Базовые механизмы функционирования Windows XP

Правила построения современных ОС та­ковы, что все программы, выполняющиеся в них, имеют свои адресные пространства в памяти компьютера. Никакая задача не может проникнуть в адресное пространство другой задачи, исключая заранее оговоренные воз­можности по взаимному обмену информацией, и это происходит только лишь с разрешения обоих задач и самой ОС.

В режиме ядра работают наиболее важные для производительности компо­ненты системы, при этом они могут взаимодействовать с оборудованием и друг с другом без использования переключателей режима исполнения например: ме­неджер памяти, менеджер кэш-памяти, менеджер объектов, система безо­пасности, сетевые протоколы, файловые системы, управление процессами и потока. Все эти компоненты полностью защищены от выполняемых приложе­ний, которые не имеют прямого доступа к коду и данным из привилегирован­ной части операционной системы.

Компоненты режима ядра Windows XP спроектированы на основе принципов построения объектно-ориентированных систем. Поэтому они не работают напрямую со структурами данных, поддер­живаемыми определенными компонентами и программами ядра ОС. Вместо этого для передачи или приема параметров, доступа или модификации структур данных они используют формальный интерфейс. Вместе с тем, несмотря на повсеместное использование объектов для представления раз­деляемых системных ресурсов, Windows XP не является операционной сис­темой, построенной на основе объектно-ориентированного программирования, так как основная часть системы написана на языке Си, для обеспечения высокой производительности, надежности и переносимости на другие аппа­ратные платформы.

Системы, имеющие в наличие одно простое ядро и большое количество компонентов системного режима, которые выполняют различные функции вместе с ядром, на­зываются микроядерной архитектурой (системами на микроядре). В н.в. считается (хотя еще и ведутся отдельные споры), что за такой архитектурой ОС – будущее. В режиме ядра ОС выполняются следующие программы и компоненты:

- ядро Windows XP выполняет все низкоуровневые функции ОС: управление потоками, управление прерываниями и исключениями, управление синхронизацией процессов, так же включает набор процедур и базовых объектов, используемых исполняемой частью для создания высокоуровневых элементов;

- исполняемая часть, NT Executive включает управление: памятью, процес­сами, потоками, безопасностью, вводом-выводом и межпроцессорными обменами;

- уровень абстрагирования от оборудования, HAL изолирует ядро, драй­вера устройств и исполняемую часть Windows от аппаратных особенно­стей платформы;

- драйвера устройств, включая файловую систему и аппаратные драйвера, которые транслируют пользовательские запросы и вызовы в соответствующие команды оборудованию по портам ввода-вывода, а потом возвращают информацию о статусе этих устройств обратно про­граммам и компонентами ОС более высокого уровня; находятся в подкаталоге Isystem32l drivers системного каталога и имеют тип файла *.sys,

- функции графического интерфейса (файл Gdi32.dll) работают с окнами, элементами управления и рисунками.

Ядро ОС находится в файле:

%SystemRoot%\SYSTEM32\ntoskrnl.exe,

где %SystemRoot% – значение системно-зависимой переменной SystemRoot.

Ядро выполняет большин­ство основных операций ОС, определяющих порядок использования центрального процессора: диспетчеризацию потоков и об­работку исключений, синхронизацию работы процессоров, обеспечение базовых объектов ядра, которые используются управляющей частью, в некоторых случаях экспортирующихся в режим пользователя. В отличие от остальной части ОС, ядро всегда находится в оперативной памяти компьютера, его выполнение нико­гда не прерывается другими потоками. Код ядра напи­сан на языке Си с редкими ассемблерными вставками, предназначенны­ми для увеличения производительности в особо критичных для этого местах.

Одной из функций ядра является формирование специальных примитивов, ис­пользуемых ОС – структурами данных, называемыми объектами ядра. Данные виды объектов обеспечивают нормальную работу компонентов высшего уровня. Ядро изолирует себя от остальной части ОС, что позволяет все, кроме диспетчеризации потоков, вынести за его уровень. Ядро использует набор простейших объектов (объектов яд­ра), которые позволяют управлять работой центрального процессора и поряд­ком создания обрабатываемых объектов. Большинство обрабатываемых объектов включает в себя один или более объектов ядра, включая опреде­ленные ядром атрибуты. Один из наборов объектов связан с обработкой вызова различных процедур, в то время как другие заняты диспетчериза­цией и синхронизацией потоков, потоком ядра, объектами синхрониза­ции потоков, различными событиями системы, вроде возникновения прерывания, ответа от устройства и прочее.

