Операционная система WINDOWS

Раздел 5. ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА WINDOWS

5.1. СТРУКТУРА ОС WINDOWS

Краткая историческая справка

Первая версия системы Windows появилась в 1985 году. Эта версия ж> существу только обозначила путь, по которому компания Microsoft планировала свою работу. В конце 1990 года появилась версия системы Windows 3.0.,а вслед за ней - Windows 3.1 и Windows 3.11 for Workgroups, которые стали одними из наиболее популярных, систем своего времени. Однако все названные версии Windows не являлись операционными системами в полном смысле этого слова, гак как их запуск производился после загрузки в компьютер операционной системы MS DOS. Тем самым названные версии Windows играли роль развитых приложений MS DOS, существен но расширяющих возможности работы на персональном компьютере, в том числе обеспечивающих многозадачность.

Первой полноценной операционной системой этого семейства стала  сис тема Windows 95. Серьезная маркетинговая работа по продвижению этой системы, проведенная компанией Microsoft, сделала Windows 95 своеобразным стандартом^ который приняли большинство пользователей персональных компьютеров. Наряду с выпуском мощных прикладных программ, работающих только под управлением Windows, компания Microsoft организовала выпуск значительного количества книг, в которых излагались основные принципы работы с системой. Появление Windows 95 сопровождалось беспрецедентной рекламной компанией, и в результате всего тгого система, практически но всем параметрам и по архитектуре, уступавшая операционной системе OS/2, заняла доминирующее положение, Не могла оказать конкуренции Windows и операционная система Глпих, в те годы только начавшая развиваться. Основным приоритетом создатели Windows избрали удобный пользовательский интерфейс и стремление как можно больше облегчить использование системы пользователем, не имевшим высокой квалификации в области вычислительной техники. Эта задача успешно решалась паже r ущерб производительности системы, однако в конечном итоге именно система Windows стала одним из решающих факторов, обеспечивший практически повсеместное использовавие персональных компьютеров не только на производстве и в офисе, а и в домашних условиях.

В 1998 году появилась новая версия операционной системы Windows 08. Последней версией тгого поправления развития операционной системы стал Windows Millennium I Edition (Windows MF.j, выпущенный осенью 2000 год л.

Названные иерсии Windows имели существенный недостаток: они не могли обеспечить высокопроизводительной работы в компьютерных сетях при реализации технологии клиент-сервер. Хотя операционные системы Windows Ш ц являлись многозадачными, но по существу они были однопользовательскими. 1 loltoMy параллельно с распитием Windows 95 и разработкой его новых версий компания Microsoft начала работу по созданию другой ветви операционных систем семейства Windows Windows New Technology или Windows NT. Этот проект изначально имел название OS/2 version 3.0, что подчеркивало его преемственность по отношению к операционной системе OS/2. Первые версии новой системы значительно ус «упали системе OS/2, разработанной фирмой IBM. Широкое распространение Windows NT получил только начиная с версии 4.0, выпущенной в 1996 году. Далее появляются версии операционных систем Windows 2000, Windows XV и в конце 2006 года - Windows Vista.

Общая характеристика Windows 9х

Операционные системы Windows 9х не пользуются исключительно на IBM- совместимых персональных компьютерах. На других платформах система не функционирует. Как и для другого программного обеспечения компании Microsoft, исходные коды системных программ закрыты, поэтому большинство модулей системы представляют собой «черные Ащнки», для которых подробно описаны способы применения, но не принципы их работы и внутренняя структура.

Основное назначение Windows 9х - применение домашними пользователями либо использование в офисах и организациях, не имеющих локальных сетей. Хотя система допускает возможность работы на компьютере нескольких пользователей, для них не поддерживаются службы учетных записей. Система также имеет возможность подключения компьютера к локальной сети, однако такие соединения обладают низкой производительностью по сравнению с другими операционными сис темами.

