Состав ОС Windows
Часть II. Пользовательский интерфейс
Операционной системы Windows.
Характеристика ОС Windows.
Операционные системы Windows можно разделить на две группы:
1) Пользовательские системы Windows
2) Сетевые системы Windows
В группу пользовательских систем Windows входят: Windows 3.Х, Windows 95, Windows 98, Windows МЕ. В основу этих систем входит отказоустойчивость в ущерб безопасности.
В группу сетевых систем Windows входят: Windows NT, Windows2000, Windows XP. В основу этих систем входит безопасность.
WindowsХР скорее является компромиссной между группой пользовательских и сетевых систем Windows. В Windows ХР используется сетевая платформа, уровень безопасности понижен, но за счет этого расширенно программное пространство. Это дает возможность более широкому использованию различных приложений. На данный момент существует три версии Windows ХР: Windows XP Home Edition, Windows XP Professional, Windows XP Corporation.
Состав ОС Windows.
0) Программы BIOS (используются на начальной стадии загрузки ОС).
1) Программа IPL (Initial Program Loader).
2) Некоторые информационные файлы: BOOT.INI, реестр.
3) Файлы на системном диске, использующиеся для загрузки ОС (NT.EYE)
4) HAL – уровень абстракции оборудования (программы, которые делают оборудование «невидимым» для остальных приложений на более высоких уровнях и низкоуровневые драйверы).
5) Драйверы: универсальные и виртуальные.
Универсальные драйверы для группы однотипных устройств, а виртуальные
драйверы для поддержки работы устройств ввода/вывода, для программ на
6) Драйверы устройств ввода/вывода высокоуровневые (логический уровень)
7) Уровень ядра ОС.
— User – обработка прерываний
— GDI – графический интерфейс устройств вывода.
Уровень диспетчеров (низкоуровневое планирование)
— Диспетчер процессов (планирование прохождения процессов)
— Диспетчер планирования памяти (RAM) (распределение памяти между процессами)
— Диспетчер устройств ввода/вывода (инициация и завершение процессов ввода/вывода)
— Диспетчер Plug & Play устройств
— Диспетчер конфигурации (конфигурация оборудования ос, внесение всех изменений в реестр)
— Диспетчер управления сервисами (сервисы – службы ос)
9) Уровень логического программного интерфейса NTDLL, средства API (написания интерфейсов), планировщики (драйвера высокого уровня).
— планировщики сеансов WINLOGON
— планировщик очереди печати (SPOOLER)
— планировщик сервисов (управление сервисами)
— планировщик задач (TASK MANAGER)
10)Подсистемы приложений WIN 32
основные приложения OSIX и OS/2
11) Оснастка Windows. (средства ОС, которые доступны пользователю, после ее загрузки).
12)Приложения (программы, которые находятся в данной ОС).
Схема – модель устройства ОС Windows
Аппаратура – физический интерфейс
 |
HAL – физически независимый интерфейс
 |
 |
ядро режим ядра
 |
диспетчера
 |
подсистемы приложений
Win 32 (OSIX, OS/2) пользовательский уровень
Что такое windows состав системы
Структура операционной системы.
Архитектура операционных систем Windows XP и Windows Server 2003 является модульной. Структурно ее можно разделить на две части.
Первая часть работает в режиме ядра (kernel mode) и называется исполнительной системой Windows (Windows executive). Компоненты режима ядра обладают следующими функциональными возможностями:
Вторая часть работает в так называемом режиме пользователя (user mode) Эту часть составляют защищенные подсистемы ОС. Особенности процессов пользовательского режима:
В Windows два типа защищенных подсистем.
К подсистемам среды относятся также подсистемы POSIX и OS/2.
2. Внутренние подсистемы. К этому типу относятся подсистемы, выполняющие важные функции ОС. Вот основные.
Исполнительная система и уровень абстрагирования от оборудования.
В состав исполнительной системы входят следующие элементы.
Компоненты исполнительной системы реализованы как независимые от аппаратной платформы модули. Это обеспечивается наличием уровня абстрагирования от оборудования и делает ОС максимально переносимой.
Уровень абстрагирования от оборудования (Hardware Abstract Level, HAL). Представляет собой программную прослойку между исполнительной системой Windows и аппаратной платформой, на которой работает ОС. HAL скрывает аппаратно-зависимые детали, такие как интерфейсы ввода/вывода, контроллеры прерываний и механизмы межпроцессорных связей. Вместо того чтобы обращаться к аппаратуре непосредственно, исполнительная система Windows вызывает функции HAL.
Системный реестр Windows.
В операционной системе Windows практически вся конфигурационная информация (приложений, служб, параметров оборудования и т. п.) хранится в системном реестре (System Registry).
Эти компоненты реестра наглядно показаны на рисунке.