Ядро играет важную роль в поддержке оборудования пу­тем изоляции его от исполняемой части системы и драйверов, посредст­вом определения в ядре специфичных для каждой конкретной архитекту­ры вещей. Функции, которые могут отличаться от машины к машине, реализованы в составе HAL.

Исполняемая часть, NT Executive использует сервисы яд­ра и включает следующие компоненты:

- менеджер процессов и потоков управляет потоками, т.к. процессы и потоки поддерживаются нижележащим слоем, то ОС только добавляет дополнительную семантику и новые функ­ции к объектам более высокого уровня;

- менеджер виртуальной памяти использует схему управления, при которой каждый процесс получает собственное адресное пространство, защищенное от воздействия других процессов, так же обеспечивает низкоуровневую поддержку для менеджера кэш-памяти;

- монитор безопасности проводит политику обеспечения мер безопасности на локальном компьютере, охраняя системные ресурсы и выполняя процедуры аудита и защиты объектов;

- система ввода-вывода использует независимый от устройств ввод-
вывод и отвечает за пересылку данных соответствующим драйвером для дальнейшей обработки;

- менеджер кэш-памяти улучшает производительность системы ввода-вывода, размещая читаемые с диска данные в основной памяти для ускорения доступа к ним, а также откладывая на короткое время за­пись измененных данных на диск.

Вышеперечисленные компоненты используют четыре общие группы функций, входящие в состав исполняющей части:

- менеджер объектов, который создает объекты и абстрактные типы
данных и управляет ими; объекты используются для предоставления таких ресурсов, как процессы, потоки и объекты синхронизации потоков;

- система LPC (Local Process Communication, локальная коммуникация между процессами) передает сообщения между клиентским процессом и процессом сервера на том же компьютере; фактически это оптимизированная версия процедуры удаленного вызова процедур RPC (Remote Procedure Call, удаленный вызов процедур), который является стандартным для организации процесса взаимодей­ствия процессов в архитектуре клиент/сервер;

- набор библиотечных функций: обработка строк, арифметические операции, преобразование типов данных, об­работка структур.

- процедуры распределения памяти, взаимообмен между процессами через память; два специальных типа объектов синхронизации: ресурсы и объекты fast mutex (объекты класса mutex обеспечивают исключительный доступ программ к какому-либо ресурсу системы).

Уровень абстракции от оборудования HAL являются одним из наиболее важных ком­понентов ядра, который определяет переносимость и надежность ОС. Загружаемый модуль ядра hal.dll обеспечивает низкоуровневый интерфейс с аппаратной платформой, что позволяет скрыть аппаратно-зависимые и специфичные для архитектуры детали: интерфейс ввода-вывода, котроллеры прерываний, механизм обмена данными между процессорами.

Драйвера устройств – загружаемые модули, которые работают в ре­жиме ядра и обеспечивают интерфейс между системой ввода-вывода и соот­ветствующим оборудованием. Имена модулей обычно имеют расши­рения.sys. Как правило, они написаны на языке Си (но иногда встречается и язык C++) с использованием процедур и функций уровня HAL и могут быть переносимы на уровне двоичного кода между плат­формами, поддерживаемыми Windows XP. Существует несколько типов драйверов устройств:

- драйверы, манипулирующие устройствами (с использованием уровня HAL) для записи выходных данных или получения входных данных от устройств или через сеть;

- драйверы файловой системы, которые принимают запросы на файло­вый ввод-вывод и транслируют их запросы ввода-вывода, связанные с конкретными устройствами;

- драйверы фильтров, например, драйвера поддержки зеркалируемых дисков, шифрования данных, перехвата ввода-вывода для до­полнительной обработки перед их передачей на следующий уровень и пр.;

- сетевые драйверы, которые передают и принимают удаленные запросы ввода-вывода.

Поскольку драйвера устройств являются единст­венной возможностью проникнуть программе пользователя в режим яд­ра, то некоторые программисты могут их использовать как способ досту­па к внутренним функциям и структурам данных ОС, недоступным из пользовательского режима.

В режиме пользователя ОС Windows XP имеется четыре типа пользовательских процессов:

- специальные процессы поддержки системы, например, процесс регистра­ции пользователей и менеджер сессий, которые не являются службами ОС;

- процессы сервера, которые являются службами системы, например, регистратор событий Event Logger; многие устанавливае­мые приложения и драйвера устройств включают в себя процессы-серверы, работающие как службы;

- подсистемы среды, которые обеспечивают пользовательским приложени­ям среду для других ОС; Windows XP поставляется с тремя типами систем: Win32, POSIX и OS/2 2.1;

- пользовательские приложения одного из пяти типов: Win32 (например программы, из комплекта Microsoft Office, Windows Media Player и др.), Windows 3.1, MS-DOS, POSIX или OS/2 2.1.