Графические операционные системы

Наиболее распространенной средой программных продуктов в настоящее время по праву является Windows, разработанная корпорацией Microsoft в расчете на самый широкий круг пользователей.

Windows предлагает пользователю оконный интерфейс, в котором каждой выполняемой программе отводится экранное окно которое может занимать часть экрана или весь экран. Программы, специально спроектированные для таких оконных сред, могут пользоваться всеми их преимуществами. Вид пользовательского экрана с перекрывающимися окнами различных прикладных программ достаточно наглядно демонстрируют возможности среды по одновременному использованию нескольких программ и передаче данных между ними (рис. 1.1).

Пользователь работает с приложением, находящимся самом “верхнем” окне, но простым щелчком мыши на другом окне он может активизировать другую программу. Кроме того, уже в своих ранних версиях Windows позволяла копировать информацию из окна одной программы в окно другой программы при помощи средства clipboard - буфера обмена.

 Графический режим Windows, как и графический режим любой другой графической операционной среды (Windows NТ,ОS/2, Soleras, Motif ) имеет мало общего с знакоместным графическим режимом, доступным во многих программах для МS-DОS, всегда размещающих на экране стандартное количество символов, например 8Оx25 или 80x43. Windows (а следовательно, и любая Windows -программа) позиционирует графические объекты с точностью до пикселя.

 Размеры таких объектов Windows, как элементы окон, кнопки и значки стандартизованы. Для отображения системных сообщений и наименований команд меню Windows применяет соответствующие растровые (матричные) шрифты, имеющие различные типоразмеры для работы в режимах низкого и высокого разрешения. Для подготовки документов, содержащих текст, Windows позволяет использовать масштабируемые шрифты, применяемые как для экранного вывода, так и для распечатки па принтере. Благодаря этому в процессе подготовки документа можно видеть на экране практически то же, что будет получено на бумаге.

 Графическая подсистема Windows использует универсальные методы обращения к любым графическим устройствам вывода, будь то видеосистема ЕGА или super VGA, лазерный принтер или автомат для вывода типографских форм. Стандартизован интерфейс Windows, конечно, не с самими дисплеем и принтером, а с драйверами этих устройств, причем драйверов в комплект поставки системы Windows входит великое множество.

 Выпуск графической операционной оболочки Microsoft Windows 3.0 стал главным событием 1990 года на программном рынке, затмившим одновременное появление IBM OS/2 1.3. Кроме приятного пользовательского интерфейса среда Windows предоставляла значительный комплекс услуг.

 С системой поставлялось большое количество драйверов для самых разных моделей устройств ввода-вывода, таких как видеоадаптеры и принтеры. Широчайшая аппаратная совместимость была одним из факторов успеха Windows. Комплект Windows 3.0 содержал несколько вариантов драйверов для разных моделей клавиатур, мышей и видеоадаптеров и большое количество драйверов принтеров. В Multimedia для Windows 3.0, а затем в Windows 3.1 появились драйверы звуковых карт, МIDI устройств и синтезаторов. Количество наименований поддерживаемых устройств быстро росло...

 1.1.2. Windows 3.Х

 С точки зрения массового пользователя, не избалованного OS/2, Windows 3.0 была действительно передовой средой. Она использовала весь объем памяти, адресуемой микропроцессорами 80286, 80386 и выше. С 32-разрядными микропроцессорами (80386 и выше) и при наличии не менее 2 Мбайт памяти Windows 3.0 могла использовать виртуальную память, то есть работать с некоторым пространством на жестком диске как с продолжением оперативной памяти компьютера, размещая в нем данные и код программ.

 Windows имела многозадачные возможности с кооперативным использованием процессорного времени “одновременно” работающими приложениями. Кооперативную

 многозадачность можно назвать многозадачностью “второй ступени” поскольку она использует более передовые методы, чем .простое переключение задач, реализованное многими известными программами (например, МS-DOS shell из МS-DOS 5.0 при простом переключении активная программа получает все процессорное время, а фоновые приложения полностью замораживаются. При кооперативной многозадачности приложение может захватить фактически столько процессорного времени, сколько оно считает нужным. Все приложения делят процессорное время, периодически опрашивая друг друга.