Важным преимуществом Windows но сравнению с ранее существовавшими операционными системами является (Шъ&мтт+ЩШШШВьровантм подход. В основе системы лежит понятие объекта, а не программного кода для его обраоотки. Объектами Windows являются панки, файлы, аппаратные средства (диски, принтеры, факсы и др.). Особая роль отведена объекту Рабочий стол (Desktop), он рассматривается как главная папка, в которой размещены все другие объекты Windows. Информация о содержимом Рабочего стола отображается на экране монитора при загрузке Windows. Пользователь может просматривать и изменять свойства любою объекта, щелкнув по объекту правой кнопкой мыши. Некоторые свойства объектов определяются сис1емой и не могуч быть изменены пользователем, они имеют атрибут «только дли чтения» («read only»). Для работы о объектами (их создания, изменения, удаления) используются методы.

В Windows реализован пршшмн автоматического распознавания и подключения драйверов периферийных устройств (принцип l4ug&Pluy). Пи одно приложение Windows не может обратиться к периферийному устройству напрямую, минуя систему ввода-вывода. Тем самым обеспечиваем организация скшдартньгх потоков ввода-вывода для ьсех работающих приложений. Особенности рабомЫ с конкретным устройством учитываются на стадии

подключения драйверов. В Windows используется архитектура «универсальный драйвер — мини-драйвер». Универсальные драйверы создаются разработчиками системы и включены в стандартный комплект поставки Windows. Производители оборудования должны создать относительно небольшой программный код мини- драйвера, отражающий специфику изготовленного ими устройства. Зачастую необходимость мини-драйвера отпадает вообще.

Для каждого работающего приложения система Windows выдел яс! определенный ресурс, который получил название виртуальная, маиита. Виртуальная машина представляет собой некую среду, создаваемую в памяти компьютера, которая «кажется» приложению отдельным компьютером. Виртуальная машина может использовать в полном объеме все ресурсы, имеющиеся в распоряжении физического компьютера. Выделение ресурсов осуществляет специальный модуль - диспетчер виртуальной машины VMM (Virtual Machine Manager). Использование механизма виртуальной машины позволяет не только обеспечить изоляцию данных при работе нескольких приложений, но и отделить операции ввода-вывода информации от вычислительного процесса, создавать и подключать к системе виртуальные устройства.

При разработке Windows был тщательно продуман графический пользовательский интерфейс системы. При запуске Windows на жране отображается Рабочий стол с панелью задач. Кнопка Пуск, расположенная на панели задач позволяет с помощью самораскрывающегося меню вызывать практически любое приложение, необходимое пользователю. Для наиболее часто используемых приложений пользователь может создавать на Рабочем столе ярлыки, что упрощает и ускоряет процедуру их запуска. Каждое приложение запускается в своем окне, оформление которого для разных приложений стандартно. Управление работой приложений осуществляется с помощью мыши.

Рассмотрим основные модули Windows 9х. К if им относятся:

• ядро системы, включающее три компонента: User (управляет вводом с клавиатуры, с ^юмощью мыши и других устройств, ортапизацнеи вывода через интерфейс пользователя). Kernel (обеспечивает файловый ввод- вывод. управление виртуальной памятью.* планирование выполнения задач, загрузку приложении и др. базовые функции), GDI (организует графическую систему отображения информации на мониторе, поддерживает вывод графической информации на принтер п другие устройства);
• Реестр ~ иерархическая база данных, содержащая перечень подключаемых при загрузке программ, информацию об аппаратных средствах и настройках компьютера:
• драйверы программы, обеспечивающие функционирование периферийных устройств.
• Проводник программа, управляющая файловой системой;
• Панель управления - содержит средства настройки системы и оборудования;
• средства, обеспечивающие работу в Internet: почтовую программу Microsoft Outlook и браузер Web-сайтов Internet Explorer;
• стандартные приложения - Блокнот, Калькулятор, Часы, Мсдиаплеер и др.;
• система поиска информации;
• справочная система — содержит обширную информацию с описанием особенностей функционирования Windows.

(f Общая характеристика Windows NT/2000/XPA/ista

Несмотря на общее название Windows двух типов операционных систем, разработанных компанией Microsoft, и внешнюю схожесть их пользовательского интерфейса системы семейства Windows NT принципиально отличаются от систем Windows 9х по своей архитектуре. При разработке Windows NT были поставлены следующие задачи:

