Архитектура ОС Windows

 

  Модуль NT Executive состоит из микроядра и подсистем диспетчеризации управления программами с доступом к виртуальной памяти, окнам и графической подсистеме. Виртуальная память предоставляет пользовательским программам виртуальные адреса адресного пространства процессов и соответствующие физические страницы оперативной памяти компьютера. Графическая подсистема предназначена для создания оконного интерфейса, рисования элементов управления, расположенных в окнах. К исполняющей подсистеме относятся системные файлы Ntkrnlpa.exe, Kernel32.dll,Advapi32.dll, User32.dll, Gdi32.dll.

Операционная  система Windows XP в значительной мере использует возможности процессоров, совместимых с семейством Intel x86. В их аппаратной архитектуре предусматривается четыре уровня привилегий выполнения кода программ от 0-го наивысшего привилегированного до 4-го пользовательского режима с ограниченным набором команд процессора. Программы режима ядра операционной системы Windows XP функционируют в нулевом, защищенном и привилегированном режиме, а остальные пользовательские программы работают в менее привилегированных режимах, находясь под контролем программ режима ядра.

Недоступные в пользовательском режиме операции и приложения обращаются к системным  вызовам ядра операционной системы Win32 API. В состав API входит более 250 функций, обращение к которым осуществляется при помощи системных вызовов, основанных на подпрограммах ядра операционной системы. Все вызовы Win32 API обслуживаются как системными службами NT, так и модулем NT Executive – исполняющей системы Windows XP. Модуль NT Executive представляет собой несколько программных потоков, которые выполняются в режиме ядра. Код практически всех подсистем этого модуля находится в файлеntoskrnl.exe (кроме подсистемы Win32, код которой расположен в файле win32k.sys) и уровне абстрагирования от оборудования HAL, который содержится в файле hal.dll. В модуле NT Executive сосредоточены все самые важные части операционной системы.

Микроядро отвечает за выделение памяти для  приложений и распределение процессорного  времени, т. е. за реализацию многозадачности. Для этого в состав микроядра входит планировщик потоков (threads scheduler), который назначает каждому из потоков один из 32 уровней приоритета. Уровень 0 зарезервирован для системы. Уровни от 1-го до 15-го назначаются исполняемым программам, а уровни от 16-го до 31-го могут назначаться только администраторами. Планировщик делит все процессорное время на кванты фиксированного размера. При этом каждый программный поток выполняется только в течение отведенного ему времени, и если по окончании кванта он не освобождает процессор, планировщик в принудительном порядке приостанавливает этот поток и меняет программное окружение процесса, настраивая его на выполнение другого потока, обладающего тем же приоритетом. Микроядро также осуществляет всю работу, связанную с обработкой программных и аппаратных прерываний.

 

2.5  Диспетчеризация управления программами

 

Модуль  состоит из следующего набора системных  программ:

Диспетчер ввода-вывода – интегрирует добавляемые в систему драйверы устройств в операционную систему Windows XP;

Диспетчер объектов – служит для управления всеми разделяемыми ресурсами компьютера. В момент обращения приложения к какому-либо ресурсу диспетчер объектов сопоставляет с этим ресурсом объект (например, окно) и отдает приложению дескриптор этого объекта. Используя дескриптор, приложение  взаимодействует с объектом, совершая в его отношении различные операции. Монитор системы безопасности следит при этом за тем, чтобы с объектом выполнялись только разрешенные действия;  

Диспетчер процессов – предоставляет интерфейс, при помощи которого другие компоненты Windows NT Executive, а также приложения пользовательского режима могут манипулировать процессами и потоками. Во время работы диспетчер процессов сопоставляет с каждым процессом и потоком идентификатор процесса (PID– Process Identifier) и идентификатор потока (TID – Thret Identifier) соответственно, а также таблицу адресов и таблицу дескрипторов;  

