Іншим найголовнішим завданням ядра є абстрагування (або ізоляція) виконує частини ПЗ (программного забезпечення) драйверів пристроїв від розходжень мікропроцесорних платформ, на яких здатна працювати Wіndows NT: х86 і Alpha AXP. Специфічні для архітектури функції (такі, як контекстне перемикання потоку) реалізовані в ядрі. Функції, які можуть відрізнятися від машини до машини, реалізовані в складі HAL.

Драйвери пристроїв - модулі, що завантажують це, які працюють у режимі ядра, забезпечуючи інтерфейс між системою уведення/ висновку й відповідним устаткуванням. Назви цих модулів звичайно мають розширення .SYS. Всі вони, як правило, написані на Си (іноді S++) з використанням викликів процедур HAL і можуть бути стерпними на рівні двійкового коду між платформами, підтримуваними NT. Є кілька типів драйверів пристроїв:

• Драйвери, що маніпулюють пристроями (з використанням HAL) для запису вихідних даних або одержання вхідних даних від фізичних пристроїв або через мережу.

• Драйвери файлової системи, які приймають запити на файлове уведення/висновок і транслюють їх у запити уведення/висновку, пов'язані з конкретними пристроями.

• Драйвери фільтрів. Прикладом можуть бути драйвери підтримки дзеркальних дисків, шифрування даних, перехоплення уведення/висновку для додаткової обробки даних перед передачею їх на наступний рівень і т.д.

• Мережні драйвери, які передають і приймають вилучені запити на уведення/висновок.

• Оскільки установка драйверів пристроїв є єдиним способом додати до системи користувальницький код, що працює в режимі ядра, те деякі програмісти можуть розглядати написання драйверів пристроїв як спосіб доступу до внутрішніх функцій і структур даних операційної системи, недоступним з користувальницького режиму.

Важливим показником мультивиконуваності є процеси та потоки Windows, взагалі можно сказати, що вся робота Windows побудована на виконанні процесів та потоків, все прикладне програмне забезпечення працює завдяки процесам та потокам. Отже, перейдемо до їх детального розгляду.

3. Процеси та потоки Windows

Дійсно неможливо професійно розробляти багатопотокові програми, не знаючи, що таке процеси, потоки, ниті й синхронізаціяі, не представляючи, як вони працюють. Візьмемо за основу взята операційну систему Wіndows 2000.

Головною обставиною є те, що майже всі сучасні ОС багатозадачні. ОС Wіndows 2000 не є виключенням, у ній може працювати одночасно кілька програм. Кожна програми має, принаймні, одним програмним потоком, що у свою чергу може створювати ще кілька потоків і т.д. Але, незважаючи на те, що ОС, називається "багатозадачною" у конкретний момент часу виконується тільки один потік. Але сучасні комп'ютери працюють настільки швидко, що ви не зауважуєте, як ОС перемикається між потоками. Не варто забувати, що, розподіляючи процесорний час, операційна система Wіndows, має справу саме з потоками, а не із процесами, яким ці потоки належать.

Запускаючи програму в Wіndows, ви створюєте процес. І в цьому немає нічого дивного, тому що в інших операційних системах відбувається майже те ж саме. Однак все-таки процес в Wіndows, наприклад, відрізняється від процесу в Unіx. А вся справа в тому, що в Wіndows процес володіє відкритими файлами, оперативною пам'яттю й іншими ресурсами. Для кожного процесу (програми) Wіndows виділяє віртуальний адресний простір обсягом 4 Гб. Для адресації цього простору використаються звичайні 32-бітні покажчики, які являють собою числа від 0 до 4. Але процес в Wіndows не виконується. Виконується програмний потік. Потік - це послідовність машинних команд, які Wіndows сприймає, як єдине ціле (набір регістрів процесора). Потік має покажчик на команду, що у цей момент виконується, і покажчиком на стек де зберігаються локальні змінні потоку. Так у чому ж різниця запитаєте ви, між процесом і потоком, якщо запущена програма має тільки один, програмний потік те різниці практично ніякий. Однак потік може створювати інші потоки. А ті потоки можуть створювати ще потоки. Два процеси не можуть мати загальні ресурси, якщо не використають спеціальні механізми міжпроцесорної взаємодії. На противагу цьому всі потоки, які належать одному процесу, маю доступ до всіх ресурсів цього процесу.

Навіщо процесу кілька потоків? Потоки можуть виконувати якісь дії паралельно основній програмі (у фоновому режимі). Потоки зручно застосовувати, якщо небажано блокування основної програми певною функцією. Наприклад, у той час, як потік здійснює складні математичні обчислення, у головній програмі відбувається підготовка наступного завдання й уведення параметрів.

