Общая характеристика исполняющей подсистемы ОС Windows 2000

Над ядром и драйверами устройств располагается исполняющая система. Она написана на языке С, не зависит от архитектуры машины и может быть перенесена на новые машины относительно просто. Исполняющая система состоит из 10 компонентов, каждый из которых представляет собой набор процедур, работающих вместе для выполнения некоторой задачи.

Между отдельными компонентами нет жестких границ, что даже позволяет некоторым авторам, описывающим систему, по-разному группировать процедуры в компонентах. Следует заметить, что компоненты одного уровня могут вызывать друг друга.

Менеджер объектов управляет всеми объектами, известными операционной системе. К ним относятся процессы, потоки, файлы, каталоги, семафоры, устройства ввода-вывода, таймеры и др. При создании объекта менеджер объектов получает в адресном пространстве ядра блок виртуальной памяти и возвращает этот блок в список свободных блоков, когда объект уничтожается. Работа менеджера объектов состоит в том, чтобы следить за всеми объектами. Следует заметить, что большинство компонентов исполняющей системы представляет собой процедуры, которые выполняются другими потоками системы в режиме ядра. Однако некоторые менеджеры, например менеджер питания и менеджер plug-andplay, являются настоящими потоками. Менеджер объектов также управляет пространством имен, в которое помещается созданный объект, чтобы впоследствии к нему можно было обратиться по имени. Все остальные компоненты исполняющей системы активно пользуются объектами во время своей работы. Объекты занимают центральное место в функционировании ОС Windows 2000.

Менеджер ввода-вывода формирует каркас для управления устройствами ввода-вывода и представляет общие службы ввода-вывода. Он обеспечивает остальной части ОС независимый от устройств ввода-вывода, вызывая для выполнения физического ввода-вывода соответствующий драйвер. К менеджеру ввода-вывода можно отнести файловые системы, формально являющиеся драйверами устройств под управлением менеджера ввода-вывода. Существуют два драйвера для файловых систем FAT и NTFS, которые независимы друг от друга и управляют разными разделами диска. Все файловые системы FAT управляются одним драйвером.

Менеджер процессов управляет процессами и потоками,включая их создание и завершение. Он занимается не стратегиями, применяемыми по отношению к процессам, а является механизмом управления ими. Менеджер процессов основывается на объектах потоков и процессов ядра и добавляет к ним дополнительные функции. Это ключевой элемент многозадачности Windows 2000.

Менеджер памяти реализует архитектуру виртуальной памяти со страничной подкачкой по требованию операционной системы. Он управляет преобразованием виртуальных страниц в физические страничные блоки. Он реализует правила защиты, ограничивающие доступ каждому процессу только теми страницами, которые принадлежат его адресному пространству. Он также контролирует определенные системные вызовы, относящиеся к виртуальной памяти.

Менеджер безопасности приводит в исполнение сложный механизм безопасности Windows 2000, удовлетворяющий требованиям класса С2 Оранжевой книги Министерства обороны США. В этой книге перечислены правила, которые должна соблюдать система, начиная с аутентификации при регистрации и заканчивая управлением доступом, а также обнулением страниц перед их повторным использованием

Менеджер кэша хранит в памяти блоки диска, которые использовались в последнее время, чтобы ускорить доступ к ним в случае, если они понадобятся вновь. Его работа состоит в том, чтобы определить, какие именно блоки понадобятся вновь, а какие нет. ОС Windows 2000 может одновременно использовать несколько файловых систем. В этом случае менеджер кэша обслуживает все файловые системы. Когда требуется блок, он запрашивается у менеджера кэша. Если требуемого блока у менеджера нет, он обращается за ним к соответствующей файловой системе. Поскольку файлы могут отображаться в адресное пространство процессов, менеджер кэша должен взаимодействовать с менеджером виртуальной памяти, чтобы обеспечить требуемую непротиворечивость. Количество памяти, выделенное для кэша, динамически изменяется и может увеличиваться или уменьшаться при необходимости.

Менеджер plug-and-play получает все уведомления об установленных новых устройствах. Для некоторых устройств проверка производится при загрузке системы, но не после нее. Другие устройства, например USB, могут подключаться в любое время, и их подключение запускает пересылку сообщения менеджеру plug-and-play, который затем находит и загружает соответствующий драйвер.

Менеджер энергопотребления управляет потреблением энергии. Он выключает монитор и диски, если к ним не было обращений в течение определенного интервала времени. На переносных компьютерах менеджер энергопотребления следит за состоянием батарей и сообщает работающим программам об этом состоянии. В результате программы могут сохранить все файлы и приготовиться к корректному завершению работы.

Менеджер конфигурации отвечает за сохранение реестра. Он добавляет новые записи и ищет запрашиваемые ключи.

Менеджер вызова локальной процедуры обеспечивает высокоэффективное взаимодействие между процессами и их подсистемами. Поскольку этот путь нужен для выполнения некоторых системных вызовов, эффективность оказывается критичной, вот почему для этого не используются стандартные механизмы межпроцессного взаимодействия. Исполняющий модуль Win 32 GDI обрабатывает определенные системные вызовы (но не все). Изначально он располагается в пространстве пользователя, но в версии NT 4.0 для увеличения производительности был перенесен в пространство ядра. Интерфейс графических устройств GDI (Graphic Device Interface) занимается управлением графическими изображениями для монитора и принтера. Он предоставляет системные вызовы,позволяющие пользовательским программам выводить данные на монитор и принтеры независящим от устройств способом. Он содержит также оконный менеджер и драйвер дисплея. Интересно, что по объему программного кода интерфейс Win 32 и модуль GDI превосходят всю остальную исполняющую систему (это, видимо, и было причиной того, что до версии NT 4.0 эти модули не входили в ядро системы).

Над исполняющей системой размещаются системные службы. Их функции заключаются в предоставлении интерфейса к исполняющей системе. Системные службы принимают системные вызовы Windows 2000 и вызывают другие части исполняющей системы для их выполнения. При загрузке операционная система Windows 2000 загружается в память, как набор файлов.

Основная часть ОС, состоящая из ядра и исполняющей системы, хранится в файле ntoskrnl.exe.

Уровень HAL представляет собой библиотеку общего доступа, расположенного в отдельном файле hal.dll. Интерфейс Win 32 и интерфейс графических устройств хранятся вместе в третьем файле win32k.sys.

Наконец, загружается множество драйверов устройств, большинство из которых имеет расширение.sys. Существуют две версии файла ntoskrnl.exe: для однопроцессорных и многопроцессорных систем. Кроме того, существуют версии для процессора Хеоп, способного поддерживать более 4 Гбайт физической памяти, и для процессора Pentium, который поддерживает только 4 Гбайта памяти. Наконец, этот модуль может содержать или не содержать отладочные функции, в зависимости от чего он предназначается либо для­отладки системы, либо для продажи в магазинах. Всего получается восемь комбинаций, но две пары были объединены вместе. В результате получается только шесть, одна из которых копируется при установке в файл ntoskrnl.exe (из дистрибутива системы).