Диспетчер виртуальной  памяти – служит для управления организации подсистемы памяти, позволяет создавать таблицы адресов для процессов и следит за корректностью использования адресного пространства приложениями. Кроме того, обеспечивает возможность загрузки в оперативную память исполняемых файлов и файлов динамических библиотек. Диспетчер виртуальной памяти представляет физическую память для пользовательских приложений – каждому процессу выделяются 4 Гб виртуального адресного пространства, из которых младшие 2 Гб используются процессом, а старшие 2 Гб (общие для всех процессов) отводятся на нужды системы. Каждый процесс работает в своем изолированном адресном пространстве и «не знает» о других процессах. Процессы обмениваются данными через разделяемую память, которая может быть спроецирована на виртуальное адресное пространство нескольких процессов. Главная задача диспетчера виртуальной памяти – организация логической памяти, размер которой больше размера физической, установленной на компьютере. Это достигается благодаря тому, что страницы памяти, к которым долго не было обращений, и которые не имеют атрибута неперемещаемых, сохраняются диспетчером в файле pagefile.sys на жестком диске и удаляются из оперативной памяти, освобождая ее для других приложений. В момент, когда происходит обращение к данным, находящимся в перемещенной на винчестер странице, диспетчер виртуальной памяти копирует страницу обратно в оперативную память, затем обеспечивает доступ к ней. Этот механизм обеспечивает выделение дополнительной памяти программам, которые нуждаются в ней, и при этом следит за тем, чтобы все работающие в системе программы обладали достаточным объемом физической памяти для того, чтобы продолжать функционирование;

Диспетчер кэша – используется для кэшированного чтения и записи и позволяет существенно ускорить работу жестких дисков и других устройств. При этом наиболее востребованные файлы дублируются диспетчером кэша в оперативной памяти компьютера, и обращение к ним обслуживается с использованием этой копии, а не оригинала, расположенного на сравнительно медленном долговременном носителе. Кэш в Windows XP является единым для всех логических дисков, вне зависимости от используемой файловой системы. Кроме того, он является динамическим, а это значит, что диспетчер управляет его размерами в зависимости от доступного объема свободной физической памяти в каждый конкретный момент;

Диспетчеры  окон и графики – выполняют все функции, связанные с пересылкой системных сообщений и отображением информации на экране.

Процесс функционирования Windows XP условно подразделяется на три фазы: процесс начальной нагрузки, штатный режим работы и завершение работы. Для загрузки Windows XP используется следующий минимальный набор файлов:

–      файлы, располагающиеся в корневом каталоге загрузочного диска: Ntldr, Boot.ini, Bootsect.dos (файл необходим только при использовании мультизагрузки), Ntdetect.com;

–      файлы, располагающиеся в системном подкаталоге /system32: Ntoskrnl.exe, Hal.dll, разделы реестраSYSTEM;

–      файлы, располагающиеся в системном подкаталоге /system32/drivers: (необходимые драйверы устройств).

Процесс загрузки компьютера начинается с процедуры  начального тестирования оборудования (POST –Power-On Self Test). Код, выполняющий POST, зашит в базовой системе ввода-вывода (BIOS) каждого компьютера, при включении питания ему передается управление. Если в процессе тестирования обнаруживаются какие-либо ошибки, то BIOS генерирует коды ошибок (POSTcodes), которые отличаются для BIOS разных производителей, и звуковые коды. Если процедура POST завершается успешно, то BIOS передает управление главной загрузочной записи (MBR – Master Boot Record) и первая «аппаратная» стадия загрузки компьютера, когда процесс зависит только от аппаратуры компьютера, завершается.

Далее загрузочная запись, оперируя данными  о разбиении жесткого диска на логические тома, передает управление исполняемому коду, загрузчику Ntldr, расположенному в загрузочном секторе. Загрузчик переходит в защищенный режим и производит необходимые для успешного функционирования манипуляции с памятью, кроме этого, Ntldr имеет модули, позволяющие работать с файловой системой и некоторыми другими базовыми ресурсами системы. Все другие действия выполняются с помощью вызова прерываний BIOS.

Если  в файле boot.ini зарегистрировано более одной операционной системы, то после первичной инициализации загрузчик предоставляет пользователю возможность выбора путем вывода Ntldr приглашения о выборе операционной системы. Если выбрана операционная система Windows XP, загрузчик запускает файлNtdetect. сот. Этот компонент считывает из CMOS-памяти системную дату и время, после чего производит поиск и распознавание аппаратных средств, подключенных в данный момент к компьютеру. Завершив работу, Ntdetectвозвращает управление и собранную им информацию обратно в Ntldr. Далее загружается и инициализируется ядро операционной системы Ntoskrnl.exe и уровень абстрагирования от оборудования Hal.dll. При инициализации ядро производит ряд действий в определенной последовательности:

–     инициализация диспетчера памяти;

–     инициализация диспетчера объектов;

–     установка системы безопасности;

–     настройка драйвера файловой системы;

–     загрузка и инициализация диспетчера ввода-вывода;

–     загрузка системных сервисов, которые реализуют взаимодействие с пользователем.

