Создание ОС Windows. Структура ОС Windows

В данной лекции говорится о наиболее важных этапах создания ОС Windows наряду с эволюцией операционных систем, структуре системы, а также вводятся некоторые ключевые понятия.

Из курсов по теории ОС (см., например, [ Карпов ] , [ Столлингс ] ) известно, что операционная система является базисной системной программой. Обычно аппаратно- программное обеспечение типовой вычислительной системы представляют в виде набора слоев ( рис. 1.1), при этом операционной системе соответствует слой между оборудованием компьютера и остальным программным обеспечением. Такое расположение позволяет ОС обеспечивать возможность рационального использования оборудования компьютера удобным для пользователя образом путем создания среды для функционирования и разработки прикладных программ.

Дружественный интерфейс между пользователем и компьютером достигается за счет абстрагирования, которое является важным методом упрощения и позволяет сконцентрироваться на взаимодействии высокоуровневых компонентов системы, игнорируя детали их реализации. В этом смысле об ОС говорят, что операционная система является абстрактной или виртуальной машиной, с которой иметь дело гораздо удобнее, нежели с низкоуровневыми элементами компьютера

Альтернативный взгляд на ОС дает представление об ОС как о менеджере ресурсов, который осуществляет упорядоченное и контролируемое распределение процессоров, памяти и других ресурсов между различными программами.

Краткая история создания ОС Windows

Первая версия описываемого ряда операционных систем — ОС Windows NT появилась в 1993 г. Краткий исторический экскурс позволяет объяснить ряд ее особенностей и отличительных черт.

Наиболее важные моменты эволюции операционных систем

Известно ( [ Карпов ] ), что операционные системы приобрели современный облик в период развития третьего поколения вычислительных машин, то есть с середины 60-х до 1980 года. В это время существенное повышение эффективности использования процессора было достигнуто за счет реализации многозадачности, в том числе вытесняющей ( preemptive ) многозадачности. Для поддержки псевдопараллельной работы нескольких программ и асинхронного режима работы внешних устройств в составе вычислительных систем были реализованы следующие программно-аппаратные новшества и подсистемы:

• Внедрение защитных механизмов. Защита памяти позволяет изолировать конкурирующие пользовательские программы друг от друга, а появление привилегированных и непривилегированных команд — проконтролировать доступ к распределению ресурсов.
• Реализация прерываний, оповещающих ОС о произошедших асинхронных событиях, например, о завершении операции ввода-вывода.
• Поддержка совокупности системных вызовов для организации интерфейса между прикладной программой и ОС.
• Реализация дисциплины планирования для организации очереди из программ в памяти и выделение процессора одной из программ.
• Обеспечение возможности сохранения с последующим восстановлением содержимого регистров и структур данных, необходимых для выполнения программы, при переключении процессора с одной программы на другую.
• Реализация стратегии управления памятью — чтобы упорядочить процессы размещения, замещения и выборки информации из памяти.
• Организация хранения информации на внешних носителях в виде файлов и обеспечение доступа к конкретному файлу только определенным категориям пользователей.
• Обеспечение программ средствами коммуникации и синхронизации.

К этому же периоду эволюции относится идея создания семейств программно совместимых машин различной архитектуры, работающих под управлением одной и той же операционной системы. Прошедший первую апробацию на IBM-360 данный процесс имеет результатом привычную на сегодня картину работы ОС Windows или Linux на компьютерах самой разной архитектуры.

В период четвертого поколения вычислительных машин (с 1980 г. до настоящего времени) наступила эра персональных компьютеров (ПК) с дружественным интерфейсом. Первоначально ПК имели ограниченные возможности и предназначались для использования одним пользователем в однопрограммном режиме, что повлекло за собой деградацию архитектуры этих ЭВМ и их операционных систем (в частности, пропала необходимость защиты файлов и памяти, планирования заданий и т.п.). Однако, по мере расширения возможностей ПК, рост сложности и разнообразия задач, решаемых на них, необходимость повышения надежности их работы привели к возрождению практически всех черт, характерных для архитектуры больших вычислительных систем.

В середине 80-х стали бурно развиваться сети компьютеров, в том числе персональных, работающих под управлением сетевых или распределенных операционных систем.

