Windows - это одна из самых известных и распространенных операционных систем в мире, которая используется на множестве компьютеров, ноутбуков, планшетов и смартфонов. Но что же находится за ее привлекательным интерфейсом и как она функционирует внутри? В этой статье мы попытаемся разобраться в основных элементах архитектуры Windows, таких как ядро, подсистемы, драйверы устройств и т.д., и понять их роль и взаимосвязь.
Что такое архитектура Windows?
Архитектура Windows - это совокупность программных и аппаратных компонентов, которые определяют, как операционная система управляет ресурсами компьютера, обеспечивает взаимодействие между приложениями и устройствами, решает проблемы и защищает данные от постороннего доступа. Архитектура Windows может быть разделена на два основных уровня: ядро (kernel) и пользовательский режим (user mode). Ядро - это низкоуровневая часть операционной системы, которая работает в специальном режиме процессора и имеет непосредственный доступ к аппаратным ресурсам. Пользовательский режим - это высокоуровневая часть операционной системы, которая работает в обычном режиме процессора и содержит разнообразные приложения и службы. Ядро и пользовательский режим общаются друг с другом через специальные механизмы, такие как системные вызовы (system calls), сообщения (messages) и объекты ядра (kernel objects).
Windows поддерживает различные архитектуры процессоров, такие как x86, x64, ARM и ARM64. Каждая архитектура имеет свои особенности, такие как размер адресного пространства, набор инструкций, регистры и т.д. Windows адаптируется к разным архитектурам с помощью специального слоя абстракции аппаратного обеспечения (hardware abstraction layer, HAL), который предоставляет единый интерфейс для доступа к аппаратным ресурсам.
Windows отличается от других операционных систем своей гибкостью и совместимостью. Windows может запускать приложения, написанные для разных API (application programming interface), таких как Win32, POSIX, WinRT и т.д., благодаря подсистемам пользовательского режима, которые реализуют эти API. Windows также может работать с разными типами устройств, таких как клавиатуры, мыши, диски, принтеры и т.д., благодаря драйверам устройств, которые обеспечивают связь между ядром и устройствами.
Ядро: сердце операционной системы
Ядро - это низкоуровневая часть операционной системы, которая работает в специальном режиме процессора и имеет непосредственный доступ к аппаратным ресурсам, таким как память, диски, процессоры и т.д. Ядро отвечает за обработку запросов от приложений и устройств, планирование потоков исполнения, синхронизацию данных, обработку прерываний и исключений, защиту памяти и т.д.
Ядро Windows имеет гибридную структуру, то есть оно состоит из нескольких компонентов, которые работают на разных уровнях абстракции. Основные компоненты ядра Windows - это:
Ядро (kernel) - это самая низкоуровневая часть ядра, которая содержит базовые функции для работы с процессором, памятью и прерываниями. Ядро также содержит диспетчер объектов (object manager), который управляет объектами ядра, такими как потоки (threads), процессы (processes), события (events), семафоры (semaphores) и т.д., и предоставляет механизмы для синхронизации и коммуникации между ними.
Слой абстракции аппаратного обеспечения (hardware abstraction layer, HAL) - это часть ядра, которая адаптирует ядро к разным архитектурам процессоров и аппаратным платформам. HAL предоставляет единый интерфейс для доступа к аппаратным ресурсам, таким как таймеры, прерывания, шины и т.д., и скрывает от ядра специфические детали реализации этих ресурсов.
Executive - это часть ядра, которая содержит высокоуровневые службы для управления системными ресурсами, такими как память (memory manager), процессы (process manager), потоки (thread manager), ввод-вывод (I/O manager), безопасность (security reference monitor), конфигурация (configuration manager) и т.д. Executive также содержит подсистему Plug and Play (PnP), которая обнаруживает, устанавливает и управляет устройствами в системе.
Драйверы - это часть ядра, которая содержит программы для работы с различными типами устройств, такими как диски, клавиатуры, мыши, принтеры и т.д. Драйверы обеспечивают связь между ядром и устройствами через стек ввода-вывода (I/O stack) и модель драйверов Windows (WDM).
Ядро Windows работает в соответствии с моделью клиент-сервер. Клиентами являются приложения и подсистемы пользовательского режима, которые отправляют запросы к ядру через системные вызовы (system calls). Серверами являются компоненты ядра, которые обрабатывают эти запросы и возвращают результаты клиентам. Системные вызовы - это специальные функции API, которые переводят процессор из обычного режима в специальный режим и передают управление ядру. Системные вызовы обычно имеют префикс Nt или Zw, например, NtCreateFile или ZwQuerySystemInformation.
Ядро Windows также работает в соответствии с моделью прерываний. Прерывания - это сигналы от аппаратных устройств или программ, которые требуют срочного внимания от ядра. Прерывания могут быть синхронными или асинхронными. Синхронные прерывания - это прерывания, которые возникают в результате действий текущего потока, например, деления на ноль или обращения к неверному адресу памяти. Асинхронные прерывания - это прерывания, которые возникают в результате действий внешних устройств, например, нажатия клавиши или прихода пакета по сети. Прерывания обрабатываются специальными функциями, называемыми обработчиками прерываний (interrupt handlers), которые выполняют необходимые действия и возвращают управление ядру.
Ядро Windows обеспечивает высокую производительность, надежность и безопасность системы за счет своей гибридной структуры, модели клиент-сервер, модели прерываний и механизмов защиты памяти и доступа к ресурсам. Ядро Windows также поддерживает многозадачность (multitasking), многопоточность (multithreading) и многопроцессорность (multiprocessing), что позволяет эффективно использовать ресурсы компьютера и выполнять несколько задач одновременно.
Подсистемы: мост между ядром и приложениями
Подсистемы - это часть операционной системы, которая работает в пользовательском режиме и предоставляет различные API (application programming interface) для приложений. API - это набор функций, констант, типов данных и структур, которые определяют, как приложение может взаимодействовать с операционной системой и использовать ее ресурсы. Подсистемы реализуют разные API для разных типов приложений, таких как Win32, POSIX, WinRT и т.д.
Win32 - это основной API для приложений Windows, который поддерживает графический интерфейс пользователя (GUI), файловую систему, сетевое взаимодействие, безопасность и т.д. Win32 состоит из двух частей: пользовательской (user) и ядерной (kernel). Пользовательская часть отвечает за работу с окнами, меню, диалогами, контролами и т.д. Ядерная часть отвечает за работу с файлами, реестром, процессами, потоками и т.д.
POSIX - это API для приложений, написанных для UNIX-подобных операционных систем, который поддерживает базовые функции для работы с файлами, процессами, сигналами и т.д. POSIX позволяет запускать на Windows приложения, которые были разработаны для других платформ.
WinRT - это API для приложений Windows Store, который поддерживает сенсорный интерфейс пользователя (touch), метро-стиль (metro-style), контракты (contracts), уведомления (notifications) и т.д. WinRT основан на объектно-ориентированной модели COM (component object model) и может быть использован из разных языков программирования, таких как C#, C++, JavaScript и т.д.
Подсистемы пользовательского режима общаются с ядром через системные вызовы (system calls), которые передают запросы от приложений к ядру и возвращают результаты от ядра к приложениям. Подсистемы также общаются друг с другом через механизмы IPC (interprocess communication), такие как каналы (pipes), очереди сообщений (message queues), разделяемая память (shared memory) и т.д.
Подсистемы пользовательского режима работают под управлением интегральной подсистемы (integral subsystem), которая выполняет системные функции от имени подсистем среды. Интегральная подсистема состоит из двух компонентов: службы локального процедурного вызова (local procedure call service, LPCS) и службы сервера процессов (process server service, PSS). LPCS отвечает за передачу сообщений между подсистемами пользовательского режима и ядром через порты LPC (local procedure call ports). PSS отвечает за создание и завершение процессов подсистем пользовательского режима.
Подсистемы пользовательского режима обеспечивают гибкость и совместимость операционной системы за счет поддержки разных API для разных типов приложений. Подсистемы также обеспечивают изоляцию и безопасность операционной системы за счет работы в обычном режиме процессора и ограничения доступа к ресурсам ядра. Подсистемы также поддерживают многозадачность (multitasking) и многопоточность (multithreading), что позволяет выполнять несколько приложений и потоков одновременно.
Драйверы устройств: связующее звено между ядром и устройствами
Драйверы устройств - это часть операционной системы, которая содержит программы для работы с различными типами устройств, такими как диски, клавиатуры, мыши, принтеры и т.д. Драйверы устройств обеспечивают связь между ядром и устройствами через стек ввода-вывода (I/O stack) и модель драйверов Windows (WDM).
Стек ввода-вывода - это набор структур данных и функций, которые определяют, как данные передаются от приложений к устройствам и обратно. Стек ввода-вывода состоит из нескольких слоев, каждый из которых содержит один или несколько драйверов устройств. Слои стека ввода-вывода - это:
Высший слой (upper layer) - это слой, который содержит драйверы устройств, которые реализуют логические функции для работы с данными, например, шифрование, сжатие, фильтрация и т.д.
Промежуточный слой (intermediate layer) - это слой, который содержит драйверы устройств, которые реализуют протоколы для работы с данными, например, SCSI, USB, TCP/IP и т.д.
Низший слой (lower layer) - это слой, который содержит драйверы устройств, которые реализуют физические функции для работы с данными, например, чтение и запись на диск, передача и прием по сети и т.д.
Модель драйверов Windows (WDM) - это стандарт для разработки драйверов устройств для Windows, который определяет общие требования и интерфейсы для драйверов устройств разных типов. WDM состоит из трех частей: WDM базовый (WDM basic), WDM расширенный (WDM extended) и WDM потоковый (WDM stream). WDM базовый определяет общие функции для всех драйверов устройств, такие как загрузка и выгрузка драйверов, обработка запросов ввода-вывода (I/O requests), обработка прерываний и т.д. WDM расширенный определяет специфические функции для драйверов устройств Plug and Play (PnP) и энергосбережения (power management), такие как обнаружение и удаление устройств, переход в разные состояния питания и т.д. WDM потоковый определяет специфические функции для драйверов устройств аудио-видео потоков (audio-video streams), такие как форматирование и обработка потоковых данных, синхронизация потоков и т.д.
Драйверы устройств обеспечивают поддержку разных типов устройств в операционной системе за счет реализации специфических функций для работы с данными на разных уровнях абстракции. Драйверы устройств также обеспечивают гибкость и совместимость операционной системы за счет поддержки механизма Plug and Play (PnP), который позволяет автоматически обнаруживать, устанавливать и управлять устройствами в системе.
Подводим итоги
В этой статье мы рассмотрели основные элементы архитектуры Windows, такие как ядро, подсистемы и драйверы устройств, и поняли их роль и взаимосвязь. Мы увидели, что архитектура Windows имеет гибридную структуру, модель клиент-сервер, модель прерываний и механизмы защиты и синхронизации. Мы также увидели, что архитектура Windows поддерживает разные архитектуры процессоров, разные API для приложений и разные типы устройств. Мы поняли, что архитектура Windows обеспечивает высокую производительность, надежность, безопасность, гибкость и совместимость операционной системы. Мы также поняли, что архитектура Windows поддерживает многозадачность, многопоточность и многопроцессорность, что позволяет эффективно использовать ресурсы компьютера и выполнять несколько задач одновременно.