Устройство и функционирование ОС Windows

Основы организации операционных систем
Microsoft Windows

2-е издание, исправленное

Коньков К.А.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

УДК 004.451.9Windows(076.5)
ББК 17
К65
Устройство и функционирование ОС Windows / Коньков К.А. - M.: Национальный Открытый
Университет “ИНТУИТ”, 2016 (Основы информационных технологий)
ISBN 978-5-94774-827-7

Целью настоящего курса практических занятий является иллюстрация основных положений
лекционного курса “Основы операционных систем” на примере 32-разрядной версии операционной
системы (ОС) Windows (Windows NT, 2000, XP, Vista), разработанной корпорацией Microsoft.
Данный курс не является руководством по системному программированию в среде Windows, но его
изучение позволит лучше понять особенности функционирования операционных систем и
разрабатывать более эффективные приложения. Автор пытался решить задачу создания основы для
проведения практических занятий по ОС Windows в рамках курса по операционным системам.
Эти практические занятия базируются на семестровом курсе “Введение в операционные системы”,
читаемом автором в МФТИ и могут рассматриваться как учебник для студентов,
специализирующихся в области информатики. Задача курса ознакомить читателя на практике с
отдельными аспектами функционирования операционных систем. Курс состоит из 15 глав. Он имеет
традиционное построение и содержит следующие разделы: введение, управление процессами и
потоками, организация памяти, структура файловой системы и безопасность. В курсе много
иллюстраций. Практические занятия заключаются в разработке небольших программ,
иллюстрирующих отдельные аспекты реализации ОС Windows, а также использовании для этих
целей различных инструментальных средств. Хотя курс содержит необходимый минимум
теоретических сведений, для его успешного освоения целесообразно прослушать курс лекций по
операционным системам или ознакомиться с содержанием одной или нескольких монографий по
данному предмету.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2008-2016
(c) Коньков К.А., 2008-2016

3

Создание ОС Windows. Структура ОС Windows

В лекции говорится о наиболее важных этапах создания ОС Windows наряду с
эволюцией операционных систем, структуре системы, а также вводятся некоторые
ключевые понятия. Проанализирована ее миграция от микроядерной архитектуры в
сторону монолитного дизайна. Описаны возможности и основные структурные
компоненты системы. Рассмотрена подсистема Win32, которая объединяет ряд
модулей режима ядра и режима пользователя и является базой для разработки
приложений

В данной лекции говорится о наиболее важных этапах создания ОС Windows наряду с
эволюцией операционных систем, структуре системы, а также вводятся некоторые
ключевые понятия.

Из курсов по теории ОС (см., например, [2], [8]) известно, что операционная система
является базисной системной программой. Обычно аппаратно-программное
обеспечение типовой вычислительной системы представляют в виде набора слоев (рис.
1.1), при этом операционной системе соответствует слой между оборудованием
компьютера и остальным программным обеспечением. Такое расположение позволяет
ОС обеспечивать возможность рационального использования оборудования
компьютера удобным для пользователя образом путем создания среды для
функционирования и разработки прикладных программ.

Рис. 1.1.  Слои программного обеспечения компьютерной системы

Дружественный интерфейс между пользователем и компьютером достигается за счет
абстрагирования, которое является важным методом упрощения и позволяет
сконцентрироваться на взаимодействии высокоуровневых компонентов системы,
игнорируя детали их реализации. В этом смысле об ОС говорят, что операционная
система является абстрактной или виртуальной машиной, с которой иметь дело гораздо
удобнее, нежели с низкоуровневыми элементами компьютера

Альтернативный взгляд на ОС дает представление об ОС как о менеджере ресурсов,
который осуществляет упорядоченное и контролируемое распределение процессоров,
памяти и других ресурсов между различными программами.

Краткая история создания ОС Windows

Первая версия описываемого ряда операционных систем - ОС Windows NT появилась в
1993 г. Краткий исторический экскурс позволяет объяснить ряд ее особенностей и

4

отличительных черт.

