Что такое исполняющая система в виндовс

Обновлено: 05.07.2024

Исполняющая система Windows находится на верхнем уровне файла Ntoskrnl.exe. (Ядро составляет его нижний уровень.) Она включает функции следующих типов:

Функции, экспортируемые и вызываемые из пользовательского режима. Эти функции называются системными службами и экспортируются посредством Ntdll. Большинство служб доступно через Windows API или через API-интерфейсы других подсистем среды окружения. Но часть служб не доступна ни через какие документированные функции подсистем. (В качестве примера можно привести ALPC и различные функции запросов, например, NtQueryInformationProcess, специализированные функции, такие как NtCreatePagingFile и т. д.).
Функции драйверов устройств, вызываемые с помощью функции DeviceIoControl, которая предоставляет общий интерфейс из пользовательского режима к режиму ядра для вызова тех функций в драйверах устройств, которые не связаны с чтением или записью.
Функции, которые могут быть вызваны только из режима ядра, экспортируемые из WDK и документированные в этом инструментальном наборе.
Функции, экспортируемые и вызываемые из режима ядра, но недокументированные в WDK (например, функции, вызываемые загрузочным видеодрайвером, чьи имена начинаются с префикса Inbv).
Функции, определенные в качестве глобальных символов, но при этом не подлежащие экспорту. К их числу относятся внутренние вспомогательные функции, вызываемые внутри Ntoskrnl, например, такие функции, чьи имена начинаются с префикса Iop (внутренние функции поддержки диспетчера ввода-вывода) или с префикса Mi (внутренние функции поддержки диспетчера памяти).
Функции, являющиеся внутренними по отношению к модулю, но не определенные в качестве глобальных символов.

Исполняющая система содержит следующие основные компоненты:

Диспетчер конфигурации, который отвечает за реализацию и управление системным реестром.
Диспетчер процессов создает процессы и потоки и завершает их работу. Исходная поддержка процессов и потоков реализована в ядре Windows; исполняющая система добавляет к этим низкоуровневым объектам дополнительную семантику и функции.
Монитор безопасности (securityreferencemonitor, SRM) обеспечивает соблюдение политики безопасности на локальном компьютере.

Он охраняет ресурсы операционной системы, выполняя защиту и проверку объектов времени выполнения.

Диспетчер ввода-вывода реализует аппаратно-независимый ввод-вывод и отвечает за направление на соответствующие драйверы устройств для дальнейшей обработки.
Диспетчер устройств plug and play (PnP) определяет, какие драйверы требуются для поддержки конкретного устройства, и загружает эти драйверы. В процессе переписи устройств для каждого из них извлекаются требования к аппаратным ресурсам. На основе требований к ресурсам каждого устройства диспетчер PnP назначает соответствующие аппаратные ресурсы, такие как порты ввода-вывода, линии запроса на прерывание (IRQ), DMA-каналы и адреса памяти. Он также отвечает за отправку соответствующих уведомлений о событиях при изменениях в устройствах (добавлении или удалении устройства) в системе.
Диспетчер электропитания согласовывает события электропитания и генерирует уведомления ввода-вывода, касающиеся управления электропитания, посылаемые драйверам устройств. При простое системы диспетчер электропитания может быть настроен на снижение расхода электроэнергии путем перевода центрального процессора в спящий режим.

Изменения в энергопотреблении отдельными устройствами управляются драйверами устройств, но согласовываются диспетчером электропитания.

Подпрограммы инструментария управления Windows для модели драйверов — Windows Driver Model Windows Management Instrumentation routines позволяют драйверам устройств публиковать информацию о производительности и конфигурации, а также получать команды от WMI-службы пользовательского режима. Потребители WMI-информации могут быть на локальной машине или на удаленной, имеющей сетевой доступ
Диспетчер кэша повышает производительность файлового ввода-вывода, размещая данные, полученные с диска, к которым недавно было обращение, в основной памяти для ускорения доступа к этим данным (и задерживая записи на диск путем кратковременного хранения обновлений в памяти перед их отправкой на диск). Вы увидите, что это делается путем поддержки диспетчером памяти отображаемых файлов.
Диспетчер памяти реализует виртуальную память, схему управления памятью, предоставляющую каждому процессу большое, закрытое адресное пространство, которое может превышать по объему доступную физическую память. Диспетчер памяти также предоставляет исходную поддержку диспетчеру кэша.
Логическая предвыборка и Superfetch ускоряют работу системы и запуск процесса путем оптимизации загрузки данных, на которые есть ссылка во время запуска системы или процесса.