Онтогенез повторяет филогенез

В книге Таненбаума справедливо отмечено, что развитие операционных систем иллюстрирует известное из биологии правило «Онтогенез повторяет филогенез» — то есть развитие зародыша (онтогенез) повторяет эволюцию видов. Соответственно, каждый новый вид компьютера (мэйнфрейм, мини-компьютер, персональный компьютер, встроенный компьютер, смарт-карта и т.д.) проходит через одни и те же стадии развития. По мере совершенствования архитектуры, программирование на ассемблере сменяется программированием на языках высокого уровня. Затем компьютер обрастает дополнительным оборудованием, средствами поддержки многозадачности, простые операционные системы заменяются все более сложными. Попутно появляются централизованные файловые системы, виртуальная память и другие атрибуты полноценных операционных систем. Такой взгляд на эволюцию компьютерных архитектур имеет известную предсказательную силу. В частности, можно считать, что операционные системы Microsoft, начиная от MS-DOS и кончая современными версиями Windows, развивались по схожему сценарию.

Архитектурные особенности операционных систем.

В настоящее время подавляющее большинство операционных систем имеет так называемый монолитный дизайн. В этом случае компоненты операционной системы являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой программы. Монолитное ядро представляет собой набор процедур, каждая из которых может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме. Таким образом, монолитное ядро — это такая схема операционной системы, при которой все ее компоненты являются составными частями одной программы, используют общие структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова процедур.

Современная тенденция в разработке операционных систем состоит в перенесении значительной части системного кода на уровень пользователя и одновременной минимизации ядра. Речь идет о подходе к построению ядра, называемом микроядерной архитектурой ( microkernel architecture) операционной системы, когда большинство ее составляющих являются самостоятельными программами. В этом случае взаимодействие между ними обеспечивает специальный модуль ядра , называемый микроядром. Микроядро работает в привилегированном режиме и обеспечивает взаимодействие между программами, планирование использования процессора, первичную обработку прерываний, операции ввода-вывода и базовое управление памятью. Остальные компоненты взаимодействуют путем обмена сообщениями в рамках архитектуры клиент-сервер (см. рис. 1.2).

Создание ОС Windows

Как уже отмечалось, эволюция операционных систем Microsoft является хорошей иллюстрацией тезиса о повторении онтогенезом филогенеза.

Операционные системы корпорации Microsoft можно условно разделить на три группы:

• MS-DOS и MS-DOS+Windows 3.1,
• так называемые потребительские ( consumer ) версии Windows (Windows 95/98/Me)
• и предмет данного курса — линия ОС, ведущих свое начало от Windows NT (Windows NT/2000/XP/Vista).

Однозадачная 16-разрядная ОС MS-DOS была выпущена в начале 80-х годов и затем широко применялась на компьютерах с процессором x86. Вначале MS-DOS была довольно примитивна (деградация ОС), ее оболочка занималась, главным образом, обработкой командной строки, но в последующие версии было внесено много улучшений, заимствованных, главным образом, из ОС Unix. Затем под влиянием успехов дружественного графического интерфейса корпорации Apple для компьютеров Macintosh была разработана система Windows. Особенно широкое распространение получили версии Windows 3.0, 3.1 и 3.11. Первоначально это была не самостоятельная ОС, а скорее многозадачная (с невытесняющей многозадачностью) графическая оболочка MS-DOS, которая контролировала компьютер и файловую систему.

В 1995 г. была выпущена 32-разрядная ОС Windows 95, где была реализована вытесняющая многозадачность. ОС Windows 95 включала большой объем 16-разрядного кода, главным образом для обеспечения преемственности с приложениями MS-DOS. 16-разрядный код присутствовал и в последующих версиях этой серии Windows 98 и Windows Me. Другой проблемой данной версии Windows, во многом обусловленной той же причиной, была нереентерабельность существенной части кода ядра. Так, если один из потоков был занят модификацией данных в ядре, другой поток, чтобы не получить эти данные в противоречивом состоянии, вынужден был ждать, то есть не мог воспользоваться системными сервисами . Это, зачастую, сводило на нет преимущества многозадачности.

ОС Windows NT (New Technology) — новая 32-разрядная ОС, совместимая с предшествующими версиями Windows по интерфейсу. Работу над созданием системы возглавил Дэвид Катлер, один из ключевых разработчиков ОС VAX VMS . Ряд идей системы VMS присутствует в NT (см рис. 1.3). Заметна преемственность в системе управления большим адресным пространством и резидентным множеством процесса, в системе приоритетов обычных процессов и процессов реального времени, в средствах синхронизации и т.д. Вместе с тем Windows NT — это совершенно новый амбициозный проект разработки системы с учетом новейших достижений в области архитектуры микроядра. Первая версия, названная Windows NT 3.1 для соответствия популярной Windows 3.1, была выпущена в 1993 г. Коммерческого успеха добилась версия Windows NT 4.0, заимствовавшая графический интерфейс Windows 95. В начале 1999 г. была выпущена Windows NT 5.0, переименованная в Windows 2000. Следующая версия этой ОС данной серии — Windows XP появилась в 2001 г., а Windows Server 2003 — в 2003 г. В настоящее время выпущена Windows Vista, ранее известная под кодовым именем Longhorn, — новая версия Windows, продолжающая линейку Windows NT.

Объем исходных текстов ядра ОС Windows неизвестен. По некоторым оценкам, объем ядра Windows NT 3.5 составляет приблизительно 10Мб, а с каждой новой версией ОС Windows этот объем неуклонно увеличивается в полтора-два раза.

Возможности системы

Перед разработчиками системы была поставлена задача создать операционную систему персонального компьютера, предназначенную для решения серьезных задач, а также для домашнего использования. Перечень возможностей системы достаточно широк, вот лишь некоторые из них [ Руссинович ] , [ Рихтер ] . Операционная система Windows:

• является истинно 32-разрядной, поддерживает вытесняющую многозадачность;
• работает на разных аппаратных архитектурах и обладает способностью к сравнительно легкому переносу на новые аппаратные архитектуры;
• поддерживает работу с виртуальной памятью;
• является полностью реентерабельной;
• хорошо масштабируется в системах с симметричной мультипроцессорной обработкой;
• является распределенной вычислительной платформой, способной выступать в роли как клиента сети, так и сервера;
• защищена как от внутренних сбоев, так и от внешних деструктивных действий. У приложений нет возможности нарушить работу операционной системы или других приложений;
• совместима, то есть, ее пользовательский интерфейс и API совместимы с предыдущими версиями Windows и MS-DOS. Она также умеет взаимодействовать с другими системами вроде UNIX, OS/2 и NetWare;
• обладает высокой производительностью независимо от аппаратной платформы;
• обеспечивает простоту адаптации к глобальному рынку за счет поддержки Unicode;
• поддерживает многопоточность и объектную модель.

Успешность реализации этих требований будет продемонстрирована по мере изучения деталей ОС Windows. В рамках курса будут введены и впоследствии уточнены и детализированы различные понятия и термины.. Некоторые из них приведены в приложении.

Обзор операционных систем Windows

Microsoft Windows – операционные системы корпорации Microsoft, различные версии которых предназначены для широкого класса устройств – от суперкомпьютеров до встроенных систем. В настоящее время Microsoft Windows установлена на большинстве персональных компьютеров: по данным сайта анализа веб трафика StatCounter (http://gs.statcounter.com) операционные системы Windows (версий XP, Vista, 7) в августе 2012 года были установлены на 88% компьютеров в мире; в то же время по данным компании веб-аналитики Net Applications (http://marketshare.hitslink.com) Windows занимает 92% рынка настольных компьютеров и ноутбуков.

В настоящее время существует несколько семейств ( family ) операционных систем Windows , предназначенных для использования на разных типах компьютеров:

• семейство клиентских операционных систем Windows NT (Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8 и др.);
• семейство серверных операционных систем Windows NT Server (Windows Server 2003, Windows Server 2008 и др.);
• семейство мобильных операционных систем Windows Mobile и Windows Phone (Windows Mobile 6, Windows Phone 7 и др.);
• семейство встроенных операционных систем реального времени Windows CE (Windows CE 7.0 и др.).

Кроме того, в прошлом выпускались 16 разрядные операционные системы ( Windows 1.0, Windows 2.х, Windows 3.х) и семейство операционных систем Windows 9x ( Windows 95, Windows 98, Windows Me).

В данной лекции представлен краткий обзор семейств операционных систем Microsoft Windows (рис.2.1).

16 разрядные Windows

Первой Windows была Windows 1.0, выпущенная в ноябре 1985 года. Это была не полноценная операционная система, а надстройка над операционной системой MS-DOS. Windows 1.0 предоставляла пользователю графический оконный интерфейс и возможность запускать несколько приложений одновременно (и то и другое отсутствовало в MS DOS). Сначала эту программу хотели назвать Interface Manager, но затем склонились к названию Windows («окна»), как более точно отражающему суть работы с новой программой [7]. Минимальные системные требования к памяти ограничивались 256 КБ.

