Марк Руссинович - 1.Внутреннее устройство Windows (гл. 1-4)

• Диспетчер электропитания (см. главу 9), который координирует события, связанные с электропитанием, и генерирует уведомления системы управления электропитанием, посылаемые драйверам. Когда система не занята, диспетчер можно настроить на остановку процессора для снижения энергопотребления. Изменение энергопотребления отдельных устройств возлагается на их драйверы, но координируется диспетчером электропитания.

• Подпрограммы WDM Windows Management Instrumentation (см. главу 4), позволяющие драйверам публиковать информацию о своих рабочих характеристиках и конфигурации, а также получать команды от службы

WMI пользовательского режима. Потребители информации WMI могут находиться как на локальной машине, так и на любом компьютере в сети.

• Диспетчер кэша (см. главу 11), повышающий производительность файлового ввода-вывода за счет сохранения в основной памяти дисковых данных, к которым недавно было обращение (это также уменьшает число обращений к диску для записи, поскольку модифицированные данные предварительно накапливаются в памяти в течение определенного периода). Как вы увидите, диспетчер кэша выполняет эту задачу, используя поддержку проецируемых файлов со стороны диспетчера памяти.

• Диспетчер памяти (см. главу 7), реализующий виртуальную память — схему управления памятью, позволяющую выделять каждому процессу большое закрытое адресное пространство, объем которого может превышать доступную физическую память. Диспетчер памяти также обеспечивает низкоуровневую поддержку диспетчера кэша.

• Средство логической предвыборки (см. главу 7), ускоряющее запуск системы и процессов за счет оптимизации загрузки данных, к которым происходит обращение при запуске системы или процессов. Кроме того, в состав исполнительной системы входят четыре основные группы функций поддержки, используемые вышеперечисленными компонентами. Примерно треть из них описана в DDK, поскольку драйверы тоже используют их. Вот что представляют собой четыре категории функций поддержки.

• Диспетчер объектов — создает, управляет и удаляет объекты и абстрактные типы данных исполнительной системы, используемые для представления таких ресурсов операционной системы, как процессы, потоки и различные синхронизирующие объекты. Подробнее о диспетчере объектов см. главу 3-

• Механизм LPC (см. главу 3) — передает сообщения между клиентским и серверным процессами на одном компьютере. LPC является гибкой, оптимизированной версией RPC (remote procedure call), стандартного механизма взаимодействия между клиентскими и серверными процессами через сеть.

• Большой набор стандартных библиотечных функций для обработки строк, арифметических операций, преобразования типов данных и обработки структур безопасности.

• Подпрограммы поддержки исполнительной системы, например для выделения системной памяти (пулов подкачиваемых и неподкачиваемых страниц), доступа к памяти со взаимоблокировкой, а также два специальных типа синхронизирующих объектов: ресурс (resource) и быстродействующий мьютекс (fast mutex).

Ядро состоит из набора функций в Ntoskrnl.exe, предоставляющих фундаментальные механизмы (в том числе планирования потоков и синхронизации), которые используются компонентами исполнительной системы и низкоуровневыми аппаратно-зависимыми средствами поддержки (диспетчеризации прерываний и исключений), различными в каждой процессорной архитектуре. Код ядра написан в основном на С, а ассемблер использовали лишь для решения специфических задач, трудно реализуемых на С.

Как и функции поддержки исполнительной системы, упоминавшиеся в предыдущем разделе, часть функций ядра описана в DDK (см. функции, чьи имена начинаются с Ke), поскольку они необходимы для реализации драйверов устройств.

Ядро состоит из низкоуровневых, четко определенных и хорошо предсказуемых примитивов и механизмов операционной системы, позволяющих компонентам исполнительной системы более высокого уровня выполнять свои функции. Ядро отделено от остальной части исполнительной системы; оно реализует системные механизмы и не участвует в принятии решений, связанных с системной политикой. Практически все такие решения, кроме планирования и диспетчеризации потоков, принимаются исполнительной системой.