Наиболее важные моменты эволюции операционных систем

Известно ([2]), что операционные системы приобрели современный облик в период
развития третьего поколения вычислительных машин, то есть с середины 60-х до 1980
года. В это время существенное повышение эффективности использования процессора
было достигнуто за счет реализации многозадачности, в том числе вытесняющей
(preemptive) многозадачности. Для поддержки псевдопараллельной работы нескольких
программ и асинхронного режима работы внешних устройств в составе
вычислительных систем были реализованы следующие программно-аппаратные
новшества и подсистемы:

Внедрение защитных механизмов. Защита памяти позволяет изолировать
конкурирующие пользовательские программы друг от друга, а появление
привилегированных и непривилегированных команд - проконтролировать доступ
к распределению ресурсов.
Реализация прерываний, оповещающих ОС о произошедших асинхронных
событиях, например, о завершении операции ввода-вывода.
Поддержка совокупности системных вызовов для организации интерфейса между
прикладной программой и ОС.
Реализация дисциплины планирования для организации очереди из программ в
памяти и выделение процессора одной из программ.
Обеспечение возможности сохранения с последующим восстановлением
содержимого регистров и структур данных, необходимых для выполнения
программы, при переключении процессора с одной программы на другую.
Реализация стратегии управления памятью - чтобы упорядочить процессы
размещения, замещения и выборки информации из памяти.
Организация хранения информации на внешних носителях в виде файлов и
обеспечение доступа к конкретному файлу только определенным категориям
пользователей.
Обеспечение программ средствами коммуникации и синхронизации.

К этому же периоду эволюции относится идея создания семейств программно
совместимых машин различной архитектуры, работающих под управлением одной и
той же операционной системы. Прошедший первую апробацию на IBM-360 данный
процесс имеет результатом привычную на сегодня картину работы ОС Windows или
Linux на компьютерах самой разной архитектуры.

В период четвертого поколения вычислительных машин (с 1980 г. до настоящего
времени) наступила эра персональных компьютеров (ПК) с дружественным
интерфейсом. Первоначально ПК имели ограниченные возможности и
предназначались для использования одним пользователем в однопрограммном режиме,
что повлекло за собой деградацию архитектуры этих ЭВМ и их операционных систем
(в частности, пропала необходимость защиты файлов и памяти, планирования заданий
и т.п.). Однако, по мере расширения возможностей ПК, рост сложности и разнообразия

5

задач, решаемых на них, необходимость повышения надежности их работы привели к
возрождению практически всех черт, характерных для архитектуры больших
вычислительных систем.

В середине 80-х стали бурно развиваться сети компьютеров, в том числе
персональных, работающих под управлением сетевых или распределенных
операционных систем.

Онтогенез повторяет филогенез

В книге Таненбаума справедливо отмечено, что развитие операционных систем
иллюстрирует известное из биологии правило “Онтогенез повторяет филогенез” - то
есть развитие зародыша (онтогенез) повторяет эволюцию видов. Соответственно,
каждый новый вид компьютера (мэйнфрейм, мини-компьютер, персональный
компьютер, встроенный компьютер, смарт-карта и т.д.) проходит через одни и те же
стадии развития. По мере совершенствования архитектуры, программирование на
ассемблере сменяется программированием на языках высокого уровня. Затем
компьютер обрастает дополнительным оборудованием, средствами поддержки
многозадачности, простые операционные системы заменяются все более сложными.
Попутно появляются централизованные файловые системы, виртуальная память и
другие атрибуты полноценных операционных систем. Такой взгляд на эволюцию
компьютерных архитектур имеет известную предсказательную силу. В частности,
можно считать, что операционные системы Microsoft, начиная от MS-DOS и кончая
современными версиями Windows, развивались по схожему сценарию.

Архитектурные особенности операционных систем.

В настоящее время подавляющее большинство операционных систем имеет так
называемый монолитный дизайн. В этом случае компоненты операционной системы
являются не самостоятельными модулями, а составными частями одной большой
программы. Монолитное ядро представляет собой набор процедур, каждая из которых
может вызвать каждую. Все процедуры работают в привилегированном режиме. Таким
образом, монолитное ядро - это такая схема операционной системы, при которой все ее
компоненты являются составными частями одной программы, используют общие
структуры данных и взаимодействуют друг с другом путем непосредственного вызова
процедур.

