Развитие и концепция операционной системы Windows

В новой ОС полностью сохранена  совместимость с предыдущими  версиями Windows – любое Windows 3x, Windows 95/98 приложение будет работать под Windows ME. Также осуществлена поддержка  таких новейших технологий как: Internet Plug and Play, WIA (Windows Image Acquisition), улучшена поддержка USB. Для запуска Windows ME требует минимум 32 Мб оперативной памяти (рекомендуется 64) и в минимальной конфигурации занимает на диске чуть больше 500 Мб. Windows ME действительно стала последней ОС семейства Windows 9X, поскольку все последующие операционные системы Windows как для домашних компьютеров, так и для рабочих станций, создаются на платформе NT.

 

4. Платформа Windows NT

Система Windows NT не является дальнейшим развитием ранее существовавших продуктов. Ее архитектура создавалась с нуля с учетом предъявляемых к современной операционной системе требований. Особенности новой системы .разработанной на основе этих требований .перечислены ниже.

Стремясь обеспечить совместимость (compatible) новой операционной системы разработчики Windows NT сохранили привычный интерфейс Windows и реализовали поддержку существующих файловых систем и различных приложений. Разработчики также включили в состав Windows NT средства работы с различными сетевыми средствами.

Масштабируемость (scalability) означает, что Windows NT не привязана к однопроцессорной архитектуре компьютеров, а способна полностью использовать возможности, предоставляемые симметричными мультипроцессорными системами. В настоящее время Windows NT может функционировать на компьютерах с числом процессоров от 1 до 32. Кроме того, в случае усложнения стоящих перед пользователями задач и расширения предъявляемых к компьютерной среде требований, Windows NT позволяет легко добавлять более мощные и производительные серверы н рабочий станции к корпоративной сети .Дополнительные преимущества дает использование единой среды разработки и для серверов ,и для рабочих станций.

Windows NT имеет однородную систему безопасности (security) удовлетворяющую спецификациям правительства США и соответствующую стандарту безопасности В2. В корпоративной среде критическим приложениям обеспечивается полностью изолированное окружение.

Распределенная обработка (distributed processing) означает ,что Windows NT имеет встроенные в систему сетевые возможности. Windows NT также позволяет обеспечить связь с различными типами хост - компьютеров благодаря поддержке разнообразных транспортных протоколов и использованию средств "клиент-сервер" высокого уровня, включая именованные каналы вызова удаленных процедур (RPC –remote procedure call) и Windows - сокеты.

Надежность и отказоустойчивость (reliability and robustness) обеспечивают архитектурными особенностями которые защищают прикладные программы от повреждения друг другом и операционной системой. Windows NT использует отказоустойчивую структурированную обработку особых ситуаций на всех архитектурных уровнях которая включает восстанавливаемую файловую систему NTFS и обеспечивает защиту с помощью встроенной системы безопасности и усовершенствованных методов управления памятью.

Возможности локализации (allocation) представляют средства для работы во многих странах мира на национальных языках ,что достигается применением стандарта ISO Unicod (разработан международной организацией по стандартизации).

Благодаря модульному построению системы  обеспечивается расширяемость  (insibility) Windows NT, что позволяет гибко осуществлять добавление новых модулей на различные уровни операционной системы.

При разработке структуры Windows NT была в значительной степени использована концепция микроядра. В соответствии с этой идеей ОС разделена на несколько  подсистем, каждая из которых выполняет  отдельный набор сервисных функций - например, сервис памяти, сервис по созданию процессов, или сервис по планированию процессов. Каждый сервер выполняется  в пользовательском режиме, выполняя цикл проверки запроса от клиента  на одну из его сервисных функций. Клиент, которым может быть либо другая компонента ОС, либо прикладная программа, запрашивает сервис, посылая  сообщение на сервер. Ядро ОС (или  микроядро), работая в привилегированном  режиме, доставляет сообщение нужному  серверу, затем сервер выполняет  операцию, после этого ядро возвращает результаты клиенту с помощью  другого сообщения.

Структурно Windows NT может быть представлена в виде двух частей: часть операционной системы, работающая в режиме пользователя, и часть операционной системы, работающая в режиме ядра (рисунок 6).

Часть Windows NT, работающая в режиме ядра, называется executive - исполнительной частью. Она включает ряд компонент, которые  управляют виртуальной памятью, объектами (ресурсами), вводом-выводом  и файловой системой (включая сетевые  драйверы), взаимодействием процессов  и частично системой безопасности. Эти компоненты взаимодействуют  между собой с помощью межмодульной связи. Каждая компонента вызывает другие с помощью набора тщательно специфицированных внутренних процедур.

Вторую часть Windows NT, работающую в  режиме пользователя, составляют серверы - так называемые защищенные подсистемы. Серверы Windows NT называются защищенными  подсистемами, так как каждый из них выполняется в отдельном  процессе, память которого отделена от других процессов системой управления виртуальной памятью NT executive. Так  как подсистемы автоматически не могут совместно использовать память, они общаются друг с другом посредством  посылки сообщений. Сообщения могут  передаваться как между клиентом и сервером, так и между двумя  серверами. Все сообщения проходят через исполнительную часть Windows NT. Ядро Windows NT планирует нити защищенных подсистем точно так же, как  и нити обычных прикладных процессов.

Рисунок 6

Поддержку защищенных подсистем обеспечивает исполнительная часть - Windows NT executive, которая  работает в пространстве ядра и никогда  не сбрасывается на диск. Ее составными частями являются:

1) Менеджер объектов. Создает, удаляет  и управляет объектами NT executive - абстрактными типами данных, используемых  для представления ресурсов системы. 

2) Монитор безопасности. Устанавливает  правила защиты на локальном  компьютере. Охраняет ресурсы операционной  системы, выполняет защиту и  регистрацию исполняемых объектов.

3) Менеджер процессов. Создает  и завершает, приостанавливает  и возобновляет процессы и  нити, а также хранит о них  информацию.

4) Менеджер виртуальной памяти.

5) Подсистема ввода-вывода. Включает  в себя следующие компоненты:

менеджер ввода-вывода, предоставляющий  средства ввода-вывода, независимые  от устройств; файловые системы - NT-драйверы, выполняющие файл-ориентированные  запросы на ввод-вывод и транслирующие  их в вызовы обычных устройств; сетевой  редиректор и сетевой сервер - драйверы файловых систем, передающие удаленные  запросы на ввод-вывод на машины сети и получающие запросы от них; драйверы устройств NT executive - низкоуровневые драйверы, которые непосредственно  управляют устройством; менеджер кэша, реализующий кэширование диска.

Исполнительная часть, в свою очередь, основывается на службах нижнего  уровня, предоставляемых ядром (его  можно назвать и микроядром) NT. В функции ядра входит: планирование процессов, обработка прерываний и  исключительных ситуаций, синхронизация  процессоров для многопроцессорных  систем, восстановление системы после  сбоев.

Ядро работает в привилегированном  режиме и никогда не удаляется  из памяти. Обратиться к ядру можно  только посредством прерывания. Ядро расположено над уровнем аппаратных абстракций (Hardware Abstraction Level, HAL), который  концентрирует в одном месте  большую часть машинно-зависимых  процедур. HAL располагается между NT executive и аппаратным обеспечением и  скрывает от системы такие детали, как контроллеры прерываний, интерфейсы ввода/вывода и механизмы взаимодействия между процессорами. Такое решение позволяет легко переносить Windows NT с одной платформы на другую путем замены только слоя HAL.

При создании NT разработчики руководствовались  задачами улучшения производительности и сетевых возможностей, а также  требованием поддержки определенного  набора прикладных сред. Эта цель была достигнута продуманным разделением  функций между модулями ядра и  остальными модулями. Например, передача данных в файловую систему и по сети производится быстрее в пространстве ядра, поэтому внутри ядра NT выделены буфера для небольших по объему (от 16 до 32 Кб) операций чтения и записи, являющихся типичными для приложений клиент-сервер и распределенных приложений. Размещение этих функций ввода-вывода внутри ядра, может, и портит академическую  чистоту микроядра NT, но соответствует  цели создания NT.

Защищенные подсистемы Windows NT работают в пользовательском режиме и создаются Windows NT во время загрузки операционной системы. Сразу после создания они  начинают бесконечный цикл своего выполнения, отвечая на сообщения, поступающие  к ним от прикладных процессов  и других подсистем. Среди защищенных подсистем можно выделить подкласс, называемый подсистемами окружения. Подсистемы окружения реализуют интерфейсы приложений операционной системы (API). Другие типы подсистем, называемые интегральными  подсистемами, исполняют необходимые  операционной системе задачи. Например, большая часть системы безопасности Windows NT реализована в виде интегральной подсистемы, сетевые серверы также  выполнены как интегральные подсистемы.

