КаталогИндекс раздела


ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ #01/99

Архитектура ядра Windows NT 5.0

Дэвид Соломон

Когда в 1989 году Microsoft приступила к разработке Windows NT, было выдвинуто несколько ключевых требований к новой операционной системе. Это должна была быть полностью 32-разрядная ОС, способная работать на многочисленных аппаратных платформах с разной архитектурой.

NT задумывалась как распределенная, клиент-серверная ОС, поддерживающая симметричные многопроцессорные аппаратные платформы. Сегодня разработчики наносят завершающие штрихи в своем новом творении - Windows NT 5.0 [оригинальная статья была опубликована в IEEE Computer до того, как Microsoft объявила новое название своей ОС - Windows 2000 - Прим. перев.], однако теперь, почти десять лет спустя, когда компания вносит завершающие штрихи в свое творение, можно с уверенностью сказать, что фундаментальные основы архитектуры NT в версии 5.0 не были изменены.

Кроме того, от NT требовалась, совместимость со стандартом POSIX 1003.1, поддержка Unicode для адаптации к требованиям мирового рынка, выполнение большинство существующих 16-разрядных приложений для MS-DOS и Windows 3.х. Разработчики должны были обеспечить переносимость, надежность, совместимость "снизу-вверх", высокую производительность и возможность расширения в соответствии с меняющимися требованиями рынка. Сегодня, почти десять лет спустя, можно с уверенностью сказать, что фундаментальные основы архитектуры NT в версии 5.0 не были изменены. Да, были добавлены новые операционные и сетевые возможности, однако, ядро не было переписано, а лишь расширено. Попытаемся в данной статье дать краткий обзор архитектуры Windows NT 5.0, рассмотрев такие ее черты как plug-and-play, объекты "Задание", поддержка непосредственно адресуемой большой памяти (подробную информацию о NT 5.0 и ее новых чертах можно найти по адресу http://www.microsoft.com/windowsnt5).

Архитектура системы

На рис. 1 приведена общая архитектура Windows NT и ее компонентов. Элементы над разделительной линией представляют собой процессы пользовательского режима, а под ней располагаются процессы операционной системы, выполняемые ядром. Потоки пользовательского режима выполняются в защищенном адресном пространстве. Однако, во время их выполнения в режиме ядра, они получают доступ к системному пространству. Таким образом, системные процессы, процессы сервера (службы), подсистема среды или пользовательское приложение имеют свое собственное адресное пространство.

Рис.1 Архитектура Windows NT и ее компонентов

Режим ядра

Важные для производительности операционной системы компоненты выполняются в режиме ядра, где они взаимодействуют с оборудованием и друг с другом без использования переключателей контекста и смены режимов. Например, менеджер памяти, менеджер кэш-памяти, менеджер объектов, менеджер системы безопасности, сетевые протоколы, файловые системы, управление потоками и процессами работают в режиме ядра. Все эти компоненты полностью защищены от выполняемых приложений, которые не имеют прямого доступа к коду и данным из привилегированной части операционной системы.

Компоненты режима ядра Windows NT спроектированы на основе принципов построения объектно-ориентированных систем. Например, они не работают напрямую со структурами данных, поддерживаемых индивидуальными компонентами. Вместо этого для передачи параметров, доступа и/или модификации структур данных они используют формальный интерфейс. Вместе с тем, несмотря на повсеместное использование объектов для представления разделяемых системных ресурсов, Windows NT не является объектно-ориентированной системой в точном смысле этого понятия, поскольку основная часть кода системы написана на Си из соображений обеспечения высокой скорости выполнения и переносимости.

В режиме ядра выполняются следующие компоненты ОС:

Исполняемая часть

Исполняемая часть Windows NT - верхний слой программы - ядра NTOSKRNL.EXE. (Само ядро - это нижний слой). Исполняемая часть содержит следующие компоненты.

Кроме того, исполняемая часть включает четыре главных группы функций, используемых только что перечисленными компонентами.

Ядро

Ядро NTOSKRNL.EXE выполняет большинство основных операций NT, определяющих порядок использования процессора: диспетчеризация потоков; диспетчеризация и обработка исключений; cинхронизация работы процессоров; обеспечение базовых объектов ядра, которые используются исполняемой частью (и в некоторых случаях экспортируются в режим пользователя).