Содержимое реестров разных компьютеров может сильно различаться. Оно зависит от устройств, служб и программ, установленных на каждом компьютере
Поддеревья включают разделы. Разделы и подразделы, в свою очередь, могут включать подразделы и параметры. Разделы и параметры могут быть двух типов.
Использование реестра компонентами Windows.
Ниже приведены сведения об использовании системного реестра основными компонентами и приложениями Windows.
Организация системного реестра.
Верхний уровень иерархии системного реестра составляют поддеревья. Поддеревья включают разделы. Разделы и подразделы, в свою очередь, могут включать подразделы и параметры.
Реестр Windows содержит два поддерева: HKEY_LOCAL_MACHINE (хранящее параметры настройки компьютера и общие параметры настройки ПО и ОС) и HKEY_CURRENT_USER (хранящее параметры настройки ПО и ОС текущего пользователя). Однако, чтобы облегчить поиск сведений в реестре, программы редактирования реестра выводят пять поддеревьев, которые перечислены ниже.
Поведение поддерева HKEY_CLASSES_ROOT различается в Windows 2000 и более ранних версиях. В Windows 2000 поддерево HKEY_CLASSES_ROOT ссылается на раздел HKEY_CURRENT_USER\SOFTWARE\Classes конкретного пользователя, что позволяет пользователям иметь индивидуально зарегистрированные или настроенные COM-компоненты. Изменения, вносимые в это поддерево, будут фиксироваться в разделе реестра соответствующего пользователя. В предыдущих версиях Windows изменения вносились в раздел HKEY_LOCAL_MACHINE\SOFTWARE\Classes, что позволяло одному пользователю системы изменять параметры компонентов, зарегистрированных другими пользователями.
Кусты и файлы реестра
Куст описывает древовидную структуру непрерывного связанного набора разделов, подразделов и параметров, выходящую из вершины иерархии реестра. Куст хранится на диске в виде отдельного файла и имеет отдельный журнал. Файлы реестра хранятся в папках %systemroot%\system32\Config (системная часть) и %userprofile% (пользовательская часть).
Каждый куст реестра представлен на диске в виде двух стандартных файлов, перечисленных в таблице.
Куст реестра
Файлы
Каждый параметр имеет три характеристики:
Типы данных для параметров реестра, которые на данный момент поддерживает Windows XP, перечислены в таблице.
Тип данных
Описание
Данные в двоичном формате. Обычно этот тип используется для хранения больших объемов данных, например параметров оборудования
Целое число без знака. На хранение отводится 4 байта, чем определяется минимальное (0) и максимальное (4 294 967 296) хранимое значение. Обычно этот тип используется для хранения числовых величин и значений различных флагов
Строка с символами подстановки. Используется для хранения строковых значений, при считывании которых осуществляется преобразование символов подстановки. Например, при считывании значения %homedrive%\ Users and Settings\%username% возвращается c:\Documents and Settings\User1
Набор из нескольких строковых значений. Используется для хранения списков строк. В качестве разделителя элементов списка используются символы возврата каретки или другие разделители
Строка символов. Используется для хранения различных простых неинтерпретируемых строковых значений
Набор массивов данных. Используется для хранения больших бинарных массивов данных. В основном используется для хранения различных параметров аппаратного обеспечения компьютера
Создание ОС Windows. Структура ОС Windows
Структура ОС Windows
Общее описание структуры системы
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.
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.
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:
Краткая история Windows и что у нее под капотом
Несколько дней назад в сеть просочился образ ранней версии Windows 11. Различные издательства провели тесты по производительности и пришли к неутешительному выводу: Windows 11 в среднем работает хуже, чем Windows 10. Но расстраиваться рано! Проблемы производительности могут быть связаны с «сыростью» слитого образа и нюансами совместимости с текущими программами. Так или иначе, 24 июня состоится официальная презентация нового поколения операционных систем Windows, которая, возможно, даст ответы на многие вопросы. Если сегодня у вас есть настроение для ностальгии, предлагаем вам окунуться в мир Windows: познакомиться с историей, как менялась ось и что у нее внутри.
История Windows
Первые продукты с названием «Windows» от Microsoft не были операционными системами. Это были графические среды для MS-DOS. На фоне успеха, в том числе и коммерческого, пользовательского интерфейса на Apple Lisa, компания решила реализовать графический интерфейс на IBM PC с MS-DOS. В отличии от относительно дешевых IBM PC, Apple Lisa стоили дорого (почти 10 тысяч долларов), и немногие покупатели могли позволить купить их. Microsoft решила занять нишу дешевых компьютеров с графическим интерфейсом. При этом низкая стоимость достигалась экономией на комплектующих и более низкая производительность, по сравнению с Lisa, избежать не получилось. Так, в 1985, 1987 и в 1990 выходят первые три версии Windows — 1.0, 2.0 и 3.0. Причем за первые шесть месяцев после релиза Windows 3.0 было продано более 1 миллиона экземпляров. Дальнейшее развитие Windows можно разделить на два направления — Windows на базе MS-DOS и Windows на базе NT.