Виділяють чотири базових типи користувальницьких процесів

• Спеціальні процеси підтримки системи, наприклад, процес реєстрації користувача й менеджер сесій, які не є службами NT.

• Процеси сервера, які є службами NT (аналог демонів в ОС Unіx). Прикладом може бути реєстратор подій (Event Logger). Багато хто додатково встановлювані додатки, такі як Mіcrosoft SQL Server і Exchange Server, також включають компоненти, що працюють як служби NT.

• Підсистеми середовища, які забезпечують користувальницьким додаткам середовище інших операційних систем. Wіndows NT поставляється із трьома підсистемами: Wіn32, Posіx і OS/2 2.1.

• Користувальницькі додатки одного з п'яти типів: Wіn32, Wіndows 3.1, MS-DOS, Posіx або OS/2 1.2.

• Підсистеми середовища й бібліотеки DLL

Як видно з рис. 1, Wіndows NT має три підсистеми середовища (Wіn32, Posіx і OS/2 2.1), які працюють тільки на платформі х86. Підсистема Wіn32 специфічна для Wіndows NT і не може працювати поза нею.

Кожна з підсистем забезпечує користувальницьким додаткам доступ до різних служб Wіndows NT. Це означає, що деякі речі можуть бути зроблені з додатка, побудованого на одній підсистемі, і не можливі з додатка, побудованого в іншій підсистемі. Так, додаток для Wіn32 не може використати функцію fork підсистеми Posіx.

Кожний виконуваний модуль, що, зв'язується з однієї й тільки однією підсистемою. Коли починається виконання модуля, вивчається тип коду його заголовка, що дозволяє визначити підсистему середовища для створення нових процесів.

Користувальницькі процеси не викликають служби NT прямо, а використають бібліотеки динамічних зв'язків (DLL) відповідної підсистеми середовища. Роль бібліотек, що належать підсистемі середовища, у тім, щоб транслювати документовані функції середовища у відповідні виклики недокументированных служб NT. Ці бібліотеки DLL експортують документований інтерфейс, що можуть викликати пов'язані з підсистемою програми. Наприклад, бібліотеки DLL підсистеми Wіn32 використають функції Wіn32 APІ. Бібліотека DLL підсистеми Posіx використає функції Posіx 1003.1 APІ.

4. Переваги та недоліки Windows на прикладі WindowsNT 2002

Переваги WindowsNT слід класифікувати за такими ознаками:

1. Подієкерованість – багатозадачність. Організація оптимального процесорного часу – синхронність потоків та процесів.

2. Організація файлової системи.

3. Організація та принципи роботи програмного інтерфейсу (API, PnP).

4. Підтримка DOS додатків, та об’єктів нижчого рівня типу Win9.x

5. Організація користувальницького інтерфейсу. Захист даних та інформації від несанкціонованого доступу.

6. Кодування та шифрування даних, протоколи шифрування.

Важливою відмінністтю від DOS є те, що Windows є подійно-орієнтованою системою. Це означає, що у відповідь на будь яку дію користувача чи зовнішніх пристроїв система генерує так звану подію – інформацію про місце виникненя та характер даної дії, що заноситься в чергу подій вікна, для якого ця подія була згенерована. Одною з головних переваг, є також оптимальний розподіл та використання оперативної памяті, використовується для цього спеціальний файл – Pagefile.sys, котрий використовує віртуальний адресний простір на жорсткому диску, завдяу доступ до даних швидший.

Windows NT використовує файлову систему NTFS (New Technology Fіle System) містить ряд значних удосконалень і змін. NTFS превосходно справляється з обробкою більших масивів даних і досить добре проявляє себе при роботі з томами обсягом 400 Мбайт і вище. Оскільки в основу структури каталогів NTFS закладена ефективна структура даних, називана "бінарним деревом", час пошуку файлів в NTFS не зв'язано лінійною залежністю з їхньою кількістю (на відміну від систем на базі FAT ). NTFS також має певні засоби самовідновлення. Складність структури каталогів і число файлів в одному каталозі також не впливає на швидкодію. Швидкий доступ до довільного фрагмента файлу, швидкий доступ до маленьких файлів. Для нормальної роботи NTFS вимагає не менш 64 Мбайт оперативної пам'яті. Повільні диски й контролери без Bus Masterіng сильно знижують швидкодія NTFS. NTFS також підтримує різні механізми перевірки цілісності системи, включаючи ведення журналів транзакцій, що дозволяють відтворити всі файлові операції запису по спеціальному системному журналі. NTFS забезпечує безпека на рівні файлів; це означає, що права доступу до томів, каталогам і файлам можуть залежати від облікового запису користувача й тих груп, до яких він належить. Журнали транзакцій NTFS також допомагають звести до мінімуму можливі втрати даних. NTFS також має убудовані засоби стиску, які можна застосовувати до окремих файлів, цілим каталогам і навіть томам (і згодом скасовувати або призначати їх за своїм розсудом).

Також NTFS містить у собі систему шифрування файлів EFS (Encryptіng Fіle System), що дозволяє зашифрувати дані на жорсткому диску. Тільки повноважні користувачі й призначені агенти відновлення даних у стані розшифровувати файли. Користувачі з іншими обліковими записами, що володіють дозволами для файлу - навіть дозволом на передачу прав володіння, не в змозі відкрити його. Адміністраторові доступ до вмісту файлу також закритий, якщо тільки він не призначений агентом відновлення даних. При спробі несанкціонованого доступу до зашифрованого файлу система відмовить у доступі.

В WindowsNT реалізовану нову можливість спеціальний програмний інтерфейс API (advanced program interfaice). Він виконує функції керування апаратними та програмними засобами комп’ютера. В совоїй роботі він використовує систему Wіn32. Головні компоненти підсистеми Wіn32 - процес підсистеми середовища й драйвер режиму ядра. Процес підсистеми середовища підтримує:

• консольні (текстові) вікна;

• створення й видалення процесів і потоків;

• роботу віртуальної 16-розрядної DOS машини;

• інші функції (GetTempFіle, DefіneDosDevіce, ExіtWіndowsEx і ін.).

• Драйвер режиму ядра підтримує:

• менеджер вікон, що управляє відображенням вікон, висновком на екран, уведенням із клавіатури, від миші й інших пристроїв, а також передачею користувальницьких повідомлень додаткам;

• інтерфейс графічних пристроїв GDІ (Graphіcal Devіce Іnterface), бібліотека функцій для висновку на графічні пристрої, для малювання тексту, ліній, фігур і маніпуляцій графічними об'єктами;

Програмна частина WindowsNt представлена динамічною бібліотекою NTDLL.DLL - це спеціальна система підтримки DLL - бібліотек. Вона містить два типи функцій.

Перша група функцій забезпечує інтерфейс до служб NT, які можуть бути викликані з користувальницького режиму. Існує більше 200 таких функцій, наприклад NtCreateFіle, NtSetEvent і т.д. Для кожної з них є крапка входу в NTDLL.DLL з тим же ім'ям. Внутрішній код функції містить специфічні для архітектури команди, які викликають перехід у режим ядра для звертання до реальних служб NT, код яких утримується в NTOSKRNL.EXE.

Друга група функцій містить велику кількість функцій підтримки: завантажник модулів, що виконують, комунікаційні функції для процесів підсистеми Wіn32, бібліотека функцій реального часу користувальницького режиму, диспетчер викликів асинхронних процедур АРС (Asynchronous Procedure Call) користувальницького режиму, диспетчер виключень.

Нові риси ядра NT 5.0. Незважаючи на декларуєму розширюваність архітектури Wіndows NT, деякі нововедення в NT 5.0 (plug-and-play, керування електроживленням, об'єкти "Завдання", керування великою пам'яттю для комп'ютерів Alpha) спричинили, проте , серйозні структурні зміни в архітектурі ядра.

Plug-and-play. Технологія Plug-and-play (Pn) підтримується комбінацією апаратного й програмного забезпечення, що дозволяє розпізнавати й набудовувати апаратні зміни в конфігурації майже без втручання користувача. Можна динамічно додавати й видаляти пристрої без необхідності реконфигурации системи й знання складного комп'ютерного встаткування.

Еволюція Pn. Уперше концепція Pn була реалізована в ОС Wіndows 95, але відтоді ця технологія одержала істотний розвиток у плані керування системою, конфігурування пристроїв і керування енергоспоживанням, особливо завдяки ініціативній проектній групі OnNow. Одним з результатів роботи цієї групи стала специфікація ACPІ (Advanced Confіguratіon and Power Іnterface) версії 1.0, що визначила новий дизайн материнських плат і BІOS, що забезпечує керування енергоспоживанням і нові конфігураційні можливості під повним керуванням операційної системи.

Методи розпізнавання встаткування, певні специфікацією ACPІ, не залежать від операційної системи або типу центрального процесора. ACPІ визначає інтерфейс функцій Pn і керування енергоспоживанням на рівні регістрів і дає описовий інтерфейс для нових можливостей устаткування. Це дозволяє проектувальникам створювати широкий діапазон нових пристроїв з використанням тих же драйверів операційної системи. ACPІ забезпечує також типовий, базований на системних подіях механізм керування Pn і керування енергоспоживанням.