 С другой стороны, режим кооперативной многозадачности менее совершенен, чем режим разделения времени, называемый также вытесняющей многозадачностью. При вытесняющей многозадачности программы потребляют ровно столько процессорного времени, сколько им положено, а не сколько заблагорассудится. За выделение процессорного времени тому или иному приложению отвечает только операционная система, руководствуясь текущими приоритетами. Благодаря этому при вытесняющей многозадачности можно в любой момент переключиться на любой процесс, в отличие от кооперативной многозадачности, при которой для переключения между программами может потребоваться существенная пауза. При вытесняющей многозадачности кажется, что процессы действительно работают одновременно, хотя это на самом деле и не так, - во всяком случае, на компьютере с одним микропроцессором, каким является обычный IВМ РС.

 С апреля 1992 года Windows 3.1 официально именуется операционной системой. Интерфейс ее был несколько улучшен, в частности были усилены возможности управления экранными объектами мышью (Drag - and - drop метод перетаскивания). Windows стала непосредственно поддерживать динамический обмен данными между приложениями (DDЕ - Dynamic Data Exchange ). В систему вошли средства мультимедиа, ранее поставлявшиеся отдельно в пакете Windows Multimedia Extension. Для расширения издательских возможностей в Windows была встроена поддержка системы масштабирования шрифтов TrueType.

 Windows 3.11 for Workgroups (“для рабочих групп”) позиционировалась как самостоятельная сетевая операционная система для одно-ранговой локальной сети, а также как сетевой клиент для сервера Windows NТ. В остальном Windows 3.11 для рабочих групп являлась слегка улучшенной модификацией Windows 3.1, работающей только в 386-м Расширенном режиме на 32-разрядных микропроцессорах.

 А теперь мы постараемся разобраться в том, как устроена Windows.

 Режимы работы Windows 3 . X Чтобы запустить мотор Windows на полную мощность, конечно, нужны прежде всего мегабайты и мегабайты оперативной памяти. Но их невозможно использовать на микропроцессорах 8088/86. Не слишком удачным решением был и защищенный режим 80286: для того чтобы использовать на компьютере приложения для новой операционной среды вместе с МS-DOS приложениями, приходилось переключать микропроцессор из защищенного режима в реальный и обратно.

 Здесь уместно вспомнить о том, что фирма Microsoft весьма тесно сотрудничала с Intel во время разработки микропроцессора i80386. Microsoft фактически навязала инженерам Intel собственную концепцию режима виртуального микропроцессора 8086-V86, наиболее удобную для разработки операционной системы, использующей МS-DOS приложения вместе с программами защищенного режима. Поскольку в 1990 году рынок еще не был готов к полному переходу на операционную систему для микропроцессора 80386, Windows 3.О могла функционировать в трех режимах, в каждом из которых микропроцессор и память использовались по-разному.

 В реальном режиме работы Windows система функционировать даже на компьютере с микропроцессором 8088 или 8086, оборудованном только обычной памятью для работы приложений в реальном режиме Windows 3.0 использовалась только обычная память МS-DOS и отображаемая память.

 Стандартный режим Windows 3.0 требовал для работы микропроцессор 80286 и всего 1 Мбайт памяти - 640 Кбайт стандартной и 384 Кбайт дополнительной (настоящая работа начиналась при объеме памяти 4 Мбайт). Для приложений Windows использовалась расширенная память (ХМS). Для программ МS-DOS, загружаемых из-под Windows, применялась обычная память и переключение микропроцессора из защищенного режима в реальный.

