Обзор архитектуры и основных модулей операционной системы Windows.

Модель программного интерфейса ОС windows. Понятие объекта ядра и описателя объекта ядра операционной системы Windows. Нотация программного интерфейса.

Windows API – это системный интерфейс программирования в семействе операционных систем Microsoft Windows. Каждая операционная система реализует разное подмножество WinAPI. Windows API включает тысячи вызываемых функций, которые сгруппи­рованы в следующие основные категории: базовые сервисы (Base Services); сервисы компонентов (Component Services); сервисы пользовательского интерфейса (User Interface Services); сервисы графики и мультимедиа (Graphics and Multimedia Services); коммуникационное взаимодействие и совместная работа (Messaging and Collaboration); сети (Networking); Web­сервисы (Web Services).

Каждый объект ядра — на самом деле просто блок памяти, выделенный ядром и доступный только ему. Этот блок представляет собой структуру данных, в элементах которой содержится информация об объекте. Предусмотрен набор функций, обрабатывающих структуры объектов ядра по строго определенным правилам. Мы получаем доступ к объектам ядра только через эти функции.

Когда Вы вызываете функцию, создающую объект ядра, она возвращает описатель, идентифицирующий созданный объект. Описатель следует рассматривать как "непрозрачное" значение, которое может быть использовано любым потоком Вашего процесса. Этот описатель Вы передаете Windows-функциям, сообщая системе, какой объект ядра Вас интересует.

При инициализации процесса система создает в нем таблицу описателей, используемую только для объектов ядра. Таблица описателей, принадлежащая процессу – это просто массив структур данных. Каждая структура содержит указатель на какой-нибудь объект ядра, маску доступа и некоторые флаги.

Windows API подчиняется определенным правилам – нотации – соглашении об именовании констант, типов данных, процедур. API использует венгерскую нотацию: в названии переменной кодируется ее тип. В настоящее время венгерская нотация не используется, т.к. если не известно значение переменной, ее тип ни о чем не скажет. Частью нотации является способ именования процедур: Глагол-Существительное.

Понятие пользовательского режима и режима ядра операционной системы Windows. Модель виртуальной памяти процесса в пользовательском режиме и в режиме ядра операционной системы Windows.

Код приложений работает в пользовательском режиме, тогда как код операционной системы (например, системные сервисы и драйверы устройств) — в режиме ядра. В режиме ядра предоставляется доступ ко всей системной па­мяти и разрешается выполнять любые машинные команды процессора. Предоставляя операционной системе более высокий уровень привилегий, чем прикладным программам, процессор позволяет разработчикам операционных систем реализовать такие архитектуры, которые не дают возможности сбойным приложениям нарушать стабильность работы всей системы.

В Windows реализована система виртуальной памяти, основанная на плоском (линейном) адресном пространстве. Она создает каждому процессу иллюзию того, что у него есть собственное большое и закрытое адресное про­странство. Виртуальная память дает логическое представление, не обязатель­но соответствующее структуре физической памяти. В период выполнения диспетчер памяти, используя аппаратную поддержку, транслирует, или проецирует (maps), виртуальные адреса на физические, по которым реально хранятся данные. Управляя проецированием и защитой страниц памяти, операционная система гарантирует, что ни один процесс не помешает другому и не сможет повредить данные самой операционной системы.

Хотя каждый Windows-­процесс имеет свою (закрытую) память, код опе­рационной системы и драйверы устройств, работающие в режиме ядра, де­лят единое виртуальное адресное пространство. Каждая страница в виртуальной памяти помечается тэгом, определяющим, в каком режиме должен работать процессор для чтения и/или записи данной страницы. Страницы в системном пространстве доступны лишь в режиме ядра, а все страницы в пользовательском адресном пространстве — в пользовательском режиме. Страницы только для чтения (например, содержащие лишь исполняемый код) ни в каком режиме для записи недоступны.

Обзор архитектуры и основных модулей операционной системы Windows.

Потоки пользовательского режима выполняются в защищенных адресных пространствах процессов (хотя при выполнении в режиме ядра они получают доступ к системному пространству). Таким образом, процессы поддержки системы, сервисов, приложений и подсистем окружения имеют свое адресное пространство.

В Windows пользовательские приложения не могут вызывать родные сервисы операционной системы напрямую, вместо этого они работают с одной или несколькими DLL подсистем. Их назначение заключается в трансляции документированных функций в соответствующие внутренние вызовы системных сервисов Windows. Трансляция может осуществляться как с помощью сообщения, посылаемого процессу подсистемы окружения, обслуживающему пользовательское приложение, так и без него.

Windows включает следующие компоненты режима ядра.

Исполнительная система (executive) Windows, содержащая базовые сервисы операционной системы, которые обеспечивают управление памятью, процессами и потоками, защиту, ввод-вывод и взаимодействие между процессами.

Ядро (kernel) Windows, содержащее низкоуровневые функции операционной системы, которые поддерживают, например, планирование потоков, диспетчеризацию прерываний и исключений, а также синхронизацию при использовании нескольких процессоров. Оно также предоставляет набор процедур и базовых объектов, применяемых исполнительной системой для реализации структур более высокого уровня.

Драйверы устройств (device drivers), в состав которых входят драйверы аппаратных устройств, транслирующие пользовательские вызовы функций ввода-вывода в запросы, специфичные для конкретного устройства, а также сетевые драйверы и драйверы файловых систем.

Уровень абстрагирования от оборудования (hardware abstraction layer, HAL), изолирующий ядро, драйверы и исполнительную систему Windows от специфики оборудования на данной аппаратной платформе (например, от различий между материнскими платами).

Подсистема поддержки окон и графики (windowing and graphics system), реализующая функции графического пользовательского интерфейса (GUI), более известные как Windows-функции модулей USER и GDI. Эти функции обеспечивают поддержку окон, элементов управления пользовательского интерфейса и отрисовку графики.