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.

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.