В Windows 2.0 (декабрь 1987 года) были введены некоторые улучшения графического интерфейса (в частности поддержка перекрывающихся окон) и работы с памятью. Также для большего удобства стали использоваться комбинации клавиш. В мае 1988 года и в марте 1989 года появляются соответственно Windows 2.10 и Windows 2.11, поддерживающие новые на то время процессоры Intel 80286 и Intel 80386 [16].

В мае 1990 года выходит Windows 3.0 с улучшенной графикой и поддержкой виртуальной памяти. В 1992 1993 гг. появляются версии Windows for Workgroups 3.1 и 3.11, в которых имеется поддержка работы в одноранговых сетях и сетях под управлением сервера. Это были последние версии 16 разрядных Windows.

Windows 9x

В августе 1995 года выпускается Windows 95 – 32 разрядная клиентская операционная система, в которой была встроенная поддержка работы с Интернетом (браузер Internet Explorer) и модемными сетями, а также технология Plug-and-Play («подключи и работай»), позволяющая быстро подключать к компьютеру различные устройства. Впервые появилась кнопка Пуск (Start) и Панель задач (Taskbar). Windows 95 требовала минимум 4 МБ оперативной памяти [7].

На смену Windows 95 в июне 1998 года приходит Windows 98 с множеством программ для работы с Интернетом (Internet Explorer 4, Outlook Express и др.), поддержкой DVD и USB, первым появлением Панели быстрого запуска программ (Quick Launch bar). Windows 98 была последней операционной системой, основанной на MS DOS [7].

Последней версией в семействе 9x стала Windows Me (Millennium Edition, сентябрь 2000 года). Эта система была нацелена на домашних пользователей, и, следовательно, имела широкую поддержку работы с мультимедиа (Windows Media Player 7, Windows Movie Maker), Интернетом и домашними сетями.

Другим направлением развития операционных систем Windows в 90 е годы стало семейство NT.

Windows NT

В июле 1993 года была выпущена первая операционная система семейства NT – Windows NT 3.1. Есть разные варианты объяснения названия NT, самый распространенный вариант – это аббревиатура от New Technology («новая технология»).

Разработка системы, основанной на новом ядре (не MS DOS), началась в 1989 году. К новой операционной системе предъявлялись следующие основные требования [5]:

• 32 разрядность;
• поддержка многопроцессорных систем;
• поддержка вытесняющей многозадачности и виртуальной памяти;
• высокая производительность;
• возможность работы в качестве сервера и клиента;
• переносимость;
• совместимость с другими версиями Windows и MS DOS, а также частичная совместимость с UNIX;
• безопасность;
• надежность;
• поддержка Unicode.

Windows NT 3.1 соответствовала всем этим требованиям, а на ядре этой системы (конечно, с изменениями) основаны все современные версии Windows, включая Windows 8.

Windows NT 3.1 поддерживала процессоры Intel 80386, Intel 80486, MIPS R4000 и DEC Alpha [5]. Существовали клиентская и серверная версии системы – Windows NT и Windows NT Advanced Server. Windows NT, помимо других файловых систем, поддерживала специально разработанную в Microsoft файловую систему NTFS (New Technology File System).

В 1994 1996 годах последовательно выходят операционные системы Windows NT 3.5, Windows NT 3.51 и Windows NT 4.0. Целями разработки Windows NT 3.5 были повышение производительности и надежности, а также уменьшение размера системы. В Windows NT 3.51 была включена поддержка процессора IBM PowerPC. Windows NT 4.0 обладала таким же графическим интерфейсом как и система Windows 95 [5].

Windows 2000, вышедшая в декабре 1999 года, разрабатывалась в качестве системы для профессиональных пользователей, объединяющей два направления – Windows 9x и Windows NT [7]. Система Windows 2000 включала Active Directory (служба и базу данных ресурсов для управления большими сетями) и поддержку значительного числа Plug-and Play устройств, в том числе беспроводных сетей, USB, IEEE 1394 и др. Существовало 4 версии Windows 2000 – одна клиентская (Professional) и три серверных (Server, Advanced Server и Datacenter Server). Windows 2000 была последней системой, для которой выпускались одновременно клиентские и серверные версии.