Современная тенденция в разработке операционных систем состоит в перенесении
значительной части системного кода на уровень пользователя и одновременной
минимизации ядра. Речь идет о подходе к построению ядра, называемом микроядерной
архитектурой (microkernel architecture) операционной системы, когда большинство ее
составляющих являются самостоятельными программами. В этом случае
взаимодействие между ними обеспечивает специальный модуль ядра, называемый
микроядром. Микроядро работает в привилегированном режиме и обеспечивает
взаимодействие между программами, планирование использования процессора,

6

первичную обработку прерываний, операции ввода-вывода и базовое управление
памятью. Остальные компоненты взаимодействуют путем обмена сообщениями в
рамках архитектуры клиент-сервер (см. рис. 1.2).

Рис. 1.2.  Реализация модели клиент-сервер в рамках микроядерной архитектуры

Создание ОС Windows

Как уже отмечалось, эволюция операционных систем Microsoft является хорошей
иллюстрацией тезиса о повторении онтогенезом филогенеза.

Операционные системы корпорации Microsoft можно условно разделить на три
группы:

MS-DOS и MS-DOS+Windows 3.1,
так называемые потребительские (consumer) версии Windows (Windows 95/98/Me)
и предмет данного курса - линия ОС, ведущих свое начало от Windows NT
(Windows NT/2000/XP/Vista).

Однозадачная 16-разрядная ОС MS-DOS была выпущена в начале 80-х годов и затем
широко применялась на компьютерах с процессором x86. Вначале MS-DOS была
довольно примитивна (деградация ОС), ее оболочка занималась, главным образом,
обработкой командной строки, но в последующие версии было внесено много
улучшений, заимствованных, главным образом, из ОС Unix. Затем под влиянием
успехов дружественного графического интерфейса корпорации Apple для компьютеров
Macintosh была разработана система Windows. Особенно широкое распространение
получили версии Windows 3.0, 3.1 и 3.11. Первоначально это была не самостоятельная
ОС, а скорее многозадачная (с невытесняющей многозадачностью) графическая
оболочка MS-DOS, которая контролировала компьютер и файловую систему.

В 1995 г. была выпущена 32-разрядная ОС Windows 95, где была реализована
вытесняющая многозадачность. ОС Windows 95 включала большой объем 16разрядного кода, главным образом для обеспечения преемственности с приложениями
MS-DOS. 16-разрядный код присутствовал и в последующих версиях этой серии
Windows 98 и Windows Me. Другой проблемой данной версии Windows, во многом
обусловленной той же причиной, была нереентерабельность существенной части кода
ядра. Так, если один из потоков был занят модификацией данных в ядре, другой поток,

7

чтобы не получить эти данные в противоречивом состоянии, вынужден был ждать, то
есть не мог воспользоваться системными сервисами. Это, зачастую, сводило на нет
преимущества многозадачности.

ОС Windows NT (New Technology) - новая 32-разрядная ОС, совместимая с
предшествующими версиями Windows по интерфейсу. Работу над созданием системы
возглавил Дэвид Катлер, один из ключевых разработчиков ОС VAX VMS. Ряд идей
системы VMS присутствует в NT (см рис. 1.3). Заметна преемственность в системе
управления большим адресным пространством и резидентным множеством процесса, в
системе приоритетов обычных процессов и процессов реального времени, в средствах
синхронизации и т.д. Вместе с тем Windows NT - это совершенно новый амбициозный
проект разработки системы с учетом новейших достижений в области архитектуры
микроядра. Первая версия, названная Windows NT 3.1 для соответствия популярной
Windows 3.1, была выпущена в 1993 г. Коммерческого успеха добилась версия
Windows NT 4.0, заимствовавшая графический интерфейс Windows 95. В начале 1999 г.
была выпущена Windows NT 5.0, переименованная в Windows 2000. Следующая версия
этой ОС данной серии - Windows XP появилась в 2001 г., а Windows Server 2003 - в
2003 г. В настоящее время выпущена Windows Vista, ранее известная под кодовым
именем Longhorn, - новая версия Windows, продолжающая линейку Windows NT.