Помимо этого исполняющая система содержит четыре основные группы вспомогательных функций, используемых только что перечисленными исполняющими компонентами. Около трети этих вспомогательных функций документированы в WDK, поскольку они также используются драйверами устройств.

Есть четыре категории вспомогательных функций:

Исполняющая система также содержит различные инфраструктурные подпрограммы:

Исполняющая система представляет собой совокупность ядра и уровня аппаратных абстракций (HAL). Исполняющая система обеспечивает работу системного сервиса, лежащего на рисунке выше ядра и состоящего из:

• Диспетчера объектов (Object Manager);

• Диспетчера виртуальной памяти (Virtual Memory Manager);

• Диспетчера процессов ( Process Manager);

• средства вызова локальных процедур (Local Procedure Call Facility);

• Диспетчера ввода-вывода ( I/O Manager);

• Монитора безопасности (Security Reference Monitor);

Рассмотрим теперь последовательно все составляющие исполняющей системы.

Диспетчер объектовобъектами которого являются отдельные элементы времени выполнения имеющие объектный тип. Управление этими элементами могут производить процессы ОС. Тип объекта включает определенной системой тип данных, список операций, которые могут выполняться над ними (wait, create, cancel. ) и набор атрибутов объекта.

Диспетчер объектов обеспечивает унифицированные правила хранения именования и безопасности объектов.

Прежде чем процесс сможет управлять объектом Windows NT он должен получить описатель объектов (object handle) через диспетчер объектов. Все описатели объектов создаются через диспетчер объектов.

Примечание: Очень важное значение имеет тот факт, что для создания описателя файлов и для создания описателя объектов могут быть использованы одинаковые процедуры.

Кроме того диспетчер процессов управляет глобальным пространством имен ОС и следит за доступом ко всем именованным объектам:

• объекты каталога (directory objects);

• объекты типа объекта (objectstype objects);

• символические объекты связи (symbolic link objects)

• объекты семафора и событий (semafore objects, event objects);

• объекты процесса и потоков (process objects, thread objects);

• объекты раздела и сегмента (sections objects, segment objects);

• объекты порта (port objects);

• объекты файла (file objects);

Для просмотра объектов, событий и других объектов системы существует программа Event viewer detail.

Диспетчер процессов. Следующий компонент системы - диспетчер процессов отслеживает два типа объектов: объектыпроцессови объектыпотоков.

Процесс -это адресное пространство, в виде набора доступных процессу объектов и совокупность выполняемых в контексте потоков

Поток управления имеет собственный набор регистров, собственный стек ядра, блок среды потока и стек пользователя в адресном пространстве процесса.

Диспетчер процессов. управляет созданием и завершением процессов и предоставлению набора стандартных услуг по созданию и использованию потоков управления и процессов в контексте специфической подсистемы. Модель процессов работает параллельно с моделью безопасности и диспетчером виртуальной памяти для обеспечения безопасности процессов путем присвоения каждому процессу маркера безопасного доступа (security access token), используемый для проверки правильности доступа когда потоки обращаются к защищенным объектам..

Диспетчер виртуальной памяти.

Архитектура WindowsNT основана на плоском линейном адресном пространстве с 32-х разрядным доступом и подкачиваемой по запросу виртуальной памятью.

Каждый процесс размещается в уникальном адресном пространстве разделённом на равные страницы или блоки (pages). Каждый процесс может использовать до 4 Гб собственного виртуального пространства, причем 2 Гб из них зарезервированы для нужд программы, а 2 Гб для системы

Для сравнения заметим, что OS/2 может адресовать для работы менее 16 Мб физической памяти ).

Примечание : Необходимо запомнить, что ОС Windows NT каждому процессу выделяется собственное пространство, абсолютно никак не связанное с другими потоками и процессами.

Работа операционной системы Windows основана на работе процессов. В этой статье разберём что такое Windows процессы, их свойства, состояния и другое.

Процессы

Процесс стоит воспринимать как контейнер с набором ресурсов для выполнения программы. То есть запускаем мы программу, для неё выделяется часть ресурсов компьютера и эта программа работает с этими ресурсами.

Процессы нужны операционной системе для многозадачности, так как программы работают в своих процессах и не мешают друг другу, при этом по очереди обрабатываются процессором.