 Более полно использовал аппаратные ресурсы 386-й Расширенный режим Windows . В этом режиме версии Windows 3.0 и 3.1 работали с виртуальной памятью, имевший примерно втрое больший объем, чем физическая оперативная память. Приложениям МS DOS в 386-м Расширенном режиме отводилась произвольная область памяти, которая в виртуальном режиме 8086 размечалась как обычная память MS DOS . По умолчанию МS-DOS программы загружались занимая, как обычно, весь экран, но могли быть переведены в графическое окно - стандартное окно Windows. Приложения МS-DOS, запущенное из-под Windows в 386-м Расширенном режиме, работало в виртуальной машине, иными словами, считало себя загруженным на своем собственном компьютере и знать не знало о существовании Windows.

 Разумеется, для работы в 386-м Расширенном режиме требовался компьютер с микропроцессором не ниже 80386. Объявленные требования к объему памяти (2 Мбайт) опять-таки не стоило принимать всерьез. Минимумом являлись 4 Мбайт памяти, а для более или менее серьезной работы требовались 8 Mбайт или больше.

 Структура ядра Windows. Способ, при помощи которого одна и та же система может работать в трех принципиально разных режимах, ориентированных на совершенно разные микропроцессоры, заключается в следующем.

 Ядро Windows состоит из трех компонентов Kernel ,User и GDI. При помощи дополнительных DLL-файлов (динамически загружаемых библиотек) поддерживаются отображением стандартных диалоговых окон, протоколы DDЕ (динамического связывания данных) и ОLЕ (связывания и встраивания объектов), взаимодействие с драйверами устройств ввода-вывода и другие черты Windows. Windows -драйверы устройств бывают, кстати, двух видов - “обычные” DLL-драйверы и 386драйверы, последние предназначены опять-таки для работы только в 386-м Расширенном режиме Windows.

 Наиболее низкоуровневой частью ядра Windows является модуль Kernel, управляющий распределением памяти, процессами, файловым вводом-выводом и так далее. В разных режимах работы Windows 3.О функции Kernel выполняли различные файлы: kernel.ЕХЕ для Реального режима krnl286.Еxe для Стандартного режима, КrnlЗ86.ЕХЕ для 38б-го Расширенного режима.

 Так что Windows 3.0 была разработана как операционная система, имеющая три разных ядра. Когда был упразднен Реальный режим работы, из комплекта поставки Windows 3.1 и исчез файл Kernel.dll. Следующий шаг был сделан, Windows 3.11 для рабочих групп - эта система работала только в 386-м Расширенном режиме. Модуль User (user.ЕХЕ) служит для работы с клавиатурой, мышью, таймером и портами, а также выполняет функции отображения элементов графического интерфейса (окон, меню). Он управляет такими драйверами, как, например, различные драйверы клавиатуры и мыши.

 Наконец, модуль GDI (интерфейс графических устройств, файл GDI.ЕХЕ) поддерживает графические процедуры - прорисовку линий, закрашивание, отображение шрифтов (начиная с Windows 3.1 - все операции со шрифтами TrueType) и взаимодействует с драйверами графических устройств - дисплея и принтера. С Windows 3.1 поставлялось более десятка драйверов видеоадаптеров. Для поддержки принтеров в Windows 3.1 впервые была применена архитектура мини-драйверов. Универсальный драйвер принтера NIDRV.DLL выполнял аппаратно-независимые функции печати -несколько десятков мини-драйверов, поставляемых производителями, дополняли универсальный драйвер функциями обходимыми специально для поддержки конкретных устройств и не повторяли уже написанный общий код.

Windows 95

 В 1996 году фирмой Microsoft , была выпушена следующая версия операционной системы Windows. Которая была названа фирмой 32 разрядной многозадачной графической системой. / 1 /

 Архитектура Windows 95.Что должна была сделать Microsoft, чтобы прийти к 32-разрядной операционной системе с обеспечением вытесняющей многозадачности, которая бы при этом оставалась полностью совместима с прикладными программами для Windows 3.x и MS-DOS, не требовала бы для работы самой МS DOS и “умещалась” в четырех мегабайтах оперативной памяти ?

