Структура системы Windows XP

Windows XP построена на основе микроядра и её архитектуру нередко называют модифицированной архитектурой микроядра. С одной стороны, Windows XP обладает модульной структурой и компактным ядром, которое представляет базовые сервисы для других компонентов операционной системы. Однако в отличие от операционных систем, построенных исключительно на архитектуре микроядра, эти компоненты (например, диспетчер памяти или файловая система) выполняются не в пользовательском режиме, а в режиме ядра. Windows XP представляет собой многоуровневую операционную систему, в которой отдельные уровни подчиняются общей иерархии, где нижние уровни обеспечивают функциональность верхних уровней. Но, в отличие от строго иерархических систем, возможны ситуации, когда между собой могут общаться несмежные уровни.

На рис.2 показана структура системы Windows XP. Уровень абстракций аппаратуры (Hardware Abstraction Layer, HAL) взаимодействует непосредственно с оборудованием, скрывая детали взаимодействия операционной системы с конкретной аппаратной платформой для остальной части системы, HAL позволяет абстрагироваться от конкретного оборудования, которое вразных системах с одной и той же архитектурой может быть различным. В большинстве случаев, компоненты, выполняемые в режиме ядра, не работают непосредственно с аппаратным обеспечением, вместо этого они вызывают функции, доступные в HAL. Поэтому компоненты режима ядра могут создаваться без учета деталей реализации, специфичных для конкретной архитектуры, таких как размер кэша и количество подключенных процессоров. HAL взаимодействует с драйверами устройств, чтобы обеспечить доступ к периферийному оборудованию.

Кроме того, уровень абстракций аппаратуры взаимодействует с микроядром. Микроядро обеспечивает основные механизмы функционирования системы, такие как планирование выполнения потоков для поддержки других компонентов режима ядра. Микроядро управляет синхронизацией потоков, обслуживанием прерываний и обработкой исключений. Кроме того, микроядро позволяет не учитывать архитектурно-зависимые функциональные возможности, например, количество прерываний в различных архитектурах. Таким образом, микроядрои HAL обеспечивают переносимость операционной системы Windows XP, позволяя работать на самом разнообразном оборудовании.

Микроядро формирует только небольшую часть пространства ядра. Пространство ядра описывает среду выполнения, в которой компоненты могут получать доступ к системной памяти и службам. Компоненты, размещаемые в пространстве ядра, выполняются в режиме ядра. Микроядро предоставляет базовые услуги другим компонентам, размещенным в пространстве ядра.

Выше уровня ядра расположены компоненты режима ядра, отвечающие за администрирование подсистем операционной системы (например, диспетчер ввода/вывода и диспетчер виртуальной памяти). Все эти компоненты называются исполняющие или управляющие программы. На рис.1 показаны основные управляющие программы. Исполняющие программы предоставляют услуги пользовательским процессам через интерфейс прикладного программирования (API - application programming interface). Этот API носит название собственного API.

Рис.2 Структурная схема системы Windows XP

Диспетчер ввода-выводаобслуживает запросы ввода данных с аппаратных устройств и вывода на них. К устройствам ввода относятся клавиатура, мышь, микрофон и сканер; к устройствам вывода - монитор, принтер и акустическая система.

Драйвер устройства является программным компонентом операционной системы и взаимодействует непосредственно с аппаратными ресурсами. Драйвер располагает специфическим для данного устройств набором команд, предназначенных для выполнения запрашиваемых операций ввода/вывода.

Контрольный монитор безопасности обеспечивает правильность осуществления политики безопасности, а также позволяет точно настроить систему и корректно запустить ее.

Большинство пользовательских процессов обращаются не к функциям собственного API, а вызывают функции API, предоставляемые системными компонентами пользовательского режима, которые называют подсистемами операционной среды. Подсистемы операционной среды представляют собой процессы, выполняемые в пользовательском режиме, которые размещаются между исполняющей программой и остальной частью пространства пользователя, экспортируя API для определённой компьютерной среды.

На верхнем уровне архитектуры Windows XP расположены процессы, выполняемые в пользовательском режиме. К ним относятся широко распространённые приложения (например, текстовые процессоры, компьютерные игры и веб-обозреватели), а также динамически подключаемые библиотеки (DLL). Библиотеки DLL - это модули, предоставляющие процессам функции и данные. API подсистемы среды состоит из модулей DLL, динамически подключаемых при вызове функции в API подсистемы. Так как библиотеки DLL подключаются динамически, это позволяет повысить модульность приложений. В случае внесения изменений в реализацию функций в DLL, достаточно будет перекомпилировать только подключаемую библиотеку, а не все использующее её приложение.

Диспетчер виртуальной памяти создаёт схему управления памятью, позволяющую выделять каждому процессу собственное большое закрытое адресное пространство, объём которого может превышать доступную физическую память.

Диспетчер конфигурации отвечает за реализацию и управление системным реестром.

Диспетчер электропитания координирует события, связанные с электропитанием, 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.

Диспетчер кэша повышает производительность файлового ввода/вывода за счёт сохранения в основной памяти дисковых данных, к которым недавно было обращение.

Диспетчер объектов создаёт, управляет и удаляет объекты и абстрактные типы данных исполнительной системы, используемые для представления таких ресурсов операционной системы, как процессы, потоки и различные синхронизирующие объекты.

В Windows XP также существуют специальные процессы пользовательского режима, называемые системными службами или службами Win32. эти процессы обычно выполняются в фоновом режиме, независимо от того, произошёл ли вход пользователя в систему, выполняя, как правило, роль приложений, работающих по схеме клиент/сервер. В качестве примера системных служб можно привести Планировщик (с помощью которого пользователи могут задавать выполнение задач в определённые моменты времени), IPsec (который контролирует безопасность Internet во время операций по передаче данных) и службу просмотра компьютеров (которая обеспечивает работу со списком компьютеров, подключённых к локальной сети).