Windows процессы состоят из следующего:

Закрытое виртуальное адресное пространство, то есть выделенная для процесса часть оперативной памяти, которая называется виртуальной.
Исполняемая программа выполняя свой код, помещает его в виртуальную память.
Список открытых дескрипторов. Процесс может открывать или создавать объекты, например файлы или другие процессы. Эти объекты нумеруются, и их номера называют дескрипторами. Ссылаться на объект по дескриптору быстрее, чем по имени.
Контекст безопасности. Сюда входит пользователь процесса, группа, привилегии, сеанс и другое.
Идентификатор процесса, то есть его уникальный номер.
Программный поток (как минимум один или несколько). Чтобы процесс хоть что-то делал, в нем должен существовать программный поток. Если потока нет, значит что-то пошло не так, возможно процесс не смог корректно завершиться, или стартовать.

У процессов есть еще очень много свойств которые вы можете посмотреть в “Диспетчере задач” или “Process Explorer“.

Процесс может быть в различных состояниях:

В Windows существуют процессы трёх типов:

Приложения. Процессы запущенных приложений. У таких приложений есть окно на рабочем столе, которое вы можете свернуть, развернуть или закрыть.
Фоновые процессы. Такие процессы работают в фоне и не имеют окна. Некоторые процессы приложений становятся фоновыми, когда вы сворачиваете их в трей.
Процессы Windows. Процессы самой операционной системы, например “Диспетчер печати” или “Проводник”.

Дерево процессов

В Windows процессы знают только своих родителей, а более древних предков не знают.

Например у нас есть такое дерево процессов:

Если мы завершим дерево процессов “Процесс_1“, то завершатся все процессы. Потому что “Процесс_1” знает про “Процесс_2“, а “Процесс_2” знает про “Процесс_3“.

Если мы вначале завершим “Процесс_2“, а затем завершаем дерево процессов “Процесс_1“, то завершится только “Процесс_1“, так как между “Процесс_1” и “Процесс_3” не останется связи.

Например, запустите командную строку и выполните команду title parrent чтобы изменить заголовок окна и start cmd чтобы запустить второе окно командной строки:

Измените заголовок второго окна на child и из него запустите программу paint:

В окне командной строке child введите команду exit, окно закроется а paint продолжит работать:

После этого на рабочем столе останутся два приложения, командная строка parrent и paint. При этом parrent будет являться как бы дедом для paint.

Запустите “Диспетчер задач”, на вкладке “Процессы” найдите процесс “Обработчик команд Windows”, разверните список и найдите “parrent“. Затем нажмите на нём правой копкой мыши и выберите “Подробно”:

Вы переключитесь на вкладку “Подробно” с выделенным процессом “cmd.exe“. Нажмите правой кнопкой по этому процессу и выберите «Завершить дерево процессов»:

Окно командной строки Parrent завершится а Paint останется работать. Так мы убедились что связи между первым процессом и его внуком нет, если у внука нет непосредственного родителя.

Потоки

На центральном процессоре обрабатываются не сами процессы, а программные потоки. Каждый поток, это код загруженный программой. Программа может работать в одном потоке или создавать несколько. Если программа работает в несколько потоков, то она может выполняться на разных ядрах процессора. Посмотреть на потоки можно с помощью программы Process Explorer.

два стека: для режима ядра и для пользовательского режима;
локальную памятью потока (TLS, Thread-Local Storage);
уникальный идентификатор потока (TID, Thread ID).

Приложение может создать дополнительный поток, например, когда у приложения есть графический интерфейс, который работает в одном потоке и ожидает от пользователя ввода каких-то данных, а второй поток в это время занимается обработкой других данных.

Изучение активности потока важно, если вам нужно разобраться, почему тот или иной процесс перестал реагировать, а в процессе выполняется большое число потоков. Потоков может быть много в следующих процессах:

Волокна и планирование пользовательского режима

Потоки выполняются на центральном процессоре, а за их переключение отвечает планировщик ядра. В связи с тем что такое переключение это затратная операция. В Windows придумали два механизма для сокращения таких затрат: волокна (fibers) и планирование пользовательского режима (UMS, User Mode Scheduling).

Во-первых, поток с помощью специальной функции может превратится в волокно, затем это волокно может породить другие волокна, таким образом образуется группа волокон. Волокна не видимы для ядра и не обращаются к планировщику. Вместо этого они сами договариваются в какой последовательности они будут обращаться к процессору. Но волокна плохо реализованы в Windows, большинство библиотек ничего не знает о существовании волокон. Поэтому волокна могут обрабатываться как потоки и начнутся различные сбои в программе если она использует такие библиотеки.