 Фирмой Microsoft уже выпущены системы, удовлетворяющие самым серьезным требованиям к управлению памятью и процессами, - Windows NТ SERVER и Windows NТ workstation (выпущены версии 3.51 и готовятся к выпуску 3.52), Однако эти системы сами предъявляют серьезнейшие требования к аппаратуре, а заодно и к пользователю. Windows NТ SERVER предназначается не для десятков миллионов потребителей Windows, а для сетевого администрирования. Windows NТ workstation нужна тем пользователям, которые используют приложения с высокой интенсивностью вычислительной обработки, тем, кто нуждается в высокой степени безопасности данных, и тем, кто больше беспокоится о надежности системы, чем о совместимости с приложениями для MS DOS и Windows 3.x.

 Всех остальных пользователей на порядок больше, и им нужнее “легкая” система.

 Ядро Windows 95. Ядро Windows 95, как и во всех предыдущих версиях Windows, имеет трехуровневую структуру Kernel -User- GDI. Все эти модули должны бы быть 32-разрядными, но в действительности полностью 32-разрядной сделана только самая низкоуровневая часть ядра Windows 95 - Кегне1. Вполне понятно, что, объявляя о 32-разрядной системе, Microsoft обязана была выполнить в 32-разрядном коде хотя бы такие базовые вещи, как функции ввода- вывода, управления памятью и процессами, поддержку сетевой и файловой систем.

 Что касается двух других модулей ядра, то расчеты показали, что полностью 32-разрядные USER и GDI вместе потребуют для работы более 1 Мбайт памяти, Windows 95 использует 1б-разрядный код, когда он необходим для обеспечения совместимости или если 32-разрядное кодирование нецелесообразно, то есть увеличило бы расход памяти без заметного увеличения производительности.

 Поэтому модуль User, остался в Windows 95 преимущественно 1б-разрядным, а его 32-разрядная часть используется для переадресации вызовов 32-разрядных приложений 16-разрядному блоку. Большая часть функций ОВ1, включая подсистему буферизации входных и выходных потоков, подсистему печати, растеризатор шрифтов TrueТуре и основные операции рисования, перенесена в 32-разрядный модуль, оставшийся 16-разрядный код описывает управление окнами. 16-разрядные функции ядра Windows 95 написаны преимущественно на ассемблере .Что же касается Kernel, то его 16-разрядная часть задействуется только при загрузке Windows 95 и используется только для инициализации 32-разрядной части Kernel. Сам Kernel32 никогда не обращается к Kernel16. На рис.1.2. показано, для каких функций используется 32-разрядный код, а для каких 16-разрядный код модулей ядра Windows 95.

 Многозадачность. Анализируя выполнение под Windows 95 16-разрядных приложений для Windows 3.x и МS-DOS, мы видим по большей части знакомые, хотя и серьезно улучшенные методы Windows 3.x.

 Как показано на рис. 1.3., 16-разрядные приложения для Windows (“приложения win16”) выполняются в общем пространстве адресов в пределах системной виртуальной машины. Такие варианты, как выполнение каждого приложения win16 в отдельной виртуальной машине (что возможно в ОS/2) или полная эмуляция Windows 3.x в пределах операционной системы (как это делается в Windows NТ).

 32-разрядные приложения, созданные с учетом требований Windows 95 (“приложения win32”), выполняются в режиме “подлинной” вытесняющей многозадачности. Кроме того, Windows 95 поддерживает многопоточные приложения, способные запускать параллельно несколько процессов.

 Для каждого win32-приложения и для области адресов приложений win1б используются отдельные очереди сообщений. Таким образом, приложения win16 фактически изолированы от остальных процессов. Кроме того, в Windows 95 примененные методы очистки и восстановления системы в случае ошибок. Если ошибка в программе, выполняющейся под Windows 3.x, могла запросто “обрушить всю” систему, то ошибка в одном из приложений под Windows 95 обычно не влияет на выполнение остальных программ. Низкоуровневые компоненты операционной системы изолированы от прикладных программ, поскольку пользуются сервисом другого уровня защиты микропроцессора 80386.

