Подсистемы ОС

Операционная система Windows NT представляет собой множество отдельных модулей (подсистем), которые разработаны с учетом двух фундаментальных принципов:

модульность, инкапсуляция, скрытие данных, ^:
некоторые подсистемы функционируют в привилегированном режиме процессора (kernel mode), а остальные в режиме (user mode).

Первый принцип

подразумевает, что каждая подсистема отвечает за отдельную функцию всей системы и все другие потоки — другие части ОС или приложения пользователя, общаются с ней с помощью одного и того же хорошо продуманного интерфейса. Реализация принципа делает невозможными какие-то другие способы (back doors) доступа к критическим для функционирования системы структурам данных. Кроме того, такой подход дает возможность легко производить усовершенствование (upgrade) системы, так как подсистемы, удовлетворяющие заранее известному интерфейсу, можно заменять без какого-либо ущерба для системы.

Для оценки важности второго принципа необходимо пояснить суть режимов выполнения команд kernel mode и user mode. В режиме ядра (kernel mode) вся память доступна и все команды выполнимы. Это привилегированный режим по сравнению с режимом user mode, когда система проверяет права доступа потока при каждом его обращении к памяти. Режим выполнения user mode значительно более надежен, но требует дополнительных затрат, которые снижают общую производительность процесса. В литературе режим ядра иногда называют режимом супервизора или режимом Ring(). Степени защиты памяти называют кольцами, а нулевое кольцо обозначает самый привилегированный аппаратный уровень. Вы можете встретить также обозначения PL=0 (Privilege Level) для kernel mode и PL = 3 для user mode. Если операционная система выполняет первый принцип и большинство ее модулей выполняется в режиме user mode, то говорят, что ОС является риге microkemel-системой. Возможны две версии перевода: «имеет чистое микроядро» и «настоящая microkernel-система». Если система удовлетворяет только первому принципу, то ее называют macrokernel OS. Большинство коммерческих ОС не выполняет второй принцип, так как они хотят быть быстрыми. Windows сразу примкнула к сторонникам microkernel OS, так как здесь соображения надежности поставлены на более высокое место.

На рис. 12.9 приведена схема, иллюстрирующая архитектуру (состав подсистем) Windows NT. Подсистема Win32 Subsystem состоит из пяти модулей:

Window Manager—компонент, который управляет вводом и выводом на экран. Этот модуль имеет и другое имя — User. Он и располагается в библиотеке User32.dll;
Graphics Device Interface (GDI) — библиотека функций и структур, которые реализуют рисование в контексте устройства. Контекст устройства — это логическая структура, не зависящая от физического устройства и позволяющая пользоваться максимальными возможностями и средствами для вывода графики. Вывод в конкретное физическое устройство производится с помощью драйвера устройства. Система при этом преобразовывает и, возможно, искажает информацию с учетом ограничений, характерных для конкретного устройства. Поэтому реальная картина может отличаться от идеальной, созданной в контексте устройства. Различают шесть инструментов GDI, с помощью которых осуществляется рисование: Pen, Brush, Font, Bitmap, Palette и Region;
Graphics Device Drivers (GDD) — аппаратно-зависимые драйверы, которые осуществляют связь с конкретными физическими устройствами ввода и вывода;
Console — компонент, который поддерживает текстовый режим вывода в окно;
Operating System Functions — функции, которые поддерживают все другие компоненты подсистемы Win32.

Рис. 12.9. Архитектура Windows

Каждый компонент расположен в отдельном DLL-файле. Все они выполнялись в режиме user mode. Однако теперь (в NT 4.0) большинство подсистем выполняется в режиме kernel mode. При этом утверждается, что при переносе блоков из области user mode в область kernel mode надежность системы не снижается благодаря особым усилиям компании Microsoft, которая проявляет особую осторожность при создании такой части ОС, как GDD (Graphics Device Olivers).

Примечание

Вы знаете, что многие OEM-драйверы (Original Equipment Manufacturers) пишутся не в стенах компании, а другими разработчиками. Выполнение кодов этих, возможно, содержащих ошибки драйверов в режиме kernel mode, когда нет преград, может обрушить всю систему.

Разработчики системы утверждают, что Windows NT является удивительно модульной и инкапсулированной системой, то есть слабозависящей от неожиданных изменений ситуации. Например, она не зависит от размера страницы page-файла. При загрузке системы, точнее, выполнении модуля NTDetect.com, который вы можете видеть в корневом каталоге системного диска, она определяет оптимальный размер страницы. Размер зависит от архитектуры процессора, то есть конкретной платформы. Система, например, может переключиться с размера 4К на 16К. При этом она продолжает надежно работать, несмотря на достаточно радикальную перемену в своей архитектуре.

Функции некоторых подсистем: Virtual Memory Manager (Менеджер виртуальной памяти), Process Manager (Менеджер процессов) мы уже пояснили. Process Manager, кроме рассмотренных функций обеспечивает вместе с Virtual Memory Manager и Security Model (Модель защиты) защиту процессов друг от друга. Подсистема Object Manager (Менеджер объектов) создает, управляет и уничтожает объекты Windows NT Executive. Это абстрактные типы данных, используемые для представления таких ресурсов системы, как файлы, директории, разделяемые сегменты памяти, процессы, потоки, глобальное пространство имен и др. Благодаря модульной структуре подсистемы в нее могут быть легко добавлены и другие новые объекты.

I/O Manager (Менеджер ввода-вывода) состоит из серии компонентов, таких как файловая система, сетевой маршрутизатор и сервер, система драйверов устройств, менеджер кэша. Стандартный интерфейс позволяет одинаковым образом общаться с любым драйвером. Здесь в полной мере проявляются преимущества многослойной (multi-layered) архитектуры.

Много слов сказано в литературе и на конференциях про Security Reference Monitor (Монитор обращений к системе безопасности), но эта тема далеко не всем интересна. Почему-то она абсолютно не захватывает и мое воображение, хотя я понимаю, что тема может оказаться жизненно важной для тех, кому есть, что скрывать.

Hardware Abstraction Layer (Аппаратный уровень абстракции) — HAL является изолирующим слоем между программным обеспечением, поставляемым разными производителями, и более высокими абстрактными слоями ОС. Благодаря HAL

различные типы устройств выглядят одинаково с точки зрения системы. При этом убирается необходимость подстройки системы при введении новых устройств. При проектировании HAL была поставлена цель — создать процедуры, которые позволят общаться только с драйвером устройства, чтобы можно было управлять самим устройством в рамках любой платформы.

Содержание раздела