Рис. 1.3.  Сравнение архитектур ОС Windows и VAX/VMS

Объем исходных текстов ядра ОС Windows неизвестен. По некоторым оценкам, объем
ядра Windows NT 3.5 составляет приблизительно 10Мб, а с каждой новой версией ОС
Windows этот объем неуклонно увеличивается в полтора-два раза.

Возможности системы

Перед разработчиками системы была поставлена задача создать операционную систему
персонального компьютера, предназначенную для решения серьезных задач, а также
для домашнего использования. Перечень возможностей системы достаточно широк,
вот лишь некоторые из них [6], [4]. Операционная система Windows:

8

является истинно 32-разрядной, поддерживает вытесняющую многозадачность;
работает на разных аппаратных архитектурах и обладает способностью к
сравнительно легкому переносу на новые аппаратные архитектуры;
поддерживает работу с виртуальной памятью;
является полностью реентерабельной;
хорошо масштабируется в системах с симметричной мультипроцессорной
обработкой;
является распределенной вычислительной платформой, способной выступать в
роли как клиента сети, так и сервера;
защищена как от внутренних сбоев, так и от внешних деструктивных действий. У
приложений нет возможности нарушить работу операционной системы или
других приложений;
совместима, то есть, ее пользовательский интерфейс и API совместимы с
предыдущими версиями Windows и MS-DOS. Она также умеет взаимодействовать
с другими системами вроде UNIX, OS/2 и NetWare;
обладает высокой производительностью независимо от аппаратной платформы;
обеспечивает простоту адаптации к глобальному рынку за счет поддержки
Unicode;
поддерживает многопоточность и объектную модель.

Успешность реализации этих требований будет продемонстрирована по мере изучения
деталей ОС Windows. В рамках курса будут введены и впоследствии уточнены и
детализированы различные понятия и термины.. Некоторые из них приведены в
приложении.

Структура ОС Windows

Общее описание структуры системы

Архитектура ОС Windows (в данном разделе она излагается, следуя главным образом
[3] и [6]), претерпела ряд изменений в процессе эволюции. Первые версии системы
имели микроядерный дизайн, основанный на микроядре Mach, которое было
разработано в университете Карнеги-Меллона. Архитектура более поздних версий
системы микроядерной уже не является.

Причина заключается в постепенном преодолении основного недостатка
микроядерных архитектур - дополнительных накладных расходов, связанных с
передачей сообщений. По мнению специалистов Microsoft, чисто микроядерный
дизайн коммерчески невыгоден, поскольку неэффективен. Поэтому большой объем
системного кода, в первую очередь управление системными вызовами и экранная
графика, был перемещен из адресного пространства пользователя в пространство ядра
и работает в привилегированном режиме. В результате в ядре ОС Windows
переплетены элементы микроядерной архитектуры и элементы монолитного ядра
(комбинированная система). Сегодня микроядро ОС Windows слишком велико (более 1
Мб), чтобы носить приставку “микро”. Основные компоненты ядра Windows NT
располагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем

9

передачи сообщений, как и положено в микроядерных операционных системах. В тоже
время все компоненты ядра работают в одном адресном пространстве и активно
используют общие структуры данных, что свойственно операционным системам с
монолитным ядром.

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.

Рис. 1.4.  Упрощенная архитектурная схема ОС Windows

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.

Задача уровня абстрагирования от оборудования (hardware abstraction layer, HAL) скрыть аппаратные различия аппаратных архитектур для потенциального переноса
системы с одной платформы на другую. HAL предоставляет выше лежащим уровням
аппаратные устройства в абстрактном виде, свободном от индивидуальных
особенностей. Это позволяет изолировать ядро, драйверы и исполнительную систему
ОС Windows от специфики оборудования (например, от различий между материнскими
платами).

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

10