Потоки UMS (User Mode Scheduling), доступные только в 64-разрядных версиях Windows, предоставляют все основные преимущества волокон при минимуме их недостатков. Потоки UMS обладают собственным состоянием ядра, поэтому они «видимы» для ядра, что позволяет нескольким потокам UMS совместно использовать процессор и конкурировать за него. Работает это следующим образом:

Когда двум и более потокам UMS требуется выполнить работу в пользовательском режиме, они сами могут периодически уступать управление другому потоку в пользовательском режиме, не обращаясь к планировщику. Ядро при этом думает что продолжает работать один поток.
Когда потоку UMS все таки нужно обратиться к ядру, он переключается на специально выделенный поток режима ядра.

Задания

Задания Windows (Job) позволяют объединить несколько процессов в одну группу. Затем можно этой группой управлять:

устанавливать лимиты (на память или процессорное время) для группы процессов входящих в задание;
останавливать, приостанавливать, запускать такую группу процессов.

Посмотреть на задания можно с помощью Process Explorer.

Диспетчер задач

Чаще всего для получения информации о процессе мы используем «Диспетчер задач». Запустить его можно разными способами:

комбинацией клавиш Ctrl+Shift+Esc;
щелчком правой кнопкой мыши на панели задач и выборе «Диспетчер задач»;
нажатием клавиш Ctrl+Alt+Del и выборе «Диспетчер задач»;
запуском исполняемого файла C:\Windows\system32\Taskmgr.exe.

При первом запуске диспетчера задач он запускается в кратком режиме, при этом видны только процессы имеющие видимое окно. При нажатие на кнопку «Подробнее» откроется полный режим:

В полном режиме на вкладке «Процессы» виден список процессов и информация по ним. Чтобы получить больше информации можно нажать правой кнопкой мышки на заголовке и добавить столбцы:

Чтобы получить еще больше информации можно нажать правой кнопкой мышки на процессе и выбрать «Подробно». При этом вы переключитесь на вкладку «Подробности» и этот процесс выделится.

На вкладке «Подробности» можно получить ещё больше информации о процессе. А также здесь также можно добавить колонки с дополнительной информацией, для этого нужно щелкнуть правой кнопкой мыши по заголовку и нажать «Выбрать столбцы»:

Process Explorer

Установка и подготовка к работе

Более подробную информацию о процессах и потоках можно получить с помощью программы Process Explorer из пакета Sysinternals. Его нужно скачать и запустить.

Некоторые возможности Process Explorer:

информация по правам процесса: кто владелец процесса, у кого есть доступ к нему;
выделение разными цветами процессов и потоков, для удобного восприятия информации:
- процессы служб – розовый;
- ваши собственные процессы – синий;
- новые процессы – зелёный;
- завершенные процессы – красный;
- число дескрипторов у процесса;
- активность потоков в процессе;
- подробную информация о распределении памяти.
Запустите Process Explorer:

Для начала скачиваем установщик «Пакет SDK для Windows 10».

Устанавливать все не нужно, достаточно при установки выбрать “Debugging Tools for Windows“:

Для настройки символических имен перейдите в меню Options / Configure / Symbols. Введите путь к библиотеке Dbghelp.dll, которая находится внутри установленного «Пакета SDK для Windows 10» по умолчанию:
- C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Debuggers\x64\Dbghelp.dll.
И путь к серверу символической информации:

Некоторые основные настройки Process Explorer:
- Смена цветового выделения – Options / Configure Colors.
- Выбор колонок с информацией о процессах – View / Select Columns.
- Сортировка процессов – нужно щелкнуть на заголовке столбца Process, при первом щелчке сортировка будет в алфавитном порядке, при втором в обратном порядке, при третьем вернется в вид дерева.
- Просмотр только своих процессов – View / снять галочку Show Processes from All Users.
- Настройка времени выделения только что запущенных процессов и завершённых – Options / Difference Highlight Duration / введите количество секунд.
- Чтобы исследователь процесс подробнее можно дважды щелкнуть на нем и посмотреть информацию на различных вкладках.
- Открыть нижнюю панель для просмотра открытых дескрипторов или библиотек – Vies / Show Lower Panel.
Потоки в Process Explorer

Потоки отдельного процесса можно увидеть в программе Process Explorer. Для этого нужно дважды кликнуть по процессу и в открывшемся окне перейти на вкладку «Threads»:

В колонках видна информация по каждому потоку:
- TID — идентификатор потока.
- CPU — загрузка процессора.
- Cycles Delta — общее количество циклов процессора, которое этот процесс использовал с момента последнего обновления работы Process Explorer. Скорость обновления программы можно настроить, указав например 5 минут.
- Suspend Count — количество приостановок потока.
- Service — название службы.
- Start Address — начальный адрес процедуры, который начинает выполнение нового потока. Выводится в формате:«модуль!функция».
При выделении потока, снизу показана следующую информация:
- Идентификатор потока.
- Время начала работы потока.
- Состояние потока.
- Время выполнения в режиме ядра и в пользовательском режиме.
- Счетчик переключения контекста для центрального процессора.
- Количество циклов процессора.
- Базовый приоритет.
- Динамический приоритет (текущий).
- Приоритет ввода / вывода.
- Приоритет памяти.
- Идеальный процессор (предпочтительный процессор).
Есть также кнопки:

Задания в Process Explorer

Process Explorer может выделить процессы, управляемые заданиями. Чтобы включить такое выделение откройте меню «Options» и выберите команду «Configure Colors», далее поставьте галочку «Jobs»:

Более того, страницы свойств таких процессов содержат дополнительную вкладку Job с информацией о самом объекте задания. Например приложение Skype работает со своими процессами как за заданием:

Запустите командную строку и введите команду:

Таким образом вы запустите еще одну командную строку от имени этого пользователя. Служба Windows, которая выполняет команды runas, создает безымянное задание, чтобы во время выхода из системы завершить процессы из задания.

В новой командной строке запустите блокнот:

Далее запускаем Process Explorer и находим такое дерево процессов:

Как видим, процесс cmd и notepad это процессы связанные с каким-то заданием. Если дважды кликнуть по любому из этих процессов и перейти на вкладку Job, то мы увидим следующее:

Меня зовут Андрей Артемьев, я работаю в Microsoft над ядром ОС Windows 10, ранее я работал над Windows 10x (WCOS), XBox, Windows Phone и Microsoft Edge. Я хочу популярно в образовательных целях рассказать о том как работает компьютер на примере клавиатурного ввода и Windows 10. Данный цикл статей рассчитан в первую очередь на студентов технических специальностей. Мы рассмотрим какой путь проходит информация о нажатой клавише от клавиатуры до отображения в Notepad.exe. В виду обширности и междисциплинарности темы в статьях могут быть неточности, о которых сообщайте в комментариях. Какая-то информация может быть устаревшей в виду скорости с которой развивается Windows.

Насколько глубоко мы погрузимся в тему?

Давайте для начала в общих чертах поговорим об уровнях на которых можно рассматривать компьютер. Каждый уровень основывается на предыдущем. Начнём с самого верха.

Уровень операционной системы. ОС можно рассматривать как:
- Менеджер ресурсов — память, жёсткие диски, принтеры, экран, клавиатура ограниченные ресурсы которые совместно используются запущенными на компьютере программами.
- Виртуальная машина — файл это наглядный пример виртуального объекта. Он представляет абстракцию данных на диске, API для работы с ним и так же добавляет концепцию прав доступа. Вместо файла могла быть концепция контейнера данных и совершенно другого API. Таких виртуальных объектов в ОС много.
- Платформа — ОС предоставляет программные модели и примитивы для построения программ. К примеру Windows Drivers Framework позволяет быстро разрабатывать драйвера, окна в Windows используются для построения сложных пользовательских интерфейсов. Dll — предоставляет модель расширения функционала программы через плагины, а так же механизм для реализации читалки экрана через ловушки клавиатуры (см. LowLevelKeyboard hook).
Уровень архитектуры компьютера. Он представлен материнской платой, которая имеет определённый форм-фактор, встроенные функции закодированные в микросхемах называемых чип-сетом и порты, через которые можно расширять функционал компьютера подключив графическую карту, сетевую карту, дополнительную оперативную память (RAM), жёсткие диски, клавиатуру и пр. Порты влияют на скорость работы и возможности компьютера, что и будет определять его назначение будь то сервер для обработки тысяч запросов в секунду, планшет для пользования Интернетом или игровой ПК с несколькими видеокартами. ОС абстрагирует особенности материнской платы.

Микросхемы выглядят как на картинке ниже и представляют собой мини-компьютер выполняющий простые программы для низкоуровневых задач, к примеру прочитать данные от клавиатуры и передать их дальше чтобы они достигли в конечном счёте процессора. Как правило реализованы в виде аналоговой непрограммируемой микросхемы или микроконтроллера, программируемого на языке С.

Материнскую плату можно рассматривать как колонию микросхем которые общаются между собой через шины и через них циркулируют данные от подключенных устройств к процессору и обратно. Чип-сет — это своего рода нервная система компьютера. Все чипы на материнской плате были изначально созданы чтобы работать друг с другом. Некоторые из них могут иметь особые функции, к примеру таймер или хранение настроек BIOS. Пожалуй самый важный из них тот что имеет встроенную программу (прошивку, BIOS, UEFI) которая начинает выполняться как только появляется электричество. Она находит жёсткий диск с загрузчиком Windows и передаёт тому управление который в свою очередь запускает исполняемый файл ОС, который можно назвать Windows10.exe, на самом деле NtOsKrnl.exe. BIOS знает что искать благодаря соглашению между производителями железа и операционных систем.

Вокруг материнской платы можно собрать мобильный телефон, игровую приставку, серверную станцию или умное устройство. На картинке ниже распространённые форм-факторы материнских плат.

Уровень микроархитектуры представлен процессором (CPU), это сердце материнки и весь чип-сет нужен для обслуживания CPU. Процессор это компьютер в компьютере, более мощный и продвинутый микроконтроллер которому не нужна прошивка, потому как поток команд подаётся на лету, когда планировщик потоков поменял контекст процессора. Функционал процессора делится на подсистемы, к примеру компонент занимающийся математическими и логическими операциями, математический сопроцессор, кэш. Какие-то из них раньше были отдельным чипом на материнской плате, но сейчас их сделали частью ЦПУ, например контроллер прерывания и микросхема под названием “Северный мост” что увеличило скорость работы.

Микроархитектура это не то же самое что архитектура. Весь функционал CPU разделён на компоненты, которые работают сообща. Эти компоненты и их взаимодействие и есть микроархитектура. На блок-схеме ниже они представлены цветными прямоугольниками и квадратиками.

Архитектура процессора это по сути документ который описывает какой функциональностью он должен обладать для того чтобы соответствовать к примеру архитектуре x86, x64 или ARM применяемой на мобильных устройствах. В этом документе описано какие должны поддерживаться команды, назначения регистров и логика работы. Создатели процессоров Intel, AMD, Эльбрус могут реализовывать эту функциональность как угодно и добавлять к ней новые возможности в виде команд, регистров, флагов, прерываний и если ОС знает о них то может использовать. В терминах ООП архитектура ЦПУ — это интерфейс, а микроархитектура — его реализация.

Логические схемы. Цветные прямоугольники с блок-схемы CPU состоят из логических схем, которые производят свои операции на последовательностях нулей и единиц. Процессор видит все данные и команды в виде битов (0 и 1), по формуле любое десятичное число можно представить в виде последовательности 0 и 1, а вот что значит конкретное число зависит от контекста. Это может быть код, цифра, буква. Арифметическое и логическое устройство (ALU) умеет производить сложение двух чисел через побитовые операции. Побитовые алгоритмы сложения, вычитания, умножения и деления давно известны, разработчикам логической схемы их только надо эффективно реализовать.

Уровень радиоэлементов. Физически аналоговые схемы полагаются на радиоэлементы, которые собственно и эксплуатируют законы физики. Преимущественно это полупроводники, т.е. в определённых условиях они могут проводить электричество, а могут и нет. Диод проводит ток только в одном направлении, если его выпаять, развернуть на 180 и впаять обратно, то ток через него проходить не будет. Транзистор пропускает ток только если есть напряжение на управляющей ножке. Человечество научилось делать транзисторы микроскопическими и потому их можно размещать на маленькой плате миллионами. На картинках ниже полупроводниковые радиоэлементы и обычный транзистор рядом с нано транзистором под электронным микроскопом.

Уровень законов физики. И наконец самый нижний уровень — это уровень законов физики которые заключены в полупроводниковые радиоэлементы.

Мы будем много говорить про уровень ОС и чуть меньше про архитектуру компьютера, микроархитектуру, аналоговые схемы и радиоэлементы. К последней части у вас должно быть понимание как это всё работает вместе.

Основы Операционной Системы

Когда мы проходили в универе программирование на ассемблере у многих студентов был ступор от таких умных слов как “режимы ядра и пользователя”, под которыми на самом деле скрывается хорошо всем известная ролевая система аутентификации, на всех сайтах есть как минимум “Админ” имеющий доступ ко всем страницам и “Пользователь” имеющий ограниченный доступ. Точно так же роль “Ядро” имеет доступ ко всем возможностям CPU, а роль “Пользователь” может вызывать не все команды процессора и не со всеми аргументами. Поверх этой ролевой модели по принципу клиент-серверной архитектуры построена операционная система, где сервер это ядро, которое и реализовывает функционал ОС, а клиент — это пользовательские программы. В мире Web клиент и сервер разделены физически — это два разных компьютера общающихся по сети. В ОС клиент и сервер живут на одной машине и на одном железе. У сервера есть некий API который позволяет клиентам изменять его состояние, к примеру Twitter API позволяет создавать посты, логиниться и загружать ленту твитов в мобильный клиент. У Windows есть Win API, только более громоздкий в виду более широкого круга задач, на сегодняшний день у винды примерно 330 000 API плюс API для UWP apps. Если концепции Твитера более менее всем понятны — пост, пользователь, фид — то концепции ОС могут потребовать некоторого углубления в её внутренности. Поэтому API Windows могут быть трудно понятными без понимания внутреннего устройства ОС.

На самом деле под ядром понимают три разные вещи. Ядро как весь код ОС. Ядро как подсистема которая отвечает за механизмы ОС, такие как планировщик потоков, переключение контекста, обработка прерываний, свап виртуальный памяти на физическую (Kernel) и ядро подсистемы для поддержки других ОС — CSRSS.exe (Windows), PSXSS.exe (POSIX), OS2SS.exe (OS/2) или WSL (Windows SubSystem for Linux). В данном контексте понимается первый смысл — весь код ОС.

Когда на экране появляется окно, то в серверной части ОС (режим ядра) появляется структура данных которая описывает это окно — его положение на экране, размеры, текст заголовка, оконная функция через которую ОС даёт приложению среагировать на события. Поскольку подсистем в ОС много, то и структур данных описывающих один объект может быть несколько, к примеру информация о пользовательском процессе есть в компонентах:
- Executive — здесь логика работы ОС. В этом слое проверяется что могут и не могут делать процессы. Здесь хранится инфа о родительском процессе, параметры старта процесса (Process Environment Block), привязанный аккаунт пользователя, имя exe файла процесса.
- Kernel — здесь реализованы механизмы ОС, такие как планировщик потоков. Здесь хранится сколько времени процесс проводит в режиме пользователя и ядра, к каким процессорам привязаны его потоки, базовый приоритет потоков процесса.
- Windowing subsystem — инфа о GDI объектах которые используются для рисования в окне. Это такие примитивы как кисти, pen и пр.
- DirectX — всё что имеет отношение к DirectX: шейдеры, поверхности, DX-объекты, счётчики производительности GPU, настройки памяти графической памяти.
- Подсистема Windows которая представлена процессом CSRSS.exe (Client Server Runtime SubSystem). Windows ранее поддерживал ОС POSIX (процесс PSXSS.exe) и OS/2 (OS2SS.exe). В те времена возникла идея сделать и Windows такой же подсистемой, но эта было медленно и поэтому скоро часть CSRSS.exe перенесли в win32k.sys, который сейчас разбит на несколько файлов — win32k.sys, win32kbase.sys и win32kfull.sys. Здесь хранится информация о Process Group Data, Shutdown level, Session Data и пр.
Что такое компонент? Это логически сгруппированный функционал. Компонентом можно назвать ООП-класс, dll, папку, набор функций с общим префиксом, пространство имён, слой в архитектуре.

Более подробно о разделении на клиент-сервер

Разделение на клиент и сервер реализовано при помощи встроенной функциональности CPU, разделения памяти и программных проверок.

Производители оборудования сотрудничают с разработчиками ОС, поэтому в процессоре есть механизмы созданные с учётом потребностей создателей операционных систем. Во всех современных процессорах реализован механизм ролей пользователя, где под пользователем понимается исполняемый в данный момент код. В веб приложениях роль залогиненого пользователя хранится в какой-то переменной и помимо понятного названия Admin или User имеет Id этой роли который чаще и используется при авторизации, потому как сравнивать числа быстрее и проще чем строки. В процессоре роль текущего пользователя хранится в поле которое называется “кольцо безопасности” (Security Ring), а не “CurrentUser.Role.Id”. В большинстве процессоров это поле принимает четыре значения от 0 до 3. Windows использует 0 для роли которая называется “Режим Ядра”, потому как это самый привилегированный режим и самое большое значение для роли “Режим Пользователя”, потому как это самая ограниченная роль. Остальные роли не используются потому как различие между 0 и 1, 2 и 3 незначительное. Эти роли ограничивают страницы памяти которые могут быть адресованы, нельзя вызывать некоторые инструкции или же нельзя их вызывать с определёнными аргументами. Так же есть ограничения на использование технологии I/O Ports для обмена данными с устройствами такими как клавиатура, но она уже лет 10 не используется. Переключение в режим ядра происходит через команду syscall, которая по индексу находит в массиве указателей на APIs Windows функцию которую надо вызвать. Указатель на этот массив сохраняется в специальном регистре процессора во время загрузки ОС.