В состав системных сервисов входят следующие  модули:

–     Smss.exe (диспетчер сеансов) – модуль управляет другими сервисами и службами Windows; запускает:Win32 (Csrss) и некоторые системные утилиты, выполняемые на этапе загрузки; реализует графический пользовательский интерфейс и запуск процессов Csrss.exe и WinLogon.exe;

–     Csrss.exe – модуль предназначен для организации взаимодействия между компьютером и пользователем;

–     Lsass.exe – служба, запускаемая WinLogon.exe и отвечающая за безопасность системы (предоставляет возможность пользователю зарегистрироваться в системе).

После загрузки операционной системы пользователь должен пройти процедуру аутентификации – ввести собственное регистрационное имя (логин) и пароль. Процедура подключения к системе позволяет определить, обладает ли пользователь правом входа и работы с системой. Эту процедуру выполняет служба WinLogon. При этом в системе происходят следующие события:

–     процесс WinLogon отображает на экране фон рабочего стола и приглашение к вводу пользователем логина и пароля. Введенные данные передаются подсистеме безопасности;

–     подсистема безопасности обращается к базе данных SAM (Security Accounts Manager) и проверяет, обладает ли пользователь полномочиями работы с системой.

Если  пользователь является авторизированным пользователем системы, то подсистема безопасности формирует для него идентификатор доступа, который вместе с управлением передает обратно процессуWinLogon. Процесс WinLogon посредством обращения к подсистеме Win32 создает новый процесс для пользователя и прикрепляет ему идентификатор доступа. Каждый процесс, в дальнейшем создаваемый пользователем, отмечается принадлежащим ему идентификатором доступа, поэтому доступ пользователя к ресурсам системы контролируется и отслеживается. Благодаря обязательной процедуре подключения к системе упрощается реализация механизмов: аудит системы и квоты на использование ресурсов. Пользовательский идентификатор доступа содержит идентификатор пользователя, а также идентификаторы всех групп, к которым принадлежит данный пользователь.

Если  операционная система не загружается корректно, то при нажатии в процессе загрузки Windows XPклавиши F8 происходит переход в расширенное меню запуска, содержащее пункты:

–     Безопасный режим – загрузка Windows XP с минимальным требуемым количеством системных файлов и драйверов устройств;

–     Безопасный режим с загрузкой сетевых драйверов – загрузка Windows XP с минимальным требуемым количеством системных файлов и драйверов устройств с поддержкой подключения к сети;

–     Безопасный режим с поддержкой командной строки – загрузка Windows XP с минимальным требуемым количеством системных файлов и драйверов устройств с загрузкой режима командной строки;

–     Включить протоколирование загрузки – режим позволяет записать этапы загрузки Windows XP в файлNtbtlog. txt;

–     Включить режим VGA – режим, загружает драйвер стандартного монитора VGA с разрешением 640 на 480 точек на дюйм и 16 цветами;

–     Загрузка последней удачной конфигурации – режим, восстанавливает последнюю неиспорченную копию реестра Windows XP. 

 

 

 

Рисунок 8 - Структура Windows XP

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 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 9.

 

 

Рисунок 9 - Компоненты реестра.

 

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.

Постоянные - разделы  и параметры сохраняются на диске  и загружаются после перезагрузки компьютера. Большинство данных, хранящихся в реестре - постоянные.

*Временные - разделы и параметры присутствуют  только в оперативной памяти  компьютера и не сохраняются  на диске. В основном временными  являются разделы реестра, хранящие  информацию о текущей конфигурации  оборудования.

Реестр представляет собой иерархическую структуру, состоящую из поддеревьев, разделов, подразделов и параметров. Для просмотра и редактирования системного реестра Windows предусмотрены две специализированных программы - regedit и regedt32.

 

3.1 Использование реестра компонентами Windows

 

Ниже приведены сведения об использовании системного реестра основными компонентами и приложениями Windows.