 大的應(yīng)用場(chǎng)合。同時(shí)，F(xiàn)IFO 中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫的read 和write 調(diào)用的阻塞機(jī)制，還可以提供 進(jìn)程間的同步控制。
　　
　　由上述對(duì)其特點(diǎn)的分析，F(xiàn)IFO 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)RTDBMS 與RTSCI 間靜態(tài)數(shù)據(jù)交互較好的 選擇。上圖即示出了由共享內(nèi)存，命名管道，ODBC 接口等多種進(jìn)程間通信機(jī)制構(gòu)建的實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。值得注意的是，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與通用數(shù)據(jù)庫的雙向數(shù)據(jù)交換，需要編寫特定的通用數(shù)據(jù)庫接口（ODBC 接口）例程。Linux 提供了一組豐富的接口函數(shù)用來訪問 MySQL 數(shù)據(jù)庫。通過對(duì)通用數(shù)據(jù)庫MySQL 的數(shù)據(jù)連接進(jìn)行組態(tài)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫便可按照預(yù) 先指定的采樣周期，對(duì)規(guī)定時(shí)間區(qū)段內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)與MySQL 數(shù)據(jù)庫建立數(shù)據(jù)連接。