Windows 9x
Windows на базе MS-DOS или Windows 9x не были первыми ОС от Microsoft, но они продолжали «старые традиции» и были построены на основе 16-битного кода MS-DOS. В августе 1995 года была выпущена Windows 95 — первая система семейства Windows 9x. Она уже была полноценной операционной системой с соответствующими возможностями. Однако у системы были проблемы с безопасностью (например, не было «администратора») и с изоляцией приложений. Зависание 16-битного приложения приводило к блокировке всей системы. Проблемы со стабильностью достались и Windows 98 и Windows ME, которые отличались от выпуска 95 года рядом небольших обновлений.
Windows NT
В целом, к концу 80-х годов в Microsoft появилось понимание о необходимости разработки операционной системы не на базе MS-DOS. Параллельно с разработкой софта, связанного с MS-DOS, Microsoft наняла команду инженеров из компании DEC для разработки новой 32-битной операционной системы. Главой группы стал Дэйв Катлер — один из главных разработчиков ОС VMS. Новая система была названа NT — от сокращения New Technology. Основной упор при разработке NT делался на безопасность и надежность системы, а также на совместимость с Windows на MS-DOS. Так получилось, что опыт при разработке VMS повлиял на NT и сходство между ними стало причиной спора между DEC и Microsoft. По итогу спор был решен во внесудебном порядке.
Первая система Windows называлась Windows NT 3.1 и была выпущена в 1993 году. Это была первая ОС от Microsoft. Индекс 3.1 был выбран для соответствия Windows 3.1 на MS-DOS. Эта версия не имела особого успеха. Для NT требовалось больше памяти, 32-разрядных приложений на рынке было мало, возникали проблемы с совместимостью драйвером. Достичь поставленных целей смогли в NT 3.5. А первым серьезным обновлением для NT стала версия 4.0 в 96 году. Теперь эта система была мощна, надежна и безопасна, а также обеспечивала тот же интерфейс, что и Windows 95 (которая к тому моменту была чрезвычайно популярной).
В 2000 году вышла новая версия Windows — Windows 2000. Она развивала идеи, заложенные в системы NT. Был добавлена технология Plug-and-Play, управление электропитанием и улучшен интерфейс пользователя.
Успех Windows 2000 задал вектор развития для следующего поколения — Windows XP. В «хрюшке» Microsoft улучшила совместимость, интерфейс стал более дружелюбным. Стратегия Microsoft завоевывать аудиторию уже знакомыми системами дала плоды — за несколько лет Windows XP была установлена на сотнях миллионах ПК. Эпоха MS-DOS подошла к концу.
Следующий проект Microsoft пал жертвой собственных амбиций. Через пять лет после Windows XP, в 2006 году на свет вышла Windows Vista. В ней был переделан графический интерфейс, переработаны и добавлены функциональные возможности в плане безопасности. Была улучшена производительность, надежность.
Первоначальные планы Microsoft по поводу Vista были настолько обширны, что через несколько лет после начала разработки проект пришлось сильно ограничить. Vista включала в себе 70 миллионов строк кода, часть которого составлял «причесанный» код XP. Неудача Vista отчасти с тем, что она вышла не в то время. На 2006 год пришелся бум недорогих компьютеров, которые не могли обеспечить достаточную для Vista производительность.
Проблемы Vista были учтены при разработке Windows 7. Microsoft уделила большее внимание тестированию и производительности новой системы. Windows 7 быстро вытеснила Vista, а затем и XP, став самой популярной версией Windows до появления Windows 10 (сейчас Windows 7 на втором месте по популярности).
Бум смартфонов в начале 2010-х подтолкнул Microsoft к созданию операционной системы, которую можно было бы развернуть на разных устройствах: на телефонах, планшетах, приставках и т. д. В результате этой работы мир узрел Windows 8. «Восьмерка» построена на модульном подходе MinWin для получения небольшого ядра ОС, которое можно было бы расширить на линейку других типов устройств. Но аудитория встретила холодно такой подход. Многие люди критиковали «смартфоноподобный» интерфейс на ПК, отсутствие кнопки пуск. Для решения многих проблем Microsoft выпустила обновление под названием Windows 8.1, которая, помимо исправления имеющихся ошибок, добавила новые функции.
И вот, к 2015 году Microsoft выпускает Windows 10. При разработке Microsoft продолжала развитие идеи единой системы для разных устройств. В «десятке» появилась голосовая помощница Кортана, вернули меню «Пуск», улучшена системная безопасность.
Технические аспекты
Чтобы осветить все технические аспекты и тонкости операционной системы Windows понадобится не менее 1000 страниц. Для особо любопытных советуем 7-е издание «Внутреннего устройства Windows« Марка Руссиновича, специалиста по внутреннему устройству Windows. Также можно почитать «Современные операционные системы« Эндрю Таненбаума и «Operating System Concepts«: в обеих книгах есть главы, посвященные Windows. Здесь же ограничимся рассмотрением инструментов взаимодействия приложений пользователя с операционной системой (Windows API) и архитектуры «оси».
Архитектура
Во многих многопользовательских операционных системах сама ОС отделяется от приложений. Код ядра ОС выполняется в привилегированном режиме процессора (режим ядра). Для него доступны системные данные и оборудование. В непривилегированном режиме (пользовательский режим) выполняется код приложений. Ему предоставляется ограниченный набор интерфейсов и ограниченный доступ к системным данным. Прямой доступ к оборудованию заблокирован. При вызове программой пользовательского режима системной функции процессор выполняет специальную команду, переключающую вызывающий поток (последовательность команд внутри процесса, планируемая Windows для исполнения) в режим ядра. Когда системная функция завершается, операционная система переключает контекст потока обратно в пользовательский режим и дает возможность вызывающей стороне продолжить работу.
Windows считается операционной системой с гибридным ядром. С одной стороны компоненты ядра Windows располагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений, как в микроядерных системах. С другой стороны ядро слишком велико (более 1 Мбайт), а большая часть кода ОС и кода драйверов устройств использует одно защищенное пространство памяти защищенного режима, что свойственно монолитным ОС. Это означает, что в теории любой компонент ОС или драйвер устройства может повредить данные, используемые другими системными компонентами. В Windows эта проблема решается за счет повышения качества и контроля происхождения сторонних драйверов через такие программы, как WHQL или KMCS. Одновременно применяются дополнительные технологии защиты ядра, такие как безопасность на базе виртуализации, функции Device Guard.
Рассмотрим ключевые системные компоненты, формирующие архитектуру системы. На рисунке ниже представлена упрощенная схема, на которой опущены некоторые элементы, например, сетевые компоненты и различные уровни драйверов. Первое, на что стоит обратить внимание — это линия, разделяющая части пользовательского режима и режима ядра. Как упоминалось выше, потоки пользовательского режима выполняются в закрытом адресном пространстве процессов. На время выполнения в режиме ядра они получают доступ к системному пространству. Таким образом, системные процессы, пользовательские процессы, процессы служб и подсистемы среды обладают собственным закрытыми адресными пространствами.
Упрощенная схема архитектуры Windows
Четыре базовых типа процессов пользовательского режима:
Компоненты режима ядра:
| Имя файла | Компоненты |
| Ntoskrnl.exe | Исполнительная система и ядро |
| Hal.dll | HAL |
| Win32k.sys | Часть подсистемы Windows режима ядра (GUI) |
| Hvix64.exe (Intel), Hvax64.exe (AMD) | Гипервизор |
| .sys в \SystemRoot\System32\Drivers | Основные файлы драйверов: DirectX, Volume Manager, TCP/IP и поддержка ACPI |
| Ntdll.dll | Внутренние вспомогательные функции и заглушки диспетчеризации системных сервисных функций |
| Kernel32.dll, Advapi32.dll, User32.dll, Gdi32.dll | Dll основных подсистем Windows |
Windows API
Windows API (Application Programming Interface) — это программный интерфейс пользовательского режима для Windows. До появления 64-разрядной версии операционной системы программный интерфейс 32-разрядных версий Windows назывался Win32 API в отличие от исходного 16-разрядного Windows API (программный интерфейс для исходных 16-разрядных версий Windows). На данный момент термин Windows API или Win32 API относят как к 32-разрядным, так и к 64-разрядным версиям.
В «доисторические времена» Windows API состоял только из функций в стиле C. Выбор языка C был обусловлен тем, что написанный на нем код также мог использоваться из других языков. Он являлся достаточно низкоуровневым для предоставления сервиса ОС. Но огромное количество функций в сочетании с недостаточной последовательностью выбора имен и отсутствием логических группировок (вроде пространств имен C++) привели к тому, что в некоторых новых API используется другой механизм — модель COM.
WinRT
В Windows 8 появился новый API и исполнительная среда поддержки Windows Runtime (WinRT). WinRT состоит из платформенных сервисов, предназначенных для разработчиков приложений Windows Apps (приложения Windows Apps подходят для устройств, начиная от миниатюрных IoT-устройств до телефонов, планшетов, десктопных систем, ноутбуков и даже Xbox One и Microsoft HoloLens).
.NET Framework
.NET Framework является частью Windows. Он состоит из двух основных компонентов: