Архитектура операционной системы и ее классификации. Ядро (kernel) низкоуровневая основа любой операционной системы, выполняемая аппаратурой в особом привилегированном режиме
 Скачать 1.2 Mb.
|
WindowsСтруктура ОС Windows Общее описание структуры системы Архитектура ОС Windows (в данном разделе она излагается, следуя главным образом [3] и [6]), претерпела ряд изменений в процессе эволюции. Первые версии системы имели микроядерный дизайн, основанный на микроядре Mach, которое было разработано в университете Карнеги-Меллона. Архитектура более поздних версий системы микроядерной уже не является. Причина заключается в постепенном преодолении основного недостатка микроядерных архитектур - дополнительных накладных расходов, связанных с передачей сообщений. По мнению специалистов Microsoft, чисто микроядерный дизайн коммерчески невыгоден, поскольку неэффективен. Поэтому большой объем системного кода, в первую очередь управление системными вызовами и экранная графика, был перемещен из адресного пространства пользователя в пространство ядра и работает в привилегированном режиме. В результате в ядре ОС Windows переплетены элементы микроядерной архитектуры и элементы монолитного ядра (комбинированная система). Сегодня микроядро ОС Windows слишком велико (более 1 Мб), чтобы носить приставку "микро". Основные компоненты ядра Windows NT располагаются в вытесняемой памяти и взаимодействуют друг с другом путем передачи сообщений, как и положено в микроядерных операционных системах. В тоже время все компоненты ядра работают в одном адресном пространстве и активно используют общие структуры данных, что свойственно операционным системам с монолитным ядром. Высокая модульность и гибкость первых версий Windows NT позволила успешно перенести систему на такие отличные от Intel платформы, как Alpha (корпорация DEC), Power PC (IBM) и MIPS (Silicon Graphic). Более поздние версии ограничиваются поддержкой архитектуры Intel x86. Упрощенная схема архитектуры, ориентированная на выполнение Win32-приложений, показана на рис. 1.4.  ОС Windows состоит из компонентов, работающих в режиме ядра, и компонентов, работающих в режиме пользователя. Несмотря на миграцию системы в сторону монолитного ядра она сохранила некоторую структуру. В схеме, представленной на рис. 1.4, отчетливо просматриваются несколько функциональных уровней, каждый из которых пользуется сервисами более низкого уровня. Задача уровня абстрагирования от оборудования (hardware abstraction layer, HAL) - скрыть аппаратные различия аппаратных архитектур для потенциального переноса системы с одной платформы на другую. HAL предоставляет выше лежащим уровням аппаратные устройства в абстрактном виде, свободном от индивидуальных особенностей. Это позволяет изолировать ядро, драйверы и исполнительную систему ОС Windows от специфики оборудования (например, от различий между материнскими платами). Ядром обычно называют все компоненты ОС, работающие в привилегированном режиме работы процессора или в режиме ядра. Корпорация Microsoft называет ядром (kernel) компонент, находящийся в невыгружаемой памяти и содержащий низкоуровневые функции операционной системы, такие, как диспетчеризация прерываний и исключений, планирование потоков и др. Оно также предоставляет набор процедур и базовых объектов, применяемых компонентами высших уровней. Ядро и HAL являются аппаратно-зависимыми и написаны на языках Си и ассемблера. Верхние уровни написаны на языке Си и являются машинно-независимыми. Исполнительная система (executive) обеспечивает управление памятью, процессами и потоками, защиту, ввод-вывод и взаимодействие между процессами. Драйверы устройств содержат аппаратно-зависимый код и обеспечивают трансляцию пользовательских вызовов в запросы, специфичные для конкретных устройств. Подсистема поддержки окон и графики реализует функции графического пользовательского интерфейса (GUI), более известные как Win-32-функции модулей USER и GDI В пространстве пользователя работают разнообразные сервисы (аналоги демонов в Unix), управляемые диспетчером сервисов и решающие системные задачи. Некоторые системные процессы (например, обработка входа в систему) диспетчером сервисов не управляются и называются фиксированными процессами поддержки системы. Пользовательские приложения (user applications) бывают пяти типов: Win32, Windows 3.1, MS-DOS, POSIX и OS/2 1.2. Среду для выполнения пользовательских процессов предоставляют три подсистемы окружения: Win32, POSIX и OS/2. Таким образом, пользовательские приложения не могут вызывать системные вызовы ОС Windows напрямую, а вынуждены обращаться к DLL подсистем (краткое определение dll имеется в приложении). Основные компоненты ОС Windows реализованы в следующих системных файлах, находящихся в каталоге system32: ntoskrnl.exe - исполнительная система и ядро; ntdll.dll - внутренние функции поддержки и интерфейсы диспетчера системных сервисов с функциями исполнительной системы; hal.dll - уровень абстрагирования от оборудования; win32k.sys - часть подсистемы Win32, работающая в режиме ядра; kernel32.dll, advapi32.dll, user32.dll, gdi32.dll - основные dll подсистемы Win32. Подсистема Win32 Поскольку практическая часть данного курса предполагает разработку и выполнение разнообразных Win32-приложений, которые работают в среде, создаваемой Win32-подсистемой, необходимо рассмотреть ее более подробно. Взаимодействие между приложением и операционной системой осуществляется при помощи системных вызовов (системных сервисов в терминологии Microsoft). Однако приложение не может вызвать системный вызов напрямую (более того, системные вызовы не документированы). Вместо этого приложение должно воспользоваться программным интерфейсом ОС - Win32 API. Win32 API (Application Programming Interface) - основной интерфейс программирования в семействе операционных систем Microsoft Windows. Функции Win32 API , например, CreateProcess или CreateFile, - документированные, вызываемые подпрограммы, реализуемые Win32 подсистемой. В состав Win32 подсистемы (см. рис. 1.4) входят: cерверный процесс подсистемы окружения csrss.exe, драйвер режима ядра Win32k.sys, dll - модули подсистем (kernel32.dll, advapi32.dll, user32.dll и gdi32.dll), экспортирующие Win32-функции и драйверы графических устройств. В процессе эволюции структура подсистемы претерпела изменения. Например, функции окон и рисования с целью повышения производительности были перенесены из серверного процесса, работающего в режиме пользователя, в драйвер режима ядра Win32k.sys. Однако это и подобные изменения никак не отразились на работоспособности приложений, поскольку существующие вызовы Win32 API не изменяются с новыми выпусками системы Windows, хотя их состав постоянно пополняется. Приложение, ориентированное на использование Win32 API, может работать практически на всех версиях Windows, несмотря на то, что сами системные вызовы в различных системах различны (см. рис. 1.5). Таким путем корпорация Microsoft обеспечивает преемственность своих операционных систем.  При запуске процесса все требуемые динамические библиотеки отображаются на его виртуальное адресное пространство, а для быстрого вызова библиотечной процедуры используется специальный вектор передачи.  При вызове приложением одной из Win32-функций dll-подсистем может возникнуть одна из трех ситуаций (см. рис. 1.6). Функция полностью выполняется внутри данной dll (шаг 1). Для выполнения функции привлекается сервер csrss, для чего ему посылается сообщение (шаг 2a, за которым обычно следуют шаги 2b и 2c). Данный вызов транслируется в системный сервис (системный вызов), который обычно обрабатывается в модуле ntdll.dll (шаги 3a и 3b). Например, Win32-функция ReadFile выполняется с помощью недокументированного сервиса NtReadFile. Некоторые функции (например, CreateProcess ) требуют выполнения обоих последних пунктов. В первых версиях ОС Windows практически все вызовы Win32 API выполнялись, следуя маршруту 2 (2a, 2b, 2c). После того, как существенная часть кода системы для увеличения производительности была перенесена в ядро (начиная с Windows NT 4.0), вызовы Win32 API, как правило, идут напрямую по 3-му (3a, 3b) пути, минуя подсистему окружения Win32. В настоящее время лишь небольшое число вызовов выполняется по длинному 2-му маршруту. Помимо перечисленных, наиболее важных dll-библиотек, в системном каталоге system32 имеется большое количество других dll-файлов. В настоящее время количество вызовов API составляет несколько десятков тысяч. Список экспортируемых каждой конкретной dll функций можно посмотреть с помощью утилиты depends, входящей в пакет Platform SDK. Так, на рис. 1.7 приведена информация о структуре библиотеки kernel32.dll ОС Windows XP, экспортирующей 949 функций. Реализация прерываний, системных вызовов и исключений в ОС Windows Рассмотрим реализацию основных механизмов операционной системы в ОС Windows. Следует отметить, что терминология корпорации Microsoft несколько отличается от общепринятой. Например, системные вызовы называются системными сервисами, а под программным прерыванием (см. прерывания DPC и APC) понимается выполнение специфичных функций ядра, требующих прерывания работы текущего процесса. Ловушки Общим для реализации рассматриваемых основных механизмов является необходимость сохранения состояния текущего потока с его последующим восстановлением. Для этого в ОС Windows используется механизм ловушек (trap). В случае возникновения требующего обработки события (прерывания, исключения или вызова системного сервиса) процессор переходит в привилегированный режим и передает управление обработчику ловушек, входящему в состав ядра. Обработчик ловушек создает в стеке ядра (о стеке ядра см. лекцию 5 ) прерываемого потока фрейм ловушки, содержащий часть контекста потока для последующего восстановления его состояния, и в свою очередь передает управление определенной части ОС, отвечающей за первичную обработку произошедшего события. В типичном случае сохраняются и впоследствии восстанавливаются: программный счетчик; регистр состояния процессора; содержимое остальных регистров процессора; указатели на стек ядра и пользовательский стек; указатели на адресное пространство, в котором выполняется поток (каталог таблиц страниц процесса). Эта информация специфицирована в структуре CONTEXT (файл winnt.h), и может быть получена пользователем с помощью функции GetThreadContext. Адрес части ядра ОС, ответственной за обработку данного конкретного события определяется из вектора прерываний, который номеру события ставит в соответствие адрес процедуры его первичной обработки. Это оказывается возможным, поскольку все события типизированы и их число ограничено. Для асинхронных событий их номер определяется контроллером прерываний, а для синхронных - ядром. В [6] описана процедура просмотра вектора прерываний, который в терминологии корпорации Microsoft называется таблицей диспетчеризации прерываний (interrupt dispatch table, IDT), при помощи отладчика kd. Например, для x86 процессора прерыванию от клавиатуры соответствует номер 0x52, системным сервисам - 0x2e, а исключительной ситуации, связанной со страничной ошибкой, - 0xE (см. рис. 3.1рс. 3.1).  Рис. 3.1. Вектор прерываний (IDT) После прохождения первичной обработки для каждого события предусмотрена процедура его последующей обработки другими частями ОС. Например, обработка системного сервиса (системного вызова) предполагает передачу управления по адресу 0x2e, где располагается диспетчер системных сервисов, которому через регистры EAX и EBX передаются номер запрошенного сервиса и список параметров, передаваемых этому системному сервису. То же самое происходит в случае возникновения исключений и прерываний. Простые исключения могут быть обработаны диспетчером ловушек, а более сложные обрабатываются диспетчером исключений, который может в случае возникновения исключения вернуть управление вызвавшему это исключение приложению. Это делается с помощью упомянутого выше аппарата структурной обработки исключений. Вторичная обработка прерывания обеспечивается драйверами соответствующих устройств. В качестве примера рассмотрим процедуру обработки создания файла. Вызов Win32 функции CreateFile() генерирует передачу управления функции NtCreateFile исполнительной системы, ассемблерный код которой содержит следующие операции: mov еах, Ox17 номер системного сервиса для NtCreateFile mov ebx, esp int Ox2E обработка системного сервиса ret Ox2C возврат управления Рисунок 3.2 иллюстрирует дальнейшую обработку данного сервиса.  Рис. 3.2. Пример обработки системного вызова (системного сервиса). Приоритеты. IRQL В большинстве операционных систем аппаратные прерывания имеют приоритеты, которые определяются контроллерами прерываний. Однако ОС Windows имеет свою аппаратно-независимую шкалу приоритетов, которые называются уровни запросов прерываний (interrupt request levels, IRQL), и охватывает не только прерывания, а все события, требующие системной обработки. В таблице 3.1 приведены значения IRQL уровней для x86 систем.
Обрабатываемые события обслуживаются в порядке их приоритета, и события с более высоким приоритетом вытесняют обработку событий с меньшим приоритетом. При возникновении события с высоким приоритетом IRQL процессора повышается до уровня данного события. После его обработки могут проявить себя замаскированные менее приоритетные события, которые, в свою очередь, могут быть обработаны по обычной схеме. Текущий уровень приоритета хранится в данных, описывающих состояние процессора, и может быть определен системным отладчиком kd или посредством вызова функции KeGetCurrentIrql. Значения IRQL для аппаратных прерываний расставляются диспетчером Plug and Play с помощью уровня абстрагирования от оборудования HAL, а для остальных событий - ядром. Таким образом, уровень IRQL определяется источником события, что имеет иной смысл, нежели приоритеты в стратегии планирования потоков. Разбиение на IRQL уровни является основным механизмом упорядочивания по приоритетам действий операционной системы. Можно сказать, что в ОС Windows действует двухуровневая схема планирования. Приоритеты высшего уровня (в данном случае IRQLs) определяются аппаратными или программными прерываниями, а приоритеты низшего уровня (в своем диапазоне от 0 до 31) устанавливаются для пользовательских потоков, выполняемых на нулевом уровне IRQL, и контролируются планировщиком. На нулевом (PASSIVE LEVEL) уровне IRQL работают пользовательские процессы и часть кода операционной системы. Программа, работающая на этом уровне, может быть вытеснена почти любым событием, случившимся в системе. Большинство процедур режима ядра старается удерживать IRQL уровень процессора как можно более низким. IRQL уровни 1 (APC LEVEL) и 2 (DISPATCH LEVEL) предназначены для так называемых программных (в терминологии Microsoft) прерываний соответственно: асинхронный вызов процедуры - APC (asynchronous procedure call) и отложенный вызов процедуры - DPC (deferred procedure call). Если ядро принимает решение выполнить некоторую системную процедуру, но нет необходимости делать это немедленно, оно ставит ее в очередь DPC и генерирует DPC прерывание. Когда IRQL процессора станет достаточно низким, эта процедура выполняется. Характерный пример - отложенная операция планирования. Из этого следует, что код, выполняемый на IRQL уровне, выше или равном 2, не подвержен операции планирования. Асинхронный вызов процедур - механизм, аналогичный механизму DPC, но более общего назначения, в частности, доступный пользовательским процессам. IRQL уровни 3-26 относятся к обычным прерываниям от устройств. Более подробное описание IRQL уровней имеется в [6]. Заключение В настоящей лекции описаны прерывания, системные вызовы и исключительные ситуации, которые являются фундаментальными механизмами операционных систем, и проанализированы особенности их реализации в ОС Windows. Обработка всех типов событий осуществляется единым образом и связана с сохранением/восстановлением состояния и эффективным поиском программы обработчика по системным таблицам. Важную роль для правильной организации имеет иерархия событий, реализованная в виде набора IRQL приоритетов. Понятие процесса и потока На сегодня общепринятым является взгляд на ОС как на систему, обеспечивающую параллельное (или псевдопараллельное) выполнение набора последовательных процессов или просто процессов. Задача ОС состоит в том, чтобы организовать их поддержку, которая подразумевает, что каждый процесс получит все необходимые ему ресурсы (место в памяти, процессорное время и т.д.). Считается также, что независимые процессы не должны влиять друг на друга, а процессы, которым необходимо обмениваться информацией, должны иметь возможность сделать это путем межпроцессного взаимодействия. Из курса теории операционных систем известно, что процесс является динамическим объектом, описывающим выполнение программы. Процессу выделяются системные ресурсы: закрытое адресное пространство, семафоры, коммуникационные порты, файлы и т.д. Процесс характеризуется текущим состоянием (выполнение, ожидание, готовность и т.д.). Для описания столь сложного динамического объекта ОС поддерживает набор структур, главную из которых принято называть блоком управления процессом (PCB, Process control block). В состав PCB обычно включают: состояние, в котором находится процесс; программный счетчик процесса или, другими словами, адрес команды, которая должна быть выполнена для него следующей; содержимое регистров процессора; данные, необходимые для планирования использования процессора и управления памятью (приоритет процесса, размер и расположение адресного пространства и т. д.); учетные данные (идентификационный номер процесса, какой пользователь инициировал его работу, общее время использования процессора данным процессом и т. д.); информацию об устройствах ввода-вывода, связанных с процессом (например, какие устройства закреплены за процессом; таблица открытых файлов). Блок управления процессом является моделью процесса для операционной системы. Любая операция, производимая операционной системой над процессом, вызывает определенные изменения в PCB. Псевдопараллельное выполнение процессов предполагает периодическую приостановку текущего процесса и его последующее возобновление. Для этого нужно уметь сохранять часть данных из PCB, которые обычно называют контекстом процесса, а операцию по сохранению данных одного процесса и восстановлению данных другого называют переключением контекстов. Переключение контекста не имеет отношения к полезной работе, выполняемой процессами, и время, затраченное на него, сокращает полезное время работы процессора Потоки Классический процесс содержит в своем адресном пространстве одну программу. Однако во многих ситуациях целесообразно поддерживать в едином адресном пространстве процесса несколько выполняющихся программ (потоков команд или просто потоков ), работающих с общими данными и ресурсами.  Рис. 5.1. Процесс с несколькими потоками В этом случае процесс можно рассматривать в качестве контейнера ресурсов, а все проблемы, связанные с динамикой исполнения, решаются на уровне потоков. Обычно каждый процесс начинается с одного потока, а остальные (при необходимости) создаются в ходе выполнения. Теперь уже не процесс, а поток характеризуется состоянием, поток является единицей планирования, процессор переключается между потоками, и необходимо сохранять контекст потока (что существенно проще, чем сохранение контекста процесса). Подобно процессам потоки (нити, threads) в системе описываются структурой данных, которую обычно называют блоком управления потоком (thread control block, TCB). Реализация процессов Внутреннее устройство процессов в ОС Windows В 32-разрядной версии системы у каждого процесса есть 4-гигабайтное адресное пространство, в котором пользовательский код занимает нижние 2 гигабайта (в серверах 3 Гбайта). В своем адресном пространстве, которое представляет собой набор регионов и описывается специальными структурами данных (см. часть III "система управления памятью"), процесс содержит потоки, учетную информацию и ссылки на ресурсы, которые обобществляются всеми потоками процесса. Блок управления процессом (PCB) реализован в виде набора связанных структур, главная из которых называется блоком процесса EPROCESS. Соответственно, каждый поток также представлен набором структур во главе с блоком потока ETHREAD. Эти наборы данных, за исключением блоков переменных окружения процесса и потока (PEB и TEB), существуют в системном адресном пространстве. Упрощенная схема структур данных процесса показана на рис. 5.2.  Рис. 5.2. Управляющие структуры данных процесса Содержимое блока EPROCESS подробно описано в [6]. Блок KPROCESS (на рис. справа), блок переменных окружения процесса (PEB) и структура данных, поддерживаемая подсистемой Win32 (блок процесса Win32), содержат дополнительные сведения об объекте "процесс". Идентификатор процесса кратен четырем и используется в роли байтового индекса в таблицах ядра наравне с другими объектами. Создание процесса Обычно процесс создается другим процессом вызовом Win32-функции CreateProcess (а также CreateProcessAsUser и CreateProcessWithLogonW ). Создание процесса осуществляется в несколько этапов. На первом этапе, выполняемом библиотекой kernel32.dll в режиме пользователя, на диске отыскивается нужный файл-образ, после чего создается объект "раздел" памяти для его проецирования на адресное пространство нового процесса. На втором этапе выполняется обращение к системному сервису NtCreateProcess для создания объекта "процесс". Формируются блоки EPROCESS, KPROCESS и блок переменных окружения PEB. Менеджер процессов инициализирует в блоке процесса маркер доступа (копируя аналогичный маркер родительского процесса), идентификатор и другие поля. На третьем этапе в уже полностью проинициализированном объекте "процесс" необходимо создать первичный поток. Это, посредством системного сервиса NtCreateThread, делает библиотека kernel32.dll. Затем kernel32.dll посылает подсистеме Win32 сообщение, которое содержит информацию, необходимую для выполнения нового процесса. Данные о процессе и потоке помещаются, соответственно, в список процессов и список потоков данного процесса, затем устанавливается приоритет процесса, создается структура, используемая той частью подсистемы Win32, которая работает в режиме ядра, и т.д. Наконец, запускается первичный поток, для чего формируются его начальный контекст и стек, и выполняется запуск стартовой процедуры потока режима ядра KiThreadStartup. После этого стартовый код из библиотеки C/C++ передает управление функции main() запускаемой программы. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||