Наиболее важной подсистемой окружения  является Win32 - подсистема, которая обеспечивает доступ для приложений к 32-bit Windows API. Дополнительно эта система обеспечивает графический интерфейс с пользователем  и управляет вводом/выводом данных пользователя. Также поддерживаются подсистемы POSIX, OS/2,16-разрядная Windows и MS-DOS.

Каждая защищенная подсистема работает в режиме пользователя, вызывая системный  сервис NT executive для выполнения привилегированных  действий в режиме ядра. Сетевые серверы могут выполняться как в режиме пользователя, так и в режиме ядра, в зависимости от того, как они разработаны.

Подсистемы связываются между  собой путем передачи сообщений. Когда, например, пользовательское приложение вызывает какую-нибудь API-процедуру, подсистема окружения, обеспечивающая эту процедуру, получает сообщение и выполняет  ее либо обращаясь к ядру, либо посылая  сообщение другой подсистеме. После  завершения процедуры подсистема окружения  посылает приложению сообщение, содержащее возвращаемое значение. Посылка сообщений  и другая деятельность защищенных подсистем  невидима для пользователя.

Основным средством, скрепляющим  все подсистемы Windows NT в единое целое, является механизм вызова локальных  процедур (Local Procedure Call - LPC). LPC представляет собой оптимизированный вариант  более общего средства - удаленного вызова процедур (RPC), которое используется для связи клиентов и серверов, расположенных на разных машинах  сети.

Средства LPC поддерживают несколько  способов передачи данных между клиентами  и серверами: один обычно используется для передачи коротких сообщений, другой - для длинных сообщений, а третий оптимизирован специально для использования  подсистемой Win32. Каждая подсистема устанавливает  порт - канал связи, посредством которого с ней могут связываться другие процессы. Порты реализуются как  объекты.

Windows NT использует защищенные подсистемы  для того, чтобы: 

Обеспечить несколько программных  интерфейсов (API), по возможности не усложняя при этом базовый программный  код (NT executive).

Изолировать базовую операционную систему от изменений или расширений в поддерживаемых API.

Объединить часть глобальных данных, требующихся всем API, и в то же время отделить данные, использующиеся каждым отдельным API от данных, использующихся другими API.

Защитить окружение каждого API от приложений, а также от окружений  других API, и защитить базовую операционную систему от различных окружений.

Позволить операционной системе расширяться  в будущем за счет новых API.

Таким образом, реализация частей ОС в виде серверов, выполняющихся в  режиме пользователя, является важнейшей  частью проекта Windows NT и оказывает  глубокое воздействие на все функционирование системы.

Микроядро NT служит, главным образом, средством поддержки для переносимой  основной части ОС - набора пользовательских сред. Концентрация машинно-зависимых  программ внутри микроядра делает перенос NT на разнообразные процессоры относительно легким. Но в то время, как некоторые  микроядра (Mach и Chorus) предполагается поставлять в качестве самостоятельного программного продукта, из операционной системы Windows NT ядро вряд ли может быть вычленено  для отдельного использования. Это  является одной из причин того, что  некоторые специалисты не считают Windows NT истинно микроядерной ОС в  том смысле, в котором таковыми являются Mach и Chorus. Те же критики отмечают также, что NT не исключает, как это  положено, все надстроенные службы из пространства ядра и что драйверы устройств в NT по минимуму взаимодействуют  с ядром, предпочитая работать непосредственно  с лежащим ниже слоем аппаратной абстракции HAL.

 

5 Линейка ОС на платформе  Windows NT

5.1 Windows NT 4.0

В июле 1993 года появились первые ОС семейства NT - Windows NT 3.1 и Windows NT Advanced Server 3.1, но по настоящему популярной в то время стала ОС Windows NT 4.0.

При разработке Windows NT 4.0 Microsoft решила пожертвовать стабильностью ради производительности. С этой целью были внесены изменения  в архитектуру: библиотеки менеджера  окон и GDI, а также драйверы графических  адаптеров были перенесены из пользовательского  режима в режим ядра. Это изменение  означает некоторый отход от принятой в предыдущих версиях Windows NT 3.х концепции  микроядра.

Перенос графической библиотеки и  драйверов в область ядра повышает скорость выполнения графического ввода-вывода. Эти изменения особенно сказались  на скорости выполнения приложений Win32, в то время как приложения Win16 и DOS графические приложения работают примерно также, как и в первых версиях.

Новые административные средства Windows NT могут работать удаленно на клиентах Windows 95. Кроме того, Windows NT Server обеспечивает сервис удаленной загрузки для клиентов Windows 95. (Это полезно для бездисковых  рабочих станций.)