Вне ядра исполнительная система представляет потоки и другие разделяемые ресурсы в виде объектов. Управление этими объектами требует определенных издержек, так как нужны описатели, позволяющие манипулировать объектами, средства защиты и квоты ресурсов, резервируемых при их создании. B ядре можно избежать таких издержек, поскольку оно реализует набор более простых объектов, называемых объектами ядра (kernel objects). Эти объекты позволяют ядру контролировать обработку данных процессором и поддерживают объекты исполнительной системы. Большинство объектов уровня исполнительной системы инкапсулирует один или более объектов ядра, включая в себя их атрибуты, определенные ядром.

Одна из групп объектов ядра, называемых управляющими (control objects), определяет семантику управления различными функциями операционной системы. B эту группу входят объекты APC, DPC (deferred procedure call) и несколько объектов, используемых диспетчером ввода-вывода (например, объект прерывания).

Другая группа объектов под названием объекты диспетчера (dispatcher objects) реализует средства синхронизации, позволяющие изменять планирование потоков. B группу таких объектов входят поток ядра (kernel thread), мьютекс (mutex), событие (event), семафор (semaphore), таймер (timer), ожидаемый таймер (waitable timer) и некоторые другие. C помощью функций ядра исполнительная система создает объекты ядра, манипулирует ими и конструирует более сложные объекты, предоставляемые в пользовательском режиме. Объекты подробно рассматриваются в главе 3, а процессы и потоки — в главе 6.

Другая важная задача ядра — абстрагирование или изоляция исполнительной системы и драйверов устройств от различий между аппаратными архитектурами, поддерживаемыми Windows (т. е. различий в обработке прерываний, диспетчеризации исключений и синхронизации между несколькими процессорами).

Архитектура ядра нацелена на максимальное обобщение кода — даже в случае аппаратно-зависимых функций. Ядро поддерживает набор семантически идентичных и переносимых между архитектурами интерфейсов. Большая часть кода, реализующего переносимые интерфейсы, также идентична для разных архитектур.

Ho одна часть этих интерфейсов по-разному реализуется на разных архитектурах, а другая включает код, специфичный для конкретной архитектуры. Архитектурно-независимые интерфейсы могут быть вызваны на любой машине, причем семантика интерфейса будет одинаковой — независимо от специфического кода для той или иной архитектуры. Некоторые интерфейсы ядра (например, процедуры спин-блокировки, описанные в главе 3) на самом деле реализуются в HAL (см. следующий раздел), поскольку их реализация может отличаться даже в пределах семейства процессоров с одинаковой архитектурой.

B ядре также содержится небольшая порция кода с х86-специфичными интерфейсами, необходимыми для поддержки старых программ MS-DOS. Эти интерфейсы не являются переносимыми в том смысле, что их нельзя вызывать на машине с другой архитектурой, где они попросту отсутствуют. Этот х86-специфичный код, например, поддерживает манипуляции с GDT (global descriptor tables) и LDT (local descriptor tables) — аппаратными средствами x86.

Другим примером архитектурно-специфичного кода ядра может служить интерфейс, предоставляющий поддержку буфера трансляции и процессорного кэша. Эта поддержка требует разного кода на разных архитектурах, поскольку кэш в них реализуется различным образом.

Еще один пример — переключение контекста. Хотя на высоком уровне для выбора потоков и переключения контекста применяется один и тот же алгоритм (сохраняется контекст предыдущего потока, загружается контекст нового и запускается новый поток), существуют архитектурные различия между его реализациями для разных процессоров. Поскольку контекст описывается состоянием процессора (его регистров и т. д.), сохраняемая и загружаемая информация зависит от архитектуры.

Как отмечалось в начале этой главы, одной из важнейших особенностей архитектуры Windows является переносимость между различными аппаратными платформами. Ключевой компонент, обеспечивающий такую переносимость, — уровень абстрагирования от оборудования (hardware abstraction layer, HAL). HAL — это загружаемый модуль режима ядра (Hal.dll), предоставляющий низкоуровневый интерфейс с аппаратной платформой, на которой выполняется Windows. Он скрывает от операционной системы специфику конкретной аппаратной платформы, в том числе ее интерфейсов ввода-вывода, контроллеров прерываний и механизмов взаимодействия между процессорами, т. е. все функции, зависимые от архитектуры и от конкретной машины.