 Использование памяти. Для разработчиков программного обеспечения 1ВМ РС долгие годы оставалась камнем преткновения сегментированная модель памяти 1б-разрядных микропроцессоров 8088/86 и 80286.

 Сегментом является непрерывная область памяти, адресуемая 16-разрядными числами ( 64 Кбайт ). Для того чтобы использовать более б4 Кбайт памяти, пришлось разработать систему адресации памяти при помощи двух чисел - адреса начала сегмента и 1б-разрядного смещения внутри сегмента. Микропроцессоры 80386, способные оперировать 32-разрядными адресами, могли бы без всяких премудростей ( и отнимающих время вычислений! ) адресовать до 4 Гбайт, оперативной памяти, Но МS-DOS и Windows 3.x вынужденно продолжали использовать устаревшую сегментированную модель памяти.

 Для win32-приложений доступна плоская ( несегментированная) модель памяти Windows 95. Система полностью использует адресуемую память 38б-х процессоров, при этом прикладные программы могут работать с объемом памяти до 2 Гбайт, остальные 2 Гбайт Windows 95 использует для собственных нужд. Файл виртуальной памяти Windows 95 имеет динамический размер, ограниченный только объемом жесткого диска и не зависящий от фрагментации.

 Использование системных ресурсов. Под системными ресурсами в терминологии Windows понимают области памяти, используемые модулями USER и GDI. В ресурсах GDI располагается информация о графических объектах, используемых системой в данный момент. Ресурсы USER включают информацию об окнах, меню и так далее. Для того чтобы максимально ускорить процедуру обращения к ресурсам USER и GDI, в Windows 3.x их объемы ограничили сегментами по б4 Кбайт. Каждое порожденное системой окно отнимало примерно 2% системных ресурсов, а когда процент свободных системных ресурсов падал до 20%, загрузка новых приложений становилась невозможной.

 Большая часть ресурсов Windows 95 хранится в областях памяти с 32-разрядной адресацией, Соответственно объем ресурсов Windows 95 практически неограничен. Те из старых Windows -программ, которые непосредственно обращаются к системным ресурсам, могут использовать их под Windows 95 так же, как и прежде.

 Файловая система. Одно из самых назойливых ограничений систем МS-DOS и Windows 3.x - имена файлов, состоящие не более чем из 11 (8+3) символов. Новая файловая система позволяет win32-приложениям пользоваться длинными (до 255 символов) именами файлов и при этом остается полностью совместимой с FAT. Разумеется, пользоваться такими именами файлов гораздо удобнее.

 Некоторые компоненты новой файловой системы были использованы еще в Windows 3.11 для рабочих групп - драйвер устанавливаемых файловых систем, 32-разрядный драйвер FАТ, 32-разрядное кэширование жесткого диска. Все эти черты получили дальнейшее развитие в Windows 95. Кроме того, появились 32-разрядный драйвер CD-ROM, более мощная подсистема блокового ввода-вывода и другие черты.

Поддержка драйверов устройств . аиболее громоздкие МS-DOS драйверы, занимавшие больше всего места в базовой памяти или UMB, теперь не нужны при использовании оболочки защищенного режима. Согласно документации Microsoft система Windows 95 обеспечивает:

· полную поддержку разделения доступа к файлам, заменяя резидентную программу SНАRЕ.ЕХЕ;

· полную поддержку разнообразных звуковых плат, СD-ROM приводов и других мультимедиа-устройств, не требуя при этом установки МS-DOS драйверов;

· поддержку файловой системы СD-RОМ дисков, заменяя MSCDЕХ.ЕХЕ;

· кэширование дисков, заменяя SMARTDrive;

· работу с мышью не только в графической среде, но и с MS-DOS-программами, заменяя драйвер мыши для MS-DOS;

· динамическое сжатие данных, заменяя DRVSpace.BIN (DBLSPACE.BIN);

· полную поддержку работы станции в локальных сетях MS-NЕТ и Novell Netware, заменяя все резидентные программы, которые приходилось загружать для работы в этих сетях.

