Структура ОС Windows

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.

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;

Компьютерная программа в целом или её отдельная процедура называется реентера́бельной (от англ. reentrant — повторно входимый), если она разработана таким образом, что одна и та же копия инструкций программы в памяти может быть совместно использована несколькими пользователями или процессами. При этом второй пользователь может вызвать реентерабельный код до того, как с ним завершит работу первый пользователь и это как минимум не должно привести к ошибке, а в лучшем случае не должно вызвать потери вычислений (то есть не должно появиться необходимости выполнять уже выполненные фрагменты кода).

· 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.

Общее описание структуры системы

Архитектура ОС Windows претерпела ряд изменений в процессе эволюции.

Первые версии системы имели микроядерный дизайн, основанный на микроядре Mach, которое было разработано в университете Карнеги-Меллона.

Архитектура более поздних версий системы микроядерной уже не является.

Причина заключается в постепенном преодолении основного недостатка микроядерных архитектур — дополнительных накладных расходов, связанных с передачей сообщений.

По мнению специалистов Microsoft, чисто микроядерный дизайн коммерчески невыгоден, поскольку неэффективен.

Поэтому большой объем системного кода, в первую очередь управление системными вызовами и экранная графика, был перемещен из адресного пространства пользователя в пространство ядра и работает в привилегированном режиме.

В результате в ядре ОС Windows переплетены элементы микроядерной архитектуры и элементы монолитного ядра (комбинированная система).

Сегодня микроядро ОС Windows слишком велико (более 1 Мб), чтобы носить приставку «микро».

Основные компоненты ядра Windows NT располагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений, как и положено в микроядерных операционных системах.

В тоже время все компоненты ядра работают в одном адресном пространстве и активно используют общие структуры данных, что свойственно операционным системам с монолитным ядром.

Высокая модульность и гибкость первых версий Windows NT позволила успешно перенести систему на такие отличные от Intel платформы, как Alpha (корпорация DEC), Power PC (IBM) и MIPS (Silicon Graphic). Более поздние версии ограничиваются поддержкой архитектуры Intel x86.

Упрощенная схема архитектуры, ориентированная на выполнение Win32-приложений, показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Упрощенная архитектурная схема ОС Windows

ОС Windows состоит из компонентов работаюших в режиме:

Несмотря на миграцию системы в сторону монолитного ядра она сохранила некоторую структуру. В схеме, представленной на рис. 1.4, отчетливо просматриваются несколько функциональных уровней, каждый из которых пользуется сервисами более низкого уровня.

Задача уровня абстрагирования от оборудования (hardware abstraction layer, HAL) — скрыть аппаратные различия аппаратных архитектур для потенциального переноса системы с одной платформы на другую. HAL предоставляет выше лежащим уровням аппаратные устройства в абстрактном виде, свободном от индивидуальных особенностей. Это позволяет изолировать ядро, драйверы и исполнительную систему ОС Windows от специфики оборудования (например, от различий между материнскими платами).

Ядром обычно называют все компоненты ОС, работающие в привилегированном режиме работы процессора или в режиме ядра. Корпорация Microsoft называет ядром (kernel) компонент, находящийся в невыгружаемой памяти и содержащий низкоуровневые функции операционной системы, такие, как диспетчеризация прерываний и исключений, планирование потоков и др. Оно также предоставляет набор процедур и базовых объектов, применяемых компонентами высших уровней.

Ядро и HAL являются аппаратно-зависимыми и написаны на языках Си и ассемблера.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Как работает Windows?

Когда встаёт вопрос как работает Windows, мы подразумеваем тот факт, что речь идёт о ОС семейства Microsoft различных поколений, в принципе работы которых, конечно, немало общего. Не будет ошибкой, если мы вычленим основные четыре функции любой современной операционной системы, и посмотрим, как Windows с ними справляется. В этой статье приводится формальное описание работы операционной системы семейств Windows, приводится список основных компонентов системы. Я покажу, как Windows управляет программами и работает с оборудованием и расскажу о понятиях процесс , поток и др. Статья не для профессионалов (разве можно описать как работает Windows в ЕДИНСТВЕННОЙ статье?) и поможет начинающему получить общее представление о принципе работы Windows.

ВНИМАНИЕ! СТАТЬЯ НЕ ЗАКОНЧЕНА. МАТЕРИАЛЫ ДОБАВЛЯЮТСЯ ПО МЕРЕ ФОРМИРОВАНИЯ ОКОНЧАТЕЛЬНОГО ИНТЕРФЕЙСА БЛОГА.СПАСИБО ЗА ПОНИМАНИЕ.

Чем занимается операционная система?

Любой работающий компьютер есть связка четырёх типов программного обеспечения: операционная система, программы и приложения, драйверы и BIOS Вот основные функции операционной системы, которые определяют её место среди прочих программных оболочек.

