Сравнительный анализ архитектуры оболочки Windows 3.11, ОС Windows 95 и ОС Windows 2000.

Семейство ОС компании Microsoft

Сравнительный анализ архитектуры оболочки Windows 3.11, ОС Windows 95 и ОС Windows 2000.

В те годы, когда появилась первая система Windows, а это произошло в ноябре 1985 года, наибольшее распространение имели компьютеры на базе процессора i80286. Этот процессор хотя и имел средства для организации мультизадачного режима работы (в нем компания Intel впервые реализовала защищенный режим работы, поддержку виртуальной памяти с сегментным механизмом, кольца защиты со шлюзованием для доступа к сегментам кода и многое другое), но аппаратная поддержка была слишком слаба и несовершенна. Только с широким распространением 32-разрядных процессоров (i80386 и все последующие) появилась возможность со временем отказаться в системах Windows от поддержки 16-разрядного защищенного режима работы процессоров и в качестве основного выбрать полноценный 32-разрядный защищенный режим. Микропроцессор i80386 появился в том же 1985 году, однако первые несколько лет этот микропроцессор использовался просто как более быстродействующий 16-разрядный микропроцессор i8086 или i80286 (благо он поддерживал такую возможность), поскольку для него долгое время не существовало полноценной 32-разрядной операционной системы.

После первой системы Windows, которая себя только обозначила, компания Microsoft в течение нескольких лет принимала активное участие в работах по созданию операционной системы OS/2. Можно сказать, что операционная система Windows NT выросла из проекта OS/2, который имел версию 3. 0. Однако проблемы во взаимоотношениях между этими фирмами и желание стать первыми в создании новых мультизадачных операционных систем, имеющих графический интерфейс, привели к тому, что компания Microsoft продолжила работу над Windows вопреки существовавшей договоренности, а в последующем даже разорвала отношения с IBM. Было выпущено несколько версий Windows, пока наконец в 1990 году вышла одна из самых популярных систем того времени — система Windows 3. 0. Это была операционная система, предназначенная для работы на процессорах i80386, однако прикладные программы, которые могли выполняться под ее управлением, рассчитывались на интерфейс Winl6 API. Обеспечивалось выполнение DOS-приложений, которые на тот момент доминировали. Для своего запуска эта операционная система требовала наличия среды MS DOS. При запуске программы WIN. COM последняя переводила микропроцессор в защищенный режим работы и начинала загружать ядро Windows. Часть драйверов заменялась новыми, а часть могла остаться от MS DOS. После загрузки Windows 3. 0 на компьютере можно было параллельно выполнять несколько приложений.

После системы Windows 3. 0 появилась система Windows 3. 1 и, наконец, сетевая операционная система Windows 3. 11 for Workgroups. Все эти операционные системы, хотя и были популярны, имели определенные недостатки, в частности, нельзя было задействовать более 16 Мбайт памяти, не обеспечивались должные надежность и производительность, поскольку не использовались все те возможности 32-разрядного защищенного режима работы микропроцессора, которые этот режим предоставлял. В Windows 3.1 обычно можно было загрузить от 3 до 5 приложений.

Архитектура ОС Windows 3.1 представлена на рисунке 7.3.

В состав операционной системы Windows 3.1 входит системная виртуальная машина System VM, внутри которой размещаются все 16-разрядные приложения Win16, а также код и данные системных DLL, которые обеспечивают выполнение сервисных функций ОС. Приложения Win16 выполняются в общем адресном пространстве внутри системной виртуальной машины. Программы Win16 выполняются в режиме невытесняющей многозадачности. Поэтому одной из проблем Windows 3.1 является способность приложения вызвать крах всей системы, вынудив сделать перезагрузку.Системные библиотеки USER, GDI и KERNEL предоставляют сервисные функции операционной системы приложениям и отображаются в адресное пространство, совместно используемое приложениями Win16. Приложения DOS запускаются на отдельных виртуальных DOS-машинах (VDM), работающих в режиме вытесняющей многозадачности. Диспетчер устанавливаемых файловых систем (IFS) и драйвер 32-разрядного доступа к файлам (только в Windows for Workgroups 3.11) осуществляют большинство файловых операций в защищенном режиме, что ускоряет доступ к файлам. Драйвер 32-разрядного доступа к диску управляет обменом с диском на физическом уровне.

Рисунок 7.3- