Система ввода-вывода в Windows

На данный момент наиболее распространены два семейства ОС Windows: Windows NT, куда относятся Windows NT, 2000, XP, и Windows 9x (Win 95, 98, ME). При этом отмечается тенденция к отмиранию ветки 9х, хотя такие системы будут встречаться еще достаточно долго. Каждая ветка использует свою архитектуру ядра и подсистемы ввода-вывода. Поэтому естественно, написание драйверов для этих систем должно отличаться.

В Windows 9x долгое время использовались .vxd — драйвера. Эта модель драйверов начинает свою историю еще с Windows 3.1. Для .vxd — драйверов сохранилась совместимость «снизу вверх»: т.е. драйвер, написанный под Windows 3.1, будет нормально работать и под Windows 95, а может быть, и 98. Функции драйверов .vxd используются как Win32, так и Win16 приложениями.

В Windows NT 4.0 появилась своя архитектура драйверов. Она ставила перед собой цели повышения устойчивости работы драйвера, переносимости с одной платформы на другую, поддержки многопроцессорности т.п. Вместе с тем архитектура драйверов Windows NT 4.0 была, что называется, «сырой» и недоработанной, хотя и очень перспективной. С выходом систем Win98 и Win2000 появилась новая архитектура драйверов — WDM (Windows Driver Model). Она развилась из архитектуры драйверов Windows NT 4.0 с небольшими изменениями. WDM — драйвера с равным успехом могут быть использованы как в Win 98, так и в Win 2000.

Система Win 98 состоит как бы из двух слоев: User Mode (режим пользователя) и Kernel Mode (режим ядра). В режиме пользователя функционируют пользовательские приложения. Они работают в 3-м кольце защиты; каждая программа работает в своем виртуальном адресном пространстве. Для каждого DOS или Windows — приложения создается своя виртуальная машина (Virtual Machine, VM), задачей которой является виртуализация аппаратуры компьютера для данного приложения. Т.е. каждое приложение считает, что вся оперативная память и все остальные аппаратные ресурсы принадлежат только ему и приложение может обратиться к ним в любой момент. Ядро ОС содержи диспетчер виртуальных машин (Virtual Machine Manager, VMM). Задача VMM — корректно разрешать конфликты, возникающие при доступе к ресурсам системы из разных VM. Ядро, VMМ, виртуальные машины и драйвера виртуальных устройств (Virtual Device Drivers), естественно, работают в режиме ядра (Kernel Mode).

Рис. 1. Подсистема ввода-вывода Win 98.

В Windows 98 обработка запросов на ввод-вывод от приложений DOS и от старых Win16 — приложений отличается от обработки запросов новых Win32 — приложений. Для DOS — приложений создается своя виртуальная машина (DOS virtual machine), Win 16 и Win32 — приложения используют виртуальную машину Windows (System Virtual Machine). Обычно, когда приложение запрашивает операцию ввода-вывода (например, вызывает функцию API ReadFile — чтение из файла), этот запрос поступает в одну из системных DLL (в нашем случае — kernel32.dll). Оттуда запрос на операцию с внешним устройством передается сразу системным драйверам. Такая организация запроса Приложение -> dll -> Драйвер получила наибольшее распространение.

Система Windows 2000 имеет другую архитектуру, отличную от Win98. Это обусловлено повышенными требованиями к надежности, защите и переносимости этой системы (теоретически, Win2000 — переносимая система, и существуют реализации Win2000 под системы Alpha, MIPS и др.). В настоящее время именно благодаря этим особенностям Win2000 завоевывает все большую популярность, поэтому стоит рассмотреть особенности ее архитектуры подробнее.

Рис. 2 — главные компоненты Windows2000.

Окружение Win2000 включает компоненты, которые работают в режиме пользователя (User mode) и в режиме ядра (Kernel mode). В режиме пользователя работают подсистема защиты, подсистема Win32-архитектуры (обеспечивает стандартные API — вызовы Windows), подсистема POSIX (обеспечение кроссплатформенности). В режиме ядра работают все основные компоненты системы: диспетчер ввода-вывода (I/O manager), диспетчер конфигурации (Configuration Manager), подсистема PnP, диспетчер управления энергопотреблением (Power Manager), диспетчер памяти (Memory Manager) и прочие жизненно необходимые службы. Драйвера в Win2000 включены в подсистему ввода-вывода. При этом драйвера тесно взаимодействуют практически со всеми компонентами ядра. Драйвера взаимодействуют с аппаратурой при помощи Hardware Abstraction Level, HAL (уровень абстракции аппаратуры). HAL — программный компонент ядра Win2000, который обеспечивает интерфейс ядра (в том числе и некоторых драйверов) с аппаратурой. Т.к. Win2000 — платформенно независимая система (уже сейчас есть версии Win2000 для процессоров Alpha и RISC), то HAL избавляет ядро от непосредственного общения с кэшем, прерываниями, шинами ввода-вывода и большинством прочих устройств, оставляя эту работу драйверам, специально написанным для данной системы. Таким образом, ядро системы представляется набором отдельных изолированных модулей с четко определенными внешними интерфейсами.

Все драйвера NT имеют множество стандартных методов драйвера, определенных системой, и, возможно, несколько специфических методов, определенных разработчиком. Драйвера Windows 2000 используют архитектуру WDM (Windows Driver Model). В Windows 2000 драйвера бывают следующих типов:

• Kernel mode drivers (драйверы режима ядра). Основной тип драйвера. Такие драйвера используются для решения общих задач: управление памятью, шинами, прерываниями, файловыми системами, устройствами хранения данных и т.п.
• Graphics drivers (драйверы видеокарт). Как правило, создаются одновременно с самой видеокартой. Очень сложны в написании, так как должны учитывать множество противоречивых требований и поддерживать множество стандартов. Скорее всего, вам не потребуется создавать ничего подобного.
• Multimedia drivers (мультимедиа-драйверы). Драйверы для :
  • Аудиоустройств — считывание, воспроизведение и компрессия аудиоданных.
  • устройств работы с видео — захват и компрессия видеоданных.
  • позиционных устройств — джойстики, световые перья, планшеты и пр.
• Network drivers (сетевые драйвера) — работа с сетью и сетевыми протоколами на всех уровнях.
• Virtual DOS Drivers — драйверы для виртуальных машин MS-DOS. Постепенно переходят в раздел рудиментарных.

В свою очередь, существует три типа драйверов ядра, каждый тип имеет четко определенные структуру и функциональность.

• Device drivers (драйвера устройств), такие как драйвер клавиатуры или дисковый драйвер, напрямую общающийся с дисковым контроллером. Эти драйвера также называются драйверами низкого уровня, т. к. они находятся в самом низу цепочки драйверов Windows NT.
• Intermediate drivers (промежуточные драйвера), такие как драйвер виртуального или зеркального диска. Они используют драйверы устройств для обращения к аппаратуре.
• File system drivers (FSDs). Драйверы файловых систем, таких как FAT, NTFS, CDFS, для доступа к аппаратуре используют Intermediate drivers и Device drivers.

Драйвера Windows 2000 должны удовлетворять следующим требованиям:

• Переносимы с одной платформы на другую.
• Конфигурируемые программно.
• Всегда прерываемые.
• Поддерживающие мультипроцессорные платформы.
• Объектно-ориентированные.
• Поддерживать пакетный ввод-вывод с использванием I/O request packets (IRPs, запросы ввода-вывода).
• Поддерживать асинхронный ввод-вывод.

Система ввода-вывода Windows 2000 имеет следующие особенности:

Windows — что это такое?

Здравствуйте, начинающие пользователи компьютера! Вместе с вами постараемся разобраться в том, что такое Windows и зачем оно нам нужно.

Windows — это операционная система, сделанная корпорацией Microsoft (Майкрософт). Операционная система (ОС) — это главная программа, которая запускается при включении компьютера. Она позволяет пользователям компьютера работать с файлами, пользоваться Интернетом и запускать в окошках другие программы, игры, фильмы, музыку. Windows переводится как «окна».

Операционная система Windows платная. Если вы покупаете компьютер с уже установленной Windows, то часть денег вы платите за операционную систему. Для подтверждения того, что вы являетесь владельцем Windows, может потребоваться лицензионный ключ. Такое бывает, например, если вы переустановили Windows. Лицензионный ключ это набор символов вида «XXXXX-XXXXX-YYYYY-YYYYY-ZZZZZ». Он может быть указан в наклейке на корпусе вашего компьютера или на диске с Windows. Перепишите лицензионный ключ на листок и сохраните, может пригодиться. Наклейка выглядит примерно так:

Вместе с Windows на компьютер устанавливается набор программ, необходимых для повседневного использования:

• Калькулятор.
• Редактор Notepad (блокнот) для работы с текстовыми файлами.
• Редактор WordPad для работы с документами.
• Редактор картинок Paint.
• Браузер Edge или Internet Explorer для работы в Интернет.
• Проигрыватель видео и музыки.
• Антивирус от Microsoft (защитник).
• другие программы и даже игры.

Можно устанавливать другие программы и игры из Интернета или с дисков. Такие программы также могут быть платные.

История и разновидности Windows

Даты выхода ОС Windows для персональных компьютеров (ПК):

• Windows 1.0 (1985)
• Windows 2.0 — 2.1 (1987-1988)
• Windows 3.0 — 3.2 (1990-1994)
• Windows NT 3.1 — 3.51 (1993-1995)
• Windows 95 — Windows 4.0 (1995)
• Windows NT 4.0 (1996)
• Windows 98 — Windows 4.1 (1998)
• Windows 2000 — Windows NT 5.0 (1999)
• Windows ME — Windows 4.9 (2000)
• Windows XP — Windows NT 5.1 — 5.2 (2001-2005)
• Windows Vista — Windows NT 6.0 (2006)
• Windows 7 — Windows NT 6.1 (2009)
• Windows 8 — Windows NT 6.2 (2012)
• Windows 8.1 — Windows NT 6.3 (2013)
• Windows 10 — Windows NT 10.0 (2015-2019)

В последних версиях Windows есть сборки, отличающиеся функционалом и ценой:

• Home Edition — сборка для домашнего использования с простой конфигурацией.
• Professional — сборка с дополнительным функционалом для более продвинутых пользователей.
• Enterprise — корпоративная версия для организаций.

Интерфейс Windows

Интерфейс — это внешний вид операционной системы. У отдельных частей интерфейса есть свои названия.

• Рабочий стол — основное место, занимает большую часть экрана. Здесь можно располагать ярлыки.
• Панель задач — здесь можно закреплять программы, с которыми вы чаще всего работаете. Здесь же показываются открытые в данный момент программы, выбранный язык, дата и время.
• Кнопка ПУСК — при нажатии открывается меню для быстрого доступа к программам.
• Ярлык — картинка, при нажатии на которые открывается соответствующая программа или документ.

Кнопка ПУСК может также находиться на вашей клавиатуре.

Внешний вид меню ПУСК:

Ссылки

Разновидности операционных систем

Рассмотрим какие ещё бывают операционные системы, кроме Windows. Речь пойдёт об операционных системах для персональных компьютеров. Не будем акцентировать внимание на операционных системах для серверов, мобильных телефонов и специализированной техники.

• MacOS — операционная система от компании Apple. Установлена как основная операционная система на продуктах компании. Платная.
• Linux — операционная система распространяется бесплатно. Сложна в освоении, поэтому мало распространена. Имеет несколько разновидностей (модификаций), которые поддерживаются различными компаниями и сообществами, например:
  • Ubuntu
  • FreeBSD
  • Fedora
  • Elementary OS
  • Chrome OS
  • OpenSuse
  • Linux Mint
  • Mageia
  • PCLinuxOS
  • Manjaro
  • Arch
  • Puppy
  • и ещё много других

Интересные факты об операционных системах

На одном компьютере может быть установлено одновременно несколько операционных систем. В этом случае при включении компьютера вас спросят, какую операционную систему нужно загрузить.

Microsoft Windows и ядро Linux могут быть запущены одновременно на одной и той же машине с помощью специального программного обеспечения CoLinux. В windows 10 уже появилась встроенная подсистема linux.

Для обучения пользователей обращению с мышкой в Microsoft разработали и внедрили в Windows компьютерную версию игры Reversi. Таким образом пользователи привыкали использовать мышь, кликая с её помощью на фишки. Задумайтесь, для чего сделана игра «сапёр»?

На рекламу Windows 95 было потрачено более 300 миллионов долларов.

В Windows нельзя создать папку с названиями con, prn, aux, nul. Это ограничение восходит относят к временам операционной системы MS-DOS. Некоторые слова были зарезервированы для обозначения устройств ввода-вывода, поэтому нельзя создать папки с такими именами.

Линус Торвальдс использовал операционную систему Minix, однако был недоволен многими ограничениями в ней и решил написать свою систему. Когда была выпущена более-менее стабильная версия, интерес Торвальдса к проекту угас, и он был готов его забросить. Но в тот же период он случайно испортил раздел на жёстком диске, где стояла Minix, и вместо её переустановки Торвальдс решил всё-таки закончить начатое. Так благодаря случайности появилось ядро Linux и впоследствии ОС GNU/Linux.

На данный момент более 75% серверов обеспечивающие надежную работу Интернет работают под управлением Linux.

MenuetOS — самая маленькая операционная система. Написана на ассемблере и помещается на дискету.