• совместимость операционной системы с Windows 9х;
• аппаратная независимость системы, что обеспечивает высокий уровень переносимости системы при работе на разных платформах;
• масштабируемость возможность работы с использованием мультипроцессорных систем;
• встроенные возможности работы в компьютерных сетях, поддержка связи с различными типами хост-компьютеров;
• высокая надежность и отказоустойчивость. Для их обеспечения предусмотрена работа системы в двух режимах - kernel mode (режим ядра) и user mode (режим пользователя). Программные коды имеют доступ к системным аппаратным средствам и к системным данным только в нервом из этих режимов. В то же время для обеспечения легкой переносимости системы разработчики из четырех уровней привилегий (колец защиты) процессора i80x86 использовали только два;
• система должна быть построена па микроядерной технологии. Система имеет четко выделенное ядро, которое взаимодействует с другими модулями но принципу клиент-сервер, что обеспечивает определенную автономность в работе каждого модуля. При этом только часть служб работают с системой в режиме ядра, остальные модули системы выполняются как обычные пользовательские приложения;
• наличие высокопроизводительной и надежной файловой системы NTFS.

При рассмотрении архитектуры Windows NT и ее последующих версий

обычно выделяют пять уровней (в порядке следования от нижнего уровня к верхнему):

1. уровень аппаратных абстракций IIAL (Hardware Abstraction I.ayer) описывает особенности используемой аппаратуры, позволяя на более высоких уровнях использовать стандартные решения вне зависимости от

аппаратных средств что обеспечивает в свою очередь высокую перенос  и м ость систе мы;

2. ядро является основным модулем, управляющим работой системы и организующим выполнение большинства базовых функций;
3. исполняющая система включает модули Windows, выполняемые в привилегирован!юм режиме (kernel mode);
4. загцищатые шхкисШСМы содержа! модули, выполняемые К пользовательском режиме. Для обеспечения надежности их работы ли модули располагаются в отдельном виртуальном адресном пространстве, к которому не имеет доступ ни одна прикладная программа;
5. подсистемы срсг)ы обеспечивают выполнение и поддержку приложений, разработанных для различных операционных систем, например Win32 или OS/2.

В основе люоели безопасности операционных систем семейства windows NT лежит распределение пряв на доступ к системным объектам. Контроль за политикой безопасное 1 и осуществляет мои шпор безопасности (Security Reference Monitor). Процесс входа в операционную систему предполагает обязательную идентификацию пользователя с определением представленных ему прав. Кроме того система безопасности не допустит обращения задачи (ошибочного или преднамеренного) к ресурсам, не выделенным для ее выполнения. Улучшение состояния безопасности и повышение устойчивости системы как раз и стали первичными целями, названными компанией Microsoft при разработке системы Windows Vista.

" Организация многозадачности”

Для организации многозадачности  в среде Windows используются потоки. Под потоком понимают одну из ветвей вычислительного процесса, которой выделяется процессорное время. Выделением ресурсов для потока занимается д и с метче р за дач, называем! ф план i (роищиком (scheduhег).

При запуске приложения система  организует процесс его выполнения в виде отдельного потока. 'Запуск процессов и формирование для них потоков может осуществляться не только пользователем, но и другими процессами (процессами-родителями). Поэтому термин мяогогюточностъ предполагает наличие и системе единого механизма для поддержания многозадачности и мультипрограммного режима. При ,)том новый поток може т пользоваться кодом и данными потока-родителя, что минимизирует затраты памяти. Один процесс может создать множество параллельно выполняющихся потоков либо использовать единственный по'гок.

Планировщик Windows определяет квант времени, в лечение которого потоку представляется процессор. По окончании тгого времени плапиронтик определяет, следует ли передать процессор другому потоку. Планнровшик Windows NT, поддерживающий мультипроцессорные системы, может выделять потоку более одно! о процессора.

Решения, принимаемые планировщиком, определяются приоритетом *адачи и событиями. В качестве событий планировщик рассматривает сигналы, поступившие с клавиатуры или от мыши, а также информацию о завершении процессов, о возникновении исключительных ситуаций (ошибок) и выполнении программы. Приоритеты задач могут динамически изменяться, иначе задача с низким приоритетом никогда не получала бы процессор в свое распоряжение. События также изменяют приоритет потоков. М результате одно и то же событие (допустим, щелчок мышью) в одних условиях вызовет, например,, передачу управления другой программе, при других условиях планировщик может решить, что в данный момент времени важнее завершить какой-либо процесс и освободить занятый ресурс, и только после этого передаст управление обработчику события.