Наши друзья:

Общая архитектура Windows NT

В этой главе рассматриваются ключевые архитектурные особенности и характеристики ОС Windows NT. Эти сведения необходимы для получения представления о назначении различных компонентов ОС, их взаимодействии друг с другом, а также для ознакомления с терминологией, используемой в данной книге. Кроме того, знание общей архитектуры ОС позволяет понять, какие возможности операционной системы могут задействовать средства защиты, расположенные на том или ином уровне архитектуры ОС.
Большое внимание в этой главе уделено модели драйвера, его структуре и характеристикам, а также взаимосвязи с другими драйверами и прикладными программами.

Понятия «пользовательский режим» и «режим ядра»

При обсуждении архитектуры ОС Windows NT постоянно используются понятия «режим пользователя» и «режим ядра», поэтому стоит определить, что это значит. Начнем с обсуждения разницы между пользовательским режимом и режимом ядра (user mode/kernel mode).
Пользовательский режим - наименее привилегированный режим, поддерживаемый NT; он не имеет прямого доступа к оборудованию и у него ограниченный доступ к памяти.
Режим ядра - привилегированный режим. Те части NT, которые исполняются в режиме ядра, такие как драйверы устройств и подсистемы типа Диспетчера Виртуальной Памяти, имеют прямой доступ ко всей аппаратуре и памяти.
Различия в работе программ пользовательского режима и режима ядра поддерживаются аппаратными средствами компьютера (а именно - процессором).
Большинство архитектур процессоров обеспечивают, по крайней мере, два аппаратных уровня привилегий. Аппаратный уровень привилегий процессора определяет возможное множество инструкций, которые может вызывать исполняемый в данный момент процессором код. Хотя понятия «режим пользователя» и «режим ядра» часто используются для описания кода, на самом деле это уровни привилегий, ассоциированные с процессором. Уровень привилегий накладывает три типа ограничений: 1) возможность выполнения привилегированных команд, 2) запрет обращения к данным с более высоким уровнем привилегий, 3) запрет передачи управления коду с уровнем привилегий, не равным уровню привилегий вызывающего кода.

Некоторые понятия защищенного режима

Защищенный режим является основным и наиболее естественным режимом работы 32-разрядных процессоров. Этот режим был в полной мере реализован в процессорах серии i386 и с тех пор существенных изменений не претерпел.
Защищенный режим 32-разрядных процессоров реализует поддержку следующих механизмов:
· Организация памяти, при которой используются два механизма преобразования памяти: сегментация и разбиение на страницы.
· Четырехуровневая система защиты пространства памяти и ввода/вывода.
· Переключение задач.
Сегмент - это блок пространства памяти определенного назначения, внутри которого применяется линейная адресация. Максимальный размер сегмента при 32-разрядной адресации составляет 4 Гб (232 байт). Максимальное число таких сегментов равно 213 (8192). Сегмент может иметь произвольную длину в допустимых границах.
Каждый сегмент характеризуется 8-байтной структурой данных - дескриптором сегмента, в котором, в числе прочего, указаны:
· Права доступа, которые определяют возможность чтения, записи и исполнения сегмента.
· Уровень привилегий (относится к четырехуровневой системе защиты).
На сегментации основана защита памяти. При этом не допускается:
· использовать сегменты не по назначению (нарушение прав доступа);
· обращаться к сегменту, не имея достаточных привилегий;
· адресоваться к элементам, выходящим за границы сегмента.
Страничная организация памяти позволяет использовать большее пространство памяти. При этом базовым объектом памяти служит блок фиксированного размера 4 Кб.
Физический адрес памяти, получаемый на выходе сегментного и страничного преобразования памяти, является 32-разрядным, позволяя адресовать, таким образом, до 4 Гб реально доступной физической памяти.
Четырехуровневая система привилегий предназначена для управления использованием привилегированных инструкций, а также для защиты пространства памяти и ввода/вывода.
Уровни привилегий нумеруются от 0 до 3, нулевой уровень соответствует максимальным (неограниченным) возможностям доступа и отводится для ядра ОС, Уровень 3 имеет самые ограниченные права и обычно предоставляется прикладным задачам.
Систему защиты обычно изображают в виде колец, соответствующих уровням привилегий, а сами уровни привилегий иногда называют кольцами защиты.
В зависимости от уровня привилегий осуществляется защита по доступу к привилегированным командам, по доступу к данным с более высоким уровнем привилегий и по передаче управления коду с уровнем привилегий, отличным от текущего.
Защищенный режим предоставляет средства переключения задач. Состояние каждой задачи (значения всех связанных с ней регистров процессора) может быть сохранено в специальном сегменте состояния задачи. Там же хранится карта разрешения ввода/вывода, указывающая для каждого из 64К адресов портов ввода/вывода возможность обращения к нему.
ОС NT использует два кольца защиты - 0 и 3, имея соответственно режим работы в 0 кольце - kernel mode, в 3 кольце — user mode.

Основные характеристики Windows NT

ОС NT характеризуется поддержкой следующих механизмов:
1. 1. модель модифицированного микроядра;
2. 2. эмуляция нескольких ОС;
3. 3. независимость от архитектуры процессора;
4. 4. объектная модель;
5. 5. многопоточность;
6. 6. вытесняющая многозадачность;
7. 7. виртуальная память с подкачкой страниц по требованию;
8. 8. мультипроцессорная обработка;
9. 9. интегрированная поддержка сети.

Модель модифицированного микроядра

На NT иногда ссылаются как на операционную систему на основе микроядра (microkernel-based operating system). Идея, лежащая в основе концепции микроядра, состоит в том, что все компоненты ОС за исключением небольшой основы (собственно, микроядра) исполняются как процессы пользовательского режима. Базовые компоненты в микроядре исполняются в привилегированном режиме.
Архитектура микроядра обеспечивает в системе возможность конфигурации и устойчивость к ошибкам. Поскольку подсистемы ОС типа Диспетчера Виртуальной Памяти исполняются как отдельные программы в архитектуре микроядра, их можно заменить различными реализациями, экспортирующими такой же интерфейс. Если в Диспетчере Виртуальной Памяти происходит ошибка, то, благодаря устойчивости к ошибкам в дизайне микроядра, операционная система может перезапустить его с минимальным воздействием на остальную систему.
Недостаток чистой архитектуры микроядра - низкая производительность. Любое взаимодействие между компонентами ОС при такой схеме нуждается в межпроцессном сообщении с длительными переключениями между задачами.
NT использует уникальный подход, известный как модифицированное микроядро. Он является промежуточным между чистым микроядром и монолитной структурой.
При этом подходе в пользовательском режиме работают прикладные программы и набор подсистем, относящихся к одному из двух классов - подсистемы окружения и неотъемлемые подсистемы. Подсистемы и прикладные программы реализованы как процессы, однако способ создания подсистем и интеграции их с ОС не документирован.
Подсистемы окружения предоставляют прикладным программам интерфейс программирования, специфичный для некоторых ОС (WIN32, POSIX, OS/2, DOS).
Неотъемлемые подсистемы исполняют важные функции ОС. Среди таких подсистем - подсистема безопасности, служба рабочей станции и служба сервера.
При выполнения задач, которые не могут быть выполнены в пользовательском режиме, все подсистемы ОС NT полагаются на системные сервисы, экспортируемые режимом ядра. Эти сервисы известны как «родной» API. Такой API состоит примерно из 250 функций, доступных через модуль ntdll.dll.
Прикладная программа использует интерфейс программирования, предоставляемый какой-либо одной подсистемой окружения, либо использует напрямую собственный интерфейс программирования.
В режиме ядра работает Исполнительная система NT (NT Executive). Она, сама по себе, является законченной ОС со своим интерфейсом программирования, как для пользовательского режима, так и для режима ядра.
Исполнительная система состоит из набора подсистем, Микроядра и Слоя Абстрагирования от Оборудования (HAL). Подсистемы Исполнительной системы и Микроядро находятся в едином модуле - ntoskrnl.exe. Слой Абстрагирования от Оборудования находится в модуле hal.dll. Все загруженные системой драйверы также являются частью исполнительной системы.
Каждый компонент исполнительной системы экспортирует набор функций для использования другими компонентами. Кроме того, каждый компонент исполнительной системы, за исключением диспетчера Кэша и Слоя Абстрагирования от Оборудования, реализует набор системных сервисов.