Следующим шагом стало объединение обоих направлений клиентских систем: и систем для профессиональных пользователей (Windows 2000 Professional), и систем для домашних пользователей (Windows Me). Результатом такого объединения стала операционная система Windows XP (август 2001 года). Благодаря своей стабильности, скорости и удобному интерфейсу, Windows XP стала (и до сих пор является) одной из самых распространенных операционных систем в мире. Важным шагом явилось появление 64 разрядных версий Windows XP (Windows XP 64-bit Edition). Количество строк кода в Windows XP – 45 миллионов [7].

В марте 2003 года выходит серверная операционная система Windows Server 2003, имеющая большую производительность и поддерживающая более мощное оборудование, чем Windows 2000. Система имеет 4 основные версии: Web, Standard, Enterprise и Datacenter. Например, версия Datacenter поддерживает 64 процессора и до 64 ГБ оперативной памяти (до 512 ГБ на 64 разрядных платформах).

Клиентская операционная система Windows Vista вышла в ноябре 2006 года. Акцент при разработке этой системы был сделан на безопасность – контроль учетных записей пользователей (User Account Control), шифрование дисков (BitLocker Drive Encryption), антишпионское программное обеспечение (Windows Defender) и др. В Windows Vista был также изменен пользовательский интерфейс, в частности поменяла вид кнопка Пуск (Start).

В феврале 2008 года появилась операционная система Windows Server 2008, основанная на коде Windows Vista – поэтому большая часть нововведений Windows Vista перешла и в Windows Server 2008.

В июле 2009 года выходит Windows 7, отличающаяся расширенной поддержкой ноутбуков и планшетов. Основные особенности Windows 7 – новые приемы работы с окнами, мгновенный поиск информации на компьютере, поддержка сенсорных экранов (Windows Touch), большие возможности по настройке оформления рабочей среды.

В 2012 году Microsoft выпускает новейшие версии операционных систем – клиентскую Windows 8 (октябрь 2012 года) и серверную Windows Server 2012 (сентябрь 2012 года). Windows 8 – операционная система, одинаково рассчитанная как на обычные настольные компьютеры и ноутбуки, так и на планшетные компьютеры, завоевавшие в последнее время существенную долю всего рынка персональных компьютеров (см. лекцию 3 «Windows 8»).

Windows CE

Windows CE – операционная система реального времени для встраиваемых систем. Символы «CE», по утверждению Microsoft, обозначают «Compact, Connectable, Compatible, Companion, Efficient» 1 http://support.microsoft.com/default.aspx?scid=kb;EN-US;Q166915 . В настоящее время эта система имеет официальное название Windows Embedded Compact (http://www.microsoft.com/windowsembedded).

Windows CE поставляется разработчикам устройств в виде набора компонентов, из которых можно создать операционную систему для конкретного устройства. Например, операционные системы Windows Mobile построены на основе Windows CE.

Первая версия Windows CE 1.0 появилась в 1996 году и была разработана как урезанная версия Windows 95. В дальнейшем команда разработчиков Windows CE сотрудничала с командой Windows 2000, затем Windows CE развивалась как независимая система.

На сентябрь 2012 года последней версией является Windows CE 7.0.

Windows Mobile и Windows Phone

Windows Mobile – операционная система для смартфонов и карманных персональных компьютеров (КПК, Personal Digital Assistant – PDA), основанная на Windows CE.

Первые версии операционных систем этого семейства назывались Pocket PC (2000 год). С 2003 года утвердилось наименование Windows Mobile – были выпущены операционные системы Windows Mobile 2003, Windows Mobile 5, Windows Mobile 6. Последней версией с таким названием стала система Windows Mobile 6.5 (2009 год).

С октября 2010 года Microsoft выпустила новую операционную систему для мобильных устройств – Windows Phone 7, несовместимую с Windows Mobile, хотя и основанную также на Windows CE. В Windows Phone 7 появился новый пользовательский интерфейс, в настоящее время называемый Modern UI.

В октябре 2012 года ожидается выход Windows Phone 8, основанной на ядре Windows NT.

Резюме

В лекции представлен обзор операционных систем Windows с 1985 года до 2012 года. Рассмотрены основные семейства и их ключевые представители – 16 разрядные Windows, Windows 9x, Windows NT, Windows NT Server, Windows Mobile/Windows Phone и Windows CE.

В следующей лекции приводится обзор новейшей операционной системы от Microsoft – Windows 8.