• управление оборудованием (включает в себя приём микрокода от BIOS чипа материнской платы, управление оперативной памятью, диагностику неисправностей и сочленение установленного оборудования и программ к нему)
• управление программами (включает в себя установку и удаление программ, запуск программ и участие работе “железных” компонентов от имени программ)
• управление файлами (всё, что можно создавать, перемещать и удалять на твердотельных накопителях)
• создание пользовательского интерфейса (графического или командного/текстового) для обеспечения или контроля всех или многих указанных выше функций

Компоненты Windows, или из чего Windows состоит

Как работает Windows блочно можно отобразить так:

Из схемы видно, что основными компонентами любой операционной системы являются три блока:

Как работает Windows: программная оболочка = Shell

Это часть операционной системы, которая завязана и с пользователем и с приложениями. Именно шелл позволяет нам запускать флешки, устанавливать программы, запускать word-вый документ и печатать в нём, сохраняя в любое дозволенное системой место, которое заметно проводнику. Shell – это и File Explorer (проводник Windows), и контрольная панель Пуск, и окна Свойства системы и Мой компьютер. Человек или пользователь знает шелл как различные инструменты пользовательского интерфейса, такие как диалоговые окна, ярлыки и иконки, контекстные меню дополнительных команд.

А для программ шелл это команды и процедуры, которые эти программы могут вызывать: печать информацию через принтер, читать данные из баз, отображать что-то на экране.

Сам шелл состоит из нескольких подсистем, которые управляются в пользовательском режиме. Такой режим означает, что эти подсистемы имеют очень ограниченный доступ к системной информации, и доступ к “железу” может осуществляться ТОЛЬКО через системные службы (службы самой Windows). Одна из таких подсистем – подсистема безопасности Win32 – обеспечивает вход в систему (регистрацию пользователя), сохранение и распространение его привилегий на файлы и папки, а также другие функции безопасности. Абсолютно все программы и приложения “здороваются с Windows” только через подсистему Win32.

Как работает Windows : Ядро

Как и в других ОС, отвечает за работу с оборудованием, которое внутри компьютера находится или во время работы к компьютеру “пристёгивается”. Режим ядра полномочий имеет гораздо больше. Никакая программа, установленная в Windows, не имеет доступа к “железу” напрямую – только через шелл, который, в свою очередь, посылает все запросы к ядру. Такая система взаимодействия обеспечивает стабильную работу ОС. Это чем-то напоминает ресторан: перед тем как заказать блюдо, вам нужно позвать официанта (к шеф-повару и на саму кухню вас не пропустят).

Ядро состоит из двух компонентов:

• слой аппаратных абстракций HAL – hardware abstraction layer
  – (ближайший к железу уровень)
• уровень исполнительных служб (обеспечивает взаимодействие подсистем в пользовательском режиме со слоем аппаратных абстракций)

Что здесь нужно запомнить? Логика работы ясна уже из описания: исполнительные службы Windows работают с оборудованием при помощи самого HAL и драйверов для конкретного устройства. Такой принцип работы устанавливается незаметно для глаз пользователя в момент установки Windows на компьютер. В тот самый момент, когда мы видим строки состояния установки компонентов и служб/программ, и строится структура слоя HAL на основе процессора, который в материнской плате вашей машины установлен. То есть привычные процессы во время установки Windows предстают теперь в таком свете:

загрузка шелл пользовательского интерфейса

приглашение к компиляции HAL

То, что появится после установки ОС, перенести на другой компьютер один в один не получится: для нормальной работы в новой конфигурации до– или переустановка отдельных драйверов или целого их пакета неизбежна.

Как работает Windows: Данные конфигурации

Ну, а всем операционным системам нужно место, где данные о программах и оборудовании, а также настройках и предпочтении пользователя можно хранить. Нужно хранить информацию и о том, как пользователь хочет, чтобы Windows и программы выглядели, где хранить скачиваемое и создаваемое и т.д. Для всего этого (или для почти всего) Windows использует … правильно, реестр. Некая информация хранится в файлах инициализации (характерные файлы с расширением .ini и .inf).

И когда установленная программа запускается, перед появлением какого-либо окна она сначала посмотрит реестр и прочитает эти файлы, и только потом уже запуск приложения можно считать успешным.

Как Windows управляет программами?

Если программа установлена, мы подразумеваем, что её остов где-то хранится. Чаще всего это жёсткий диск или флешка. Когда пользователь запускает программу, некоторые из её файлов копируются в оперативную память. Так появляется процесс. практически в том виде, каком мы видим его в Диспетчере задач или Process Explorer. Процессом можно назвать программу, запущенную вместе с соответствующими системными службами и другими ресурсами. Ресурсы нередко включают в себя и другие программы, включая захват дополнительных ячеек оперативной памяти для временного хранения данных. Когда процесс делает запрос к системе по типу “Мне нужны ресурсы!”, подразумевается, что программа обращается именно к подсистеме Win32. Так появляется поток данных. Поток – это единичная, выделенная задача (запустить или создать документ, вставить рисунок из буфера обмена, распечатать документ на принтере и т.д.). Схематично это выглядит так:

Как видите, потоков может быть несколько. Это называется многопоточность/мультипоточность: например, окна браузеров могут запускаться в нескольких вкладках или нескольких отдельных окнах. Выражаясь технически, в обоих случаях речь идёт о нескольких разных процессах браузер.exe.

Создание ОС Windows. Структура ОС Windows

Структура ОС Windows

Общее описание структуры системы

Архитектура ОС Windows (в данном разделе она излагается, следуя главным образом [ Кастер ] и [ Руссинович ] ), претерпела ряд изменений в процессе эволюции. Первые версии системы имели микроядерный дизайн, основанный на микроядре Mach , которое было разработано в университете Карнеги-Меллона. Архитектура более поздних версий системы микроядерной уже не является.

Причина заключается в постепенном преодолении основного недостатка микроядерных архитектур — дополнительных накладных расходов, связанных с передачей сообщений. По мнению специалистов Microsoft, чисто микроядерный дизайн коммерчески невыгоден, поскольку неэффективен. Поэтому большой объем системного кода, в первую очередь управление системными вызовами и экранная графика, был перемещен из адресного пространства пользователя в пространство ядра и работает в привилегированном режиме. В результате в ядре ОС Windows переплетены элементы микроядерной архитектуры и элементы монолитного ядра (комбинированная система). Сегодня микроядро ОС Windows слишком велико (более 1 Мб), чтобы носить приставку «микро». Основные компоненты ядра Windows NT располагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений, как и положено в микроядерных операционных системах. В тоже время все компоненты ядра работают в одном адресном пространстве и активно используют общие структуры данных, что свойственно операционным системам с монолитным ядром.

Высокая модульность и гибкость первых версий Windows NT позволила успешно перенести систему на такие отличные от Intel платформы, как Alpha (корпорация DEC), Power PC (IBM) и MIPS ( Silicon Graphic). Более поздние версии ограничиваются поддержкой архитектуры Intel x86.

Упрощенная схема архитектуры, ориентированная на выполнение Win32-приложений, показана на рис. 1.4.

ОС Windows состоит из компонентов, работающих в режиме ядра, и компонентов, работающих в режиме пользователя. Несмотря на миграцию системы в сторону монолитного ядра она сохранила некоторую структуру. В схеме, представленной на рис. 1.4, отчетливо просматриваются несколько функциональных уровней, каждый из которых пользуется сервисами более низкого уровня.

Задача уровня абстрагирования от оборудования (hardware abstraction layer, HAL) — скрыть аппаратные различия аппаратных архитектур для потенциального переноса системы с одной платформы на другую. HAL предоставляет выше лежащим уровням аппаратные устройства в абстрактном виде, свободном от индивидуальных особенностей. Это позволяет изолировать ядро, драйверы и исполнительную систему ОС Windows от специфики оборудования (например, от различий между материнскими платами).

Ядром обычно называют все компоненты ОС, работающие в привилегированном режиме работы процессора или в режиме ядра. Корпорация Microsoft называет ядром (kernel) компонент, находящийся в невыгружаемой памяти и содержащий низкоуровневые функции операционной системы, такие, как диспетчеризация прерываний и исключений, планирование потоков и др. Оно также предоставляет набор процедур и базовых объектов, применяемых компонентами высших уровней.

Ядро и HAL являются аппаратно-зависимыми и написаны на языках Си и ассемблера. Верхние уровни написаны на языке Си и являются машинно-независимыми .

Исполнительная система (executive) обеспечивает управление памятью, процессами и потоками, защиту, ввод-вывод и взаимодействие между процессами. Драйверы устройств содержат аппаратно-зависимый код и обеспечивают трансляцию пользовательских вызовов в запросы, специфичные для конкретных устройств. Подсистема поддержки окон и графики реализует функции графического пользовательского интерфейса (GUI), более известные как Win-32-функции модулей USER и GDI

В пространстве пользователя работают разнообразные сервисы (аналоги демонов в Unix), управляемые диспетчером сервисов и решающие системные задачи. Некоторые системные процессы (например, обработка входа в систему) диспетчером сервисов не управляются и называются фиксированными процессами поддержки системы. Пользовательские приложения ( user applications ) бывают пяти типов: Win32, Windows 3.1, MS-DOS, POSIX и OS/2 1.2. Среду для выполнения пользовательских процессов предоставляют три подсистемы окружения: Win32, POSIX и OS/2. Таким образом, пользовательские приложения не могут вызывать системные вызовы ОС Windows напрямую, а вынуждены обращаться к DLL подсистем (краткое определение dll имеется в приложении).

Основные компоненты ОС Windows реализованы в следующих системных файлах, находящихся в каталоге system32: