OPERAČNÝ SYSTÉM WINDOWS NT

Transcription

1 OS 1 prednáška 9 OPERAČNÝ SYSTÉM WINDOWS NT Existuje mnoho rôznych verzií systémov Microsoft Windows, pričom operačný systém Microsoft Windows NT/2000/XP je rodinou úplne odlišnou od Windows 95/98/Me (skrátene 9x). Spoločné majú jedine grafické rozhranie a Win32 API rozhranie, nie však implementáciu týchto funkcíí. Obe dve rodiny majú inak riešené ovládače, štruktúru jadra a Windows 9x nemajú vôbec ochranu operačnej/systémovej pamäti, a preto je ich stabilita značne obmedzená. Vývoj týchto systémov smeruje k zjednoteniu oboch rodín a k prechodu na systémy NT (New Technology), čoho dôkazom je systém Windows XP (Experienced). Windows NT sú operačným systémom, ktorého architektúra je tvorená rôznymi vrstvami a sú založené na modeli klient-server. Windows NT sú tvorené kompaktným jadrom, exekutívou, nad ktorým sa budujú rôzne neprivilegované subsystémy. Jadro dáva k dispozícii elementárne funkcie pre správu procesov a pamäti, obsahuje jednotlivé subsystémy programových rozhraní pre operačné systémy ako napríklad Win32. Subsystém Win32 má pritom zvláštny význam pretože obsahuje nielen užívateľské rozhranie NT vo forme 32-bitového manažéra programov, ale tiež je zodpovedný za prevádzkovanie aplikácií DOSu a 16-bitových Windows. Jadro NT pozostáva z rady objektov, ktoré môžu s vyššími vrstvami komunikovať len prostredníctvom definovaných správ. Týmto spôsobom sa vylučuje neoprávnený a tým tiež bezpečnosť ohrozujúci prístup k jadru. Windows umožňujú prevádzku tiež viacprocesorových systémov, čo prirodzene umožňuje dosiahnutie vyššieho výkonu aplikácií. Pretože jadro tvorí viac threads (nití), môže sa v multiprocesorovom systéme samostatne rozdeliť na jednotlivé procesory. Windows NT teda dokážu prístupný hardvér optimálne využiť. Jednou zo zásad pri vývoji Windows NT rozšíriteľnosť systému, ktorá má dovoliť prispôsobenie sa výkonnejšej hardvérovej platforme bez nutnosti zmeny štruktúry systému, čo je pomocou vrstvovej architektúry a komunikácie jadra so subsystémami podľa modelu klient server dosiahnuteľné. Vlastnosti operačného systému x86. Popisované vlastnosti sa vzťahujú na Windows 2000 (verzia 5.0 Windows NT) a platformu 1) Tento operačný systém bol vyvinutý s cieľom dosiahnuť pokiaľ možno maximálnej prenositeľnosti zdrojových kódov aplikačných programov a tým zaisťuje prenositeľnosť produktov pracujúcich pod Windows. Užívateľom týchto programov zaisťuje potom jednotnosť užívateľského rozhrania a ovládania. Prenositeľnosť sa dosahuje definovaním určitej sady funkcií a služieb, ktoré systém poskytuje programátorom. Je definované rozhranie a chovanie týchto funkcií a procedúr a zaručené, že sa táto

2 definícia nebude líšiť medzi verziami OS a použitými platformami. Windows poskytujú prenositeľnosť funkcií Win32 API a tým užívateľských aplikácií, ako aj systémových ovládačov pracujúcich s natívnym kernel API. Pri programovaní samotného systému sa dbalo na jeho prenositeľnosť a skoro celý zdrojový kód systému je plne prenositeľný. Architektúrovo závislé je len jadro (rieši napríklad synchronizáciu, kontextové prepínanie multitasking a ďalšie vlastnosti špecifické pre celú architektúru) a HAL (Hardware Abstraction Layer.DLL knižnica odtieňujúca systém od vlastností hardvérov). 2) Windows 2000 je viacvláknový (multithreading) operačný systém, čo znamená že jeden proces dokáže prevádzkovať viac než jedno vlákno. V prípade viacvláknových procesov prebiehajú vlákna paralelne vedľa seba. Proces obsahuje spustiteľný program, ktorý prevádza sekvenciu jednotlivých spojitých krokov. Program obsahuje nasledujúce časti: - počiatočný kód a dáta, - privátny adresový priestor, - systémové zdroje ako sú súbory, komunikačné porty a zdroje Windows, - jedno alebo viac vlákien. Vlákno je aktuálny komponent procesu, ktorý je prevádzaný v daný čas. Proces musí obsahovať minimálne jedno vlákno ešte skôr než začne čokoľvek prevádzať. Všetky vlákna bežia v rovnakom adresovom priestore alokovanom pre daný proces a môžu používať všetky systémové zdroje priradené tomuto procesu. 3) Windows 2000 je viacúlohový (multitasking) operačný systém. Pokiaľ proces obsahuje viac než jedno vlákno, môže vykonať viac úloh (task) naraz. Viac úlohový operačný systém môže spúšťať viac úloh naraz, mikroprocesor však môže vykonávať naraz len jednu úlohu. Preto, aby Windows 2000 túto vlastnosť zabezpečili tak, aby bola pre užívateľov celkom transparentná, používa sa context switching, ktoré pracuje nasledujúcim spôsobom: - vlákno pracuje tak dlho, pokiaľ nie je prerušené operačným systémom, alebo pokiaľ nemusí čakať na zdroj, - systém uloží kontext vlákna, - systém nahraje kontext iného vlákna a spustí ho. Tento proces sa opakuje tak dlho, pokiaľ existujú vlákna čakajúce na prevedenie. 4) OS poskytuje preemptívny multitasking, čo znamená, že jednotlivé procesy - časti kódu, od ktorých požadujeme, aby bežali súčasne (napr. aplikácie), to nikdy spĺňať nebudú (na jednoprocesorových strojoch), ale jadro systému im bude postupne podľa priorít prideľovať určitý

3 čas procesora. V preemptívnom multitaskingu kontroluje operačný systém prístup k mikroprocesoru a beh vlákna preruší jedným z nasledujúcich dôvodov: - vlákno beží až do doby, ktorá mu bola pridelená a na konci tohoto prideleného času operačný systém preruší prácu vlákna a umožní ďalšiemu vláknu využívať mikroprocesor, - ak existuje iné vlákno s vyššou prioritou pripravené k spusteniu, operačný systém preruší beh práve spusteného vlákna a umožní beh vlákna s vyššou prioritou. Riadenie spúšťania a behu vlákien riadi kernel Windows ) Kernel Windows 2000 riadi prístup na mikroprocesor pomocou použitia priority procesov a vlákien tzv. priority levels. Existuje 32 úrovní (levels) číslovaných od 0 do 31, ktoré sú rozdelené do nasledujúcich skupín: - úroveň 0-15 je pre komponenty pracujúce v User mode, - úroveň je pre komponenty pracujúce v Kernel mode. Kernel Windows 2000 priraďuje automaticky každému procesu úroveň označenú ako base priority level. Túto prioritu priraďuje i vláknam vo vnútri procesu. Základnou prioritou pre procesy je tzv. single level a pre vlákna je to hodnota +/-2 od single level. Priorita vlákien sa môže na základe aktivity vlákna dynamicky meniť smerom nahor. Táto dynamika priraďovania je efektívny nástroj k využitiu mikroprocesora. 6) Vlastnosť umožňujúca spustenie ľubovalnej funkcie operačného systému ľubovolne-krát naraz je reentrantnosť systémového kódu a je určitým spôsobom vyžadovaná multitaskingom. 7) Multiprocessing znamená, že operačný systém je shopný využiť výkon dvoch a viac mikroprocesorov. Windows 2000 podoporujú symetrický multiprocessing, čo znamená, že operačný systém vykonáva systémové i aplikačné procesy na všetkých mikroprocesoroch. Windows 2000 naviac kombinujú SMP s multitaskingom. Kernel tak dokáže rozdeliť čakajúce vlákna všetkých procesov medzi všetky mikroprocesory a zrýchliť tak ich vykonávanie. 8) Pamäťový model Windows 2000 je založený na plochom lineárnom 32-bitovom adresovom priestore. Systém poskytuje virtuálnu pamäť všetkým procesom. Každý proces má k dispozícii rovnako veľkú pamäť 4 GB. Systém obsahuje Správcu virtuálnej pamäti (Virtual Memory -VMM), ktorý poskytuje každému procesu vlastný privátny pamäťový priestor. Systém tým umožňuje spustiť oveľa viac aplikácií súčasne, než koľko umožňuje fyzická pamäť počítača a zaručuje ochranu pamäťových zdrojov. VMM zabráni procesom vzájomne si zasahovať do cudzieho adresového priestoru. Každý program je bezpečný proti ostatným programom a tým je i zaručená stabilita operačného systému. VMM spravuje pamäť:

4 - udržiava tabuľku memory-mapping, ktorá obsahuje zoznam virtuálnych adries náležiacich každému procesu a kde dáta odkazované týmito adresami ležia vo fyzickej pamäti, - presúva obsah pamäti na disk a späť, keď sú dáta požadované paging. 9) Integrovaná vyrovnávacia pamäť diskových operácií pracuje na princípe zrýchleného prístupu na pomalé záznamové médium (harddisk, alebo CD-ROM) dočasným uložením spracovávaných dát v pamäti. Operačný systém a jeho komponent Správca vyrovnávacej pamäti Cache pri prvom čítaní/zápise súboru načíta jeho určitú časť do pamäti a ďalšie požiadavky sa vykonávajú už s touto pamäťou bez nutnosti prístupu na disk. Požiadavky na systém: HW požiadavky na systém Windows 2000 závisia od jeho cieľového využitia. Pri sieťovom využití minimálne požiadavky na prevádzku systému Windows 2000 Server (s podporou počítačov s najviac štyrmi procesormi) sú: - procesor kompatibilný s procesorom Pentium o rýchlosti 133MHz a vyššej, - doporučené množstvo minimálne 256 MB pamäti RAM, - pevný disk s kapacitou 2 GB a najmenej 1 GB voľného miesta.

5 Architektúra operačného systému Windows 2000 je viacvláknový (multithreading) a viacúlohový (multitasking) operačný systém schopný práce na systémoch s viac procesormi (multiprocessing). Jedná sa o viacužívateľský operačný systém (multiuser). Architektúra Windows NT/2000 je založená na dvoch typoch technológií na technológii vzájomne komunikujúcich vrstiev a na technológii klient-server. Operačný systém Windows NT/2000 je zložený z jednotlivých vrstiev, ktoré medzi sebou navzájom komunikujú. Každá vrstva má na starosti určitú časť operačného systému, ktorá sa skladá z jednotlivých subsystémov, ktoré spolu komunikujú na báze technológie klient-server. POSIX application Win32 application OS/2 application Environment subsystems POSIX subsyste m Integral subsystems Win 32 subsyste m Executive Services OS/2 subsyste m Integral subsyste m User mode Kernel mode I/O Security Reference Monitor IPC Memory Power Plug and Play Process Window File systems Device drivers Object Microkernel Graphics device drivers Hardware abstraction layer (HAL) Executive Hardware Obr. : Schéma architektúry Windows 2000 Základ architektúry je tvorený dvomi hlavnými vrstvami User mode a Kernel mode. Vrstva User mode Windows 2000 majú vo vrstve User mode dva typy komponentov Environment subsystems a Integral subsystems.

6 Jednou z vlastností Windows 2000 je schopnosť spúšťať aplikácie napísané pre iný operačný systém, čo sa docieli pomocou Environment subsystems (subsystémy prostredia). Tieto emulujú odlišný operačný systém pomocou prezentácie aplikačného programovacieho rozhrania (API), ktoré daná aplikácia požaduje pre svoju činnosť. Environment subsystems akceptujú volanie API vytvorené danou aplikáciou, prekladajú ho do formátu API, ktorému rozumie Windows 2000 a preložené ho posielajú do Executive services k spracovaniu. Environment subsystems Windows bit subsystem (Win32) OS/2 subsystem POSIX subsystem Funkcia Odpovedný za chod Win32 aplikácií, poskytuje prostredie pre chod Win16 a DOS Poskytuje API rozhranie pre 16-bitové znakovo orientované aplikácie Poskytuje API rozhranie pre aplikácie POSIX Tab. : Zoznam jednotlivých aplikačných subsystémov Uvedené subsystémy a aplikácie majú určité limity pre svoj beh: - nemajú priamy prístup k hardvéru, ani k hardwérovým ovládačom, - majú obmedzenú možnosť adresovania pamäti - sú prinútené odložiť obsah pamäti RAM na disk, ak systém požaduje pamäť, - bežia na nižšej priorite než procesy v Kernel mode, čo zapríčiňuje, že majú procesy v subsystémoch menšiu frekvenciu prístupu k procesoru (CPU). Integral subsystems predstavuje mnoho rôznych subsystémov.väščina odlišných integrálnych subsystémov prevádza základné funkcie operačného systému. Integral subsystem Security subsystem Workstation service Server service Funkcia Sleduje práva a povolenia priradené užívateľským účtom. Sieťový integrálny subsystém, ktorý poskytuje API pre prístup na sieťový redirektor. Umožňuje užívateľovi Windows 2000 pristupovať k sieťovým službám. Sieťový integrálny subsystém, ktorý poskytuje API pre prístup na sieťový server. Umožňuje počítaču s Windows 2000 poskytovať sieťové služby.

7 Tab. : Zoznam niektorých integrálnych subsystémov Vrstva Kernel mode Kernel mode má prístup k systémovým dátam a k hardvéru a poskytuje priamy prístup do pamäti a beh procesov v izolovaných pamäťových oblastiach. Kernel mode sa skladá zo štyroch základných častí. Windows 2000 Executive Komponent, ktorý prevádza väčšinu vstupov a výstupov (I/O) a správu objektov vrátane bezpečnosti. Neprevádza I/O operácie pre obrazovku a klávesnicu, tieto funkcie prevádza Win32 subsystém. Windows 2000 Executive obsahuje komponenty, ktoré poskytujú nasledujúce služby a postupy: - system services tieto služby sú dostupné tak užívateľskému módu, ako i ostatným komponentom Windows 2000 Executive, - internal routines - tieto služby sú dostupné len komponentom Windows 2000 Executive. Komponent I/O Security reference monitor Interprocess Comunication clients and (IPC) Virtual Funkcia Riadi vstup a poskytuje výstup pre rôzne zariadenia. Skladá sa z nasledujúcich komponentov: File systems: prijíma I/O požiadavky a tieto požiadavky prekladá na špecifické volania zariadenia. Device drivers: ovládače na najnižšej vrstve, ktoré priamo manipulujú s hardvérom za účelom prijatia vstupu a zápisu výstupu. Cache manager: zvyšuje rýchlosť I/O diskových operácií tým, že si čítanie z disku ukladá do pamäti. Ďalej zvyšuje rýchlosť zápisu tým, že si ukladá požiadavky na zápis do pamäti a vlastný zápis potom prevádza na pozadí. Presadzuje bezpečnostnú politiku na lokálnom počítači. Riadi komunikáciu medzi servermi. Skladá sa z nasledujúcich dvoch komponentov: Local Procedure Call (LPC): riadi komunikáciu medzi klientom a serverom, pokiaľ obaja existujú na jednom počítači. Remote Procedure Call (RPC): riadi komunikáciu medzi klientom a serverom, pokiaľ obaja existujú na rôznom počítači. Realizuje a riadi virtuálnu pamäť, správu pamäťového systému, ktorý

8 Memory Process Plug and Play Power Window and Graphical Device Interface (GDI) Object poskytuje privátny adresný priestor pre každý proces a chráni adresový priestor pred všetkými procesmi. VMM tiež riadi stánkovanie na žiadosť, ktoré umožňuje využiť diskový priestor pre odloženie procesov a dát z fyzickej pamäti RAM na disk a späť. Vytvára a uskutočňuje procesy a vlákna (proces je program alebo časť programu, vlákno je špecifická skupina príkazov vo vnútri programu). Umožňuje pozastavenie a znovuspustenie vlákien, ukladanie a získavanie informácií o procesoch a vláknach. Udržuje centrálne riadenie Plug and Play procesov, komunikuje s ovládačmi zariadení, priamo riadi ovládače za účelom ich pridania a spustenia. Riadi power management API, koordinuje udalosti týkajúce sa napájania a generuje žiadosti týkajúce sa napájania. Tieto dva komponeny implementované ako jeden ovládač zariadenia (Win32k.sys), riadia systém zobrazovania. Poskytujú nasledovné funkcie: Window : spravuje zobrazenie okien a riadi výstup na obrazovku. Tento komponent je tiež zodpovedný za príjem vstupu z klávesnice a myši a za poslanie týchto vstupov aplikácii, ktorá ich príjme. GDI: obsahuje funkcie, ktorré sú zodpovedné za kreslenie a za manipuláciu s grafikou. Vytvára, riadi a maže objekty, ktoré predstavujú zdroje operačného systému ako sú procesy, vlákna a dátové štruktúry. Tab. : Komponenty vrstvy Windows 2000 executive Device Drivers Prekladá volanie ovládača zariadenia na obsluhu hardvéru zariadení. Microkernel Tento komponent riadi len mikroprocesor. Kernel koordinuje všetky I/O funkcie a synchronizuje aktivity Executive Services. Hardware Abstraction Layer Tento komponent virtualizuje, resp. schováva detaily o hardvérových zariadeniach, čím zaručuje prenositeľnosť Windows 2000 medzi viacerými druhmi hardvérových architektúr. Vrstva HAL obsahuje kód pre špecifický druh hardvéru, ktorý riadi I/O operácie, prerušenie zariadení a komunikáciu medzi viac procesormi, čím umožňuje beh Windows 2000 tak na platforme Intel, ako

9 aj na platforme Alpha, len výmenou vrstvy HAL bez potreby meniť celú vrstvu Windows 2000 Executive.