В отличие от остальной исполняемой части операционной системы, ядро никогда не выгружается из оперативной памяти, его выполнение никогда не прерывается другими потоками. Код ядра написан в основном на Си, а части, дающие наибольшую нагрузку на процессор, на языке Ассемблере.

Объекты ядра. Одна из функций ядра - обеспечение низкоуровневой базы для хорошо определенных примитивов операционной системы, которые обеспечивают работу компонентов высшего уровня. Ядро изолирует само себя от остальной части ОС, что позволяет вынести принятие политических решений из ядра, за исключением диспетчеризации потоков. Ядро использует набор простейших объектов, называемых объектами ядра, позволяющих управлять работой центрального процессора и порядком создания вычисляемых объектов. Большинство вычисляемых объектов включает в себя один или более объектов ядра, включая определенные ядром атрибуты. Один из наборов объектов называется объектами управления и включает объект процесса ядра, объект АРС, объект процедуры отложенного вызова DPC (Deferred Procedure Call) и несколько объектов, используемых системой ввода/вывода (например, объект обработки прерывания).

Другой набор объектов ядра - объекты диспетчеризации, включает объекты синхронизации потоков, поток ядра, mutex, объекты события, семафора, таймера, таймера ожидания и ряд других.

Поддержка оборудования. Другой главнейшей задачей ядра является абстрагирование (или изоляция) исполняемой части и драйверов устройств от различий микропроцессорных платформ, на которых способна работать Windows NT: х86 и Alpha AXP. Специфичные для архитектуры функции (такие, как контекстное переключение потока) реализованы в ядре. Функции, которые могут отличаться от машины к машине, реализованы в составе HAL.

Ядро поддерживает набор интерфейсов, семантически идентичных для всех архитектур. Некоторые из интерфейсов реализованы по-разному для разных архитектур, однако, и идентичны внешне интерфейсы реализованы с помощью специфичного для архитектуры кода. Независимый от архитектуры интерфейс может быть вызван на любой машине, и его семантика будет той же, несмотря на то, зависит ли код от архитектуры или нет. Некоторые интерфейсы ядра (например, процедуры синхронизации SMP) реализованы в HAL, поскольку их реализация может изменяться даже внутри одного семейства компьютеров. В качестве примера зависящего от архитектуры кода можно назвать также поддержку кэша центрального процессора.

Абстракция от оборудования

Загружаемый модуль ядра HAL обеспечивает низкоуровневый интерфейс с аппаратной платформой, что позволяет скрыть такие зависимые от аппаратуры детали, как интерфейс ввода/вывода, контроллеры прерываний, механизм обмена данными между процессорами - любые аппаратно-зависимые и специфические для архитектуры функции.

Драйверы устройств. Драйверы устройств - это загружаемые модули, которые работают в режиме ядра, обеспечивая интерфейс между системой ввода/ вывода и соответствующим оборудованием. Названия этих модулей обычно имеют расширение .SYS. Все они, как правило, написаны на Си (иногда С++) с использованием вызовов процедур HAL и могут быть переносимыми на уровне двоичного кода между платформами, поддерживаемыми NT. Имеется несколько типов драйверов устройств:

Поскольку установка драйверов устройств является единственным способом добавить к системе пользовательский код, работающий в режиме ядра, то некоторые программисты могут рассматривать написание драйверов устройств как способ доступа к внутренним функциям и структурам данных операционной системы, недоступным из пользовательского режима.

Пользовательские процессы

Имеется четыре базовых типа пользовательских процессов.

Подсистемы среды и библиотеки DLL

Как видно из рис. 1, Windows NT имеет три подсистемы среды (Win32, Posix и OS/2 2.1), которые работают только на платформе х86. Подсистема Win32 специфична для Windows NT и не может работать вне нее.

Каждая из подсистем обеспечивает пользовательским приложениям доступ к разным поднаборам служб Windows NT. Это означает, что некоторые вещи могут быть сделаны из приложения, построенного на одной подсистеме, и не возможны из приложения, построенного в другой подсистеме. Так, приложение для Win32 не может использовать функцию fork подсистемы Posix.

Каждый исполняемый модуль связывается с одной и только одной подсистемой. Когда начинается выполнение модуля, изучается тип кода его заголовка, что позволяет определить подсистему среды для создания новых процессов.

Пользовательские процессы не вызывают службы NT напрямую, а используют библиотеки динамических связей (DLL) соответствующей подсистемы среды. Роль библиотек, принадлежащих подсистеме среды, в том, чтобы транслировать документированные функции среды в соответствующие вызовы недокументированных служб NT. Эти библиотеки DLL экспортируют документированный интерфейс, который могут вызывать связанные с подсистемой программы. Например, библиотеки DLL подсистемы Win32 используют функции Win32 API. Библиотека DLL подсистемы Posix использует функции Posix 1003.1 API.

Подсистема Win32. Главные компоненты подсистемы Win32 - процесс подсистемы среды и драйвер режима ядра. Процесс подсистемы среды поддерживает:

Драйвер режима ядра поддерживает:

Приложения вызывают стандартные функции для создания окон и кнопок на дисплее. Менеджер окон передает эти запросы драйверам графических устройств через интерфейс графических устройств GDI, где они форматируются для вывода средствами конкретных устройств. GDI обеспечивает набор стандартных функций, позволяющих приложениям общаться с графическими устройствами, включая дисплеи и принтеры, без конкретных знаний о них. GDI интерпретирует запросы приложений на графический вывод и посылает их драйверам графических дисплеев. Этот интерфейс позволяет создавать код приложения, независимый от конкретных устройств и их драйверов.

NTDLL.DLL - это специальная система поддержки DLL - библиотек. Она содержит два типа функций.

Новые черты ядра NT 5.0

Несмотря на декларируемую расширяемость архитектуры Windows NT, некоторые нововведения в NT 5.0 (plug-and-play, управление электропитанием, объекты "Задание", управление большой памятью для компьютеров Alpha) повлекли, тем не менее, серьезные структурные изменения в архитектуре ядра.

Plug-and-play

Технология Plug-and-play (PnP) поддерживается комбинацией аппаратного и программного обеспечения, позволяющей распознавать и настраивать аппаратные изменения в конфигурации почти без вмешательства пользователя. Можно динамично добавлять и удалять устройства без необходимости реконфигурации системы и знания сложного компьютерного оборудования.

Эволюция PnP. Впервые концепция PnP была реализована в ОС Windows 95, но с того времени эта технология получила существенное развитие в плане управления системой, конфигурирования устройств и управления энергопотреблением, особенно благодаря инициативной проектной группе OnNow. Одним из результатов работы этой группы стала спецификация ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) версии 1.0, определившая новый дизайн материнских плат и BIOS, обеспечивающий управление энергопотреблением и новые конфигурационные возможности под полным управлением операционной системы.

Методы распознавания оборудования, определенные спецификацией ACPI, не зависят от операционной системы или типа центрального процессора. ACPI определяет интерфейс функций PnP и управления энергопотреблением на уровне регистров и дает описательный интерфейс для новых возможностей оборудования. Это позволяет проектировщикам создавать широкий диапазон новых устройств с использованием тех же драйверов операционной системы. ACPI обеспечивает также типовой, базирующийся на системных событиях механизм управления PnP и управления энергопотреблением.

Реализация в Windows NT 5.0. При проектировании архитектуры PnP в Windows NT 5.0 ставились две основные цели:

Поддержка PnP в 5.0 включает начальную инсталляцию системы, распознавание изменений оборудования произошедших между отдельными загрузками системы, отклик системы на такие события времени исполнения, как подключение/отключение ноутбука компьютера к док-станции, подсоединение/отсоединение периферийных устройств.

Драйверы PnP не назначают устройствам собственные ресурсы. Вместо этого требуемые ресурсы идентифицируются системой во время распознавания устройств. Основываясь на запросах устройств на ресурсы, диспетчер PnP назначает соответствующие аппаратные ресурсы (например, порты ввода/вывода, каналы DMA и т.д.), распределяет память. Диспетчер PnP реконфигурирует назначенные ресурсы по необходимости, когда устройства добавляются к системе и запрашивают уже распределенные ресурсы. Кроме того, диспетчер PnP определяет, какие драйверы требуются для поддержки конкретных устройств, и загружает эти драйверы.

Одна из ключевых черт PnP и системы управления энергопотреблением - это динамическая обработка событий. Примерами таких событий могут быть добавление или удаление устройств, включение/выключение режима пониженного энергопотребления. PnP и система управления энергопотреблением, используя функции WDM, обрабатывают динамические события сходным образом.

Изменения в драйверах. Поддержка PnP в Windows NT 5.0 потребовала внести ряд изменений в ранее разработанную модель драйверов Windows NT:

Драйверы шины отделены от HAL для координации с изменениями и расширениями существующих компонентов режима ядра (исполняемая часть, драйверы ядра, HAL). Драйверы шины управляют шиной ввода/вывода, включая управление отдельными слотами, независимыми от устройств.

Новые методы и возможности для поддержки установки устройств и конфигурации потребовали изменения таких существующих компонентов режима пользователя, как диспетчер буфера вывода, установщики классов, приложений Control Panel, Setup. Добавлены новые компоненты для поддержки PnP как в режиме ядра, так и в режиме пользователя.

Добавлены интерфейсы PnP API для чтения и записи информации из реестра (registry). Теперь структура регистра поддерживает PnP и позволяет вносить совершенствования в будущих версиях NT, в то же время обеспечивая совместимость снизу вверх.

Windows NT 5.0 будет поддерживать унаследованные драйверы, но их использование уменьшит возможности системы в области поддержки PnP. Производителям, желающим реализовать полные возможности PnP для своего оборудования и использовать одни и те же драйверы под NT и и Windows 98, необходимо разработать новые драйверы, интегрирующие последние достижения технологии PnP и управления энергопотреблением.

Объект "Задание"

Windows NT 5.0 включает расширение модели процессов. "Задание" - это поименованный, безопасный, разделяемый объект, управляющий некоторыми атрибутами процессов. Его главная задача - управлять и манипулировать группой процессов как самостоятельной единицей. В ряде случаев этот объект компенсирует отсутствие в NT структурированного дерева процессов. Объект "Задание" также записывает базовую учетную информацию обо всех процессах, ассоциированных с ним, и позволяет накладывать на связанные с ним процессы: ограничения на время использования процессора в режиме пользователя; ограничение на время использования процессора в режиме пользователя каждым из процессов; максимальное число активных процессов; класс приоритета процесса "Задание".

Задания могут быть выстроены в очередь к объекту "Порт" для завершения операций ввода/вывода. Могут быть заданы границы безопасности на процессы в задании. В завершение всего, могут быть определены ограничения на пользовательские интерфейсы для процессов, например, на операции чтения и/или записи в clipboard, открытия принадлежащих потоку обработчиков окон за пределами "Задания", изменения параметров системы через функцию Win32 SystemParametersInfo.

Управление памятью большой емкости

В Windows NT 5.0 добавлено расширение VLM (Very Large Memory), позволяющее непосредственно адресовать 28 Гбайт оперативной памяти компьютеров на платформе Alpha. Сейчас VLM не предназначается для семейства процессоров х86, но в Microsoft готовят единую 64-разрядную версию NT для платформ Alpha AXP и будущей архитектуры Intel IA-64.

В NT 4.0 поддерживалась 64-разрядная адресация в операциях ввода/вывода, но каждый процесс все же ограничивался использованием 2-гигабайтного пространства (3 Гбайт для Windows NT Server Enterprise Edition). В 1997 году Microsoft объявила о своем намерении создать полную 64-разрядную версию NT, имея в виду, что каждый 64-разрядный процесс будет наделен адресным пространством по крайней мере в 512 Гбайт. Причина перехода к 64-разрядной платформе та же, что и для перехода от 16-разрядных систем к 32-разрядным - это постоянно возрастающие требования к хранению и обработке огромных объемов данных в памяти компьютеров.

VLM позволяет использовать в приложениях 64-разрядные указатели, получая, таким образом, прямой доступ к адресному пространству свыше 2 Гбайт. Это необходимо для удовлетворения нужд приложений, работающих с большими объемами информации (например, СУБД), для которых ограничение адресного пространства цифрой 2-3 Гбайт неприемлемо. Для адресации 28 Гбайт памяти и использования 64-разрядных указателей на системах Alpha в версию языка Visual C++ 5.0 добавлены указатели _ptr64 и небольшой набор новых интерфейсов Win32 API для работы с ними. В 64-разрядной версии NT будет использоваться программный интерфейс Win64, обеспечивающий перенос приложений с Win32 и компиляцию исходного кода в двоичный как в 32-разрядном, так и в 64-разрядном режимах. Предполагается, что "младший" режим будет использоваться для выполнения существующих 32-разрядных приложений на платформах Alpha и Merced, а новые 64-разрядные приложения будут выполняться уже в "родном" 64-разрядном режиме. Однако одновременная смесь двух режимов в одном процессе допускаться не будет.

Пока же VLM содержит существенное ограничение на виртуальные адреса при работе с 64-разрядными указателями: такие адреса должны быть поддержаны зарезервированной физической памятью - другими словами, вся подразумеваемая память должна быть обеспечена физической памятью, доступной в момент адресации. Недостающие страницы памяти никогда не берутся по адресам VLM, если эти адреса не используются для отражения реального файла данных. Каждая страница будет отсутствовать только один раз при первом обращении, затем она блокируется в памяти и никогда не удаляется. Несмотря на это ограничение, VLM отвечает потребностям приложений, которые требуют быстрого доступа к большим порциям памяти.

Резюме

Архитектура Windows NT отражает современные представления о дизайне 32-разрядной операционной системы, а версия Windows NT 5.0 удовлетворяет постоянно меняющимся требованиям, предъявляемым к операционной системе для настольных систем и рабочих станций. Эта версия также может работать с высокоуровневыми серверными приложениями.

David A. Solomon, The Windows NT Kernel Architecture. IEEE Computer, October 1998, pp. 40-47. Reprinted with Permission, Copyright IEEE CS, 1998. All rights reserved.


Об авторе

Дэвид Соломон - руководитель David Solomon Expert Seminars, семинаров для преподавателей по структуре Windows NT и системному программированию. Автор книг Inside Windows NT (Microsoft Press) и Windows NT for OpenVMS Professionals (Digital Press/Butterworth Heinemann). Начав свою трудовую карьеру как консультант по программному обеспечению в корпорации Digital Equipment, затем девять лет работал в качестве руководителя проекта в группе разработчиков ОС VMS. Соломон является также техническим руководителем ряда конференций по Windows NT.


Активный каталог

Одной из наиболее важных новых черт Windows NT 5.0 является активный каталог (Active Directory), призванный упростить администрирование больших сетей на NT. Активный каталог играет ключевую роль в улучшении безопасности распределенных систем.

В данном каталоге хранится информация обо всех ресурсах сети и, через простой интерфейс, обеспечивается доступ и использование этой информации для разработчиков, администраторов и пользователей. Модель данных активного каталога имеет много общего с концепцией X.500 - здесь содержатся объекты, представляющие различные ресурсы, описываемые атрибутами. Список объектов и атрибутов для каждого класса объектов определяется схемой. Структура активного каталога имеет следующие ключевые свойства:

Программируемость и расширяемость - важные свойства активного каталога, поскольку-независимо от установленных служб разработчики и администраторы имеют дело с простым набором интерфейсов. Программируемый интерфейс ADSI (Active Directory Service Interface) доступен из любого языка программирования. Для программистов на языке Си активный каталог доступен также через низкоуровневый API-интерфейс LDAP.


Система безопасности распределенных систем

Система безопасности распределенных систем Windows NT 5.0 имеет много новых черт, упрощающих администрирование узлов, повышающих производительность и включает интегрированную технологию Internet c кодированием ключей доступа.

Активный каталог обеспечивает запоминание учетной информации для всех узлов, доступных для удаленного администрирования. Поддерживается многоуровневое иерархическое дерево для хранения имен пользователей, групп и учетной информации по машине. Учетные номера могут быть сгруппированы, в отличие от предыдущих версий, в организационные единицы. Управление разрешенными взаимосвязями между узлами сети упрощается благодаря дереву доменов. Права администраторов по созданию и управлению пользователями и группами могут быть делегированы на уровень организационных единиц. Правами доступа могут быть наделены индивидуальные пользовательские объекты, чтобы, например, разрешить переустановку пароля, но без права изменения другой учетной информации.

Windows NT 5.0 имеет новую систему аутентификации пользователей, основанную на стандартных протоколах безопасности Internet, включая версию Kerberos 5.0 и TLS (Transport Layer Protocol), а также поддержку протоколов NT LAN Manager для целей совместимости. Протоколы безопасности поддерживают работу с удостоверениями личности пользователей в форме сертификатов открытых ключей к существующим учетным номерам Windows NT. Для управления доступом и учетной информацией используется общий инструмент администрирования. Для организаций, выпускающих сертификаты Х.509 версии 3 в Windows NT предлагается Microsoft Certificate Server. В системе вводится управление сертификатами CryptoAPI и модули для обработки сертификатов общественных ключей, включая сертификаты стандартного формата, выпущенные службой коммерческих сертификатов, третьей стороной, либо Microsoft Certificate Server.


КаталогИндекс раздела