Windows 95 поддерживает текущую версию протокола Plug-and-Play. При установке дополнительного устройства, подключаемого на основе Plug-and-Play, система сама заботится о его конфигурировании.

 Достаточно удобно использовать Windows 95 и без аппаратной поддержки Plug-and-Play - система чрезвычайно много знает о том, какие существуют внешние устройства и как идентифицировать, включая СD дисководы, звуковые карты модемы, мыши и многое другое.

 Графическая оболочка Windows 95. Интерфейс Windows 95 соответствует требованиям самых придирчивых пользователей, дизайнеров и специалистов по эргономике. На мой взгляд, интерфейс Windows 95 великолепен, и перейти на эту систему стоило бы даже в том случае, если бы новым в ней был только интерфейс.

 Современный пользовательский интерфейс. Облик оболочки Explorer, основанный на полноценном воплощении метафоры рабочего стола и папок, удобен и нагляден. Панель задач дает полный обзор приложений, выполняемых системой в данный момент. Доступ ко всем объектам, будь то программы, документы, сетевые ресурсы или инструменты настройки системы, унифицирован. Имена любых объектов могут содержать до 255 символов.

 Богатый сервис. Оболочка Windows 95 предоставляет пользователю богатый и разнообразный выбор рабочих инструментов. В качестве примера назову возможность создания так называемых ярлыков для быстрого доступа к необходимым приложениям и документам, весьма удачное средство поиска документов и встроенную программу быстрого просмотра документов различных форматов. Выполнение многих действий, включая установку аппаратных компонентов, отправку почтовых и факсимильных сообщений, установление связи между компьютерами, автоматизировано при помощи специальных программ-мастеров .

Широкие возможности настройки. Windows 95 можно настроить сотнями способов, причем доступ к средствам настройки пользование ими весьма просты.

Удобство работы с документами. Windows 95 - это следующий шаг к интеграции различных прикладных программ одну рабочую среду. Можно легко создавать документы средствами оболочки, переносить данные из документа на рабочий стол и в другой документ, выбрасывать в “мусорную корзину” фрагменты текста, документы или целые папки, а при необходимости - возвращать их.

Усовершенствованная справочная система. Справочная система Windows стала удобнее и гибче. Многие разделы справки составлены в виде пошаговых руководств с возможностью выполнения тех или иных рекомендуемых действий непосредственно из системы помощи.

“ Эмуляция ” MS-DOS . MS-DOS 7.0 + Windows 4.0.Покинуть оболочку Windows 95 для работы с МS-DOS программами в реальном режиме можно, только инициировав перезагрузку или отключение системы или же перейдя в режим эмуляции МS-DОS (МS-DOS mode) с возможностью возврата в графическую оболочку по команде ЕХIТ. Похоже, что нормальным состоянием Windows 95 действительно является графический интерфейс, который всегда находится где-то под рукой, в памяти компьютера. Но это не так.

 В действительности “режим эмуляции МS-DOS” представляет собой классическую МS-DOS, работающую в реальном режиме и адресующую 640 Кбайт оперативной памяти. Графическая система Windows 95 со всеми своими преимуществами по-прежнему является оболочкой защищенного режима для MS-DOS. Даже новейшие 32-разрядные графические приложения для Windows 95 продолжают использовать для выполнения отдельных операций функции МS-DOS и базовую область памяти.

 Таким образом, определение Microsoft Windows 95 как операционной системы, не требующей отдельной копии МS-DOS, основано на том, что Windows 95 включает в себя все, что ей нужно от МS-DOS. Ничто лучше МS-DOS не поддержит MS-DOS-приложения, именно в МS-DOS лучше всего чувствуют себя те 16-разрядные драйверы устройств, которые все-таки приходится загружать (например, драйверы сканеров).

 При этом весь комплекс сделан так, что обычному пользователю вроде бы и незачем что-то знать о МS-DOS, а квалифицированный пользователь, напротив, сможет применять как новые, так и старые, испытанные методы работы с системой.