Прерывания могут генерироваться не только процессором но и внешними устройствами (клавиатура, мышь) или программным кодом. Планировщик потоков устанавливает таймер который с интервалами равными одному кванту (по умолчанию около 15мс, в Windows Server больше) генерирует прерывание чтобы по внутреннему алгоритму назначить другой поток на исполнение. Пошаговое исполнение программы в Visual Studio так же полагается на механизм прерываний — у процессора устанавливается флаг, который после каждой команды вызывает прерывание которое обрабатывает Windows Debugging Engine и уведомляет через API Visual Studio.

Разделение памятью реализовано благодаря виртуальной памяти. Ранее я говорил что ОС это менеджер ресурсов и виртуальная машина. Даже если у вас 1Гб RAM 32х битный Windows будет работать так как если бы у вас было 4Гб оперативки, т.е. реально у вас 1Гб, а виртуально 4Гб. Современные компьютеры основаны на теоретической модели машины Тьюринга или же архитектуре фон Неймана (с некоторыми изменениями). Согласно этим моделям память в компьютере это лента состоящая из ячеек размером один байт. Эти ячейки сгруппированы в страницы как правило по 4096 байт (4Кб), потому как:

64 битный адрес позволяет адресовать 16 экзабайт, это 18,446,744,073,709,551,616 ячеек памяти. Современные процессоры пока что не поддерживают так много RAM и поэтому используют только младшие 48 бит адреса, остальные 16 заполняются старшим разрядом. Поэтому Win x64 попросту не использует часть адресов, которые помечены на рисунке выше чёрным. Но это не значит, что 64х битный Windows “видит” 256 Tb оперативки. Максимум 8TB виртуальной памяти на архитектуре IA64 и 7TB на x64. Предел физической памяти поддерживаемой Windows 10 — 2TB, потому как с большим количеством Винда не тестировалась. Объём поддерживаемой RAM в Windows 10 определяется во многом редакцией ОС, чем дороже тем больше.

Почему ячейки памяти пронумерованы шестнадцатиричными (HEX) числами, а не десятичными или двоичными? Адрес ячейки это не просто порядковый номер, в нём закодировано три числа по которым эту ячейку можно отобразить на физическую память. Первые два это индексы по которым находится конкретная страница виртуальной памяти, а третье число — смещение от начала страницы. CPU и ОС здесь работают в связке — ОС предоставляет структуру данных по которой CPU находит страницу виртуальной памяти и копирует её в физическую. По HEX номеру можно сразу увидеть как выровнен в памяти адрес. Формат двоичного числа слишком громоздкий, 32 бита (или 64) трудны для восприятия. Десятичный формат — показывает слишком мало информации, тогда как HEX удобный компромисс между десятичной и двоичной системами, средами людей и машин.

Программный способ разделения на клиент-сервер (режим ядра-режим пользователя) гораздо скучнее перечисленных выше механизмов. Процессы и потоки могут быть помечены специальными аттрибутами или же мы можем хранить список указателей на потоки/процессы и проверять их в коде. Если вы хоть раз делали авторизацию в веб-приложении, то хорошо понимаете о чём я говорю.

Из чего состоит Windows?

Абстракция или же разбиение на компоненты есть во всех сферах программирования и интуитивно понятно что Windows тоже делится на какие-то компоненты. Под компонентом понимается какая-то единица функциональности — ООП класс, файл, dll, папка. Компоненты на диаграмме ниже могут быть как индивидуальными *.sys, *.dll файлами, так и просто набором API сгруппированным логически через добавление префикса к имени функции, старая часть системы написана на C, а он не поддерживает классы. Новые части пишутся нередко на C++. В укрупнённом виде Винда выглядит так:

Давайте быстренько пробежимся по её компонентам снизу вверх:
- Hyper-V Hypervisor — слой виртуализации благодаря которому в Windows можно создать виртуальную машину. Иногда говорят, что Hyper-V это минус первый уровень привилегий, однако реализован он в одном уровне привилегий и адресном пространстве что и ядро ОС, за счёт использования слоёной архитектуры ОС ничего не знает о нём.
- HAL.dll — Hardware Abtraction Layer — изначально задумывался как абстракция над железом — чипсет, материнская плата, процессор — для того чтобы можно было перенести Windows на новую платформу реализовав новый HAL.dll, который будет выбран и скопирован во время установки. По сути это драйвер к устройствам материнской платы, к примеру таймерам, контроллеру прерываний. Сейчас его роль снижена, потому как многие драйвера материнки и чип-сета реализованы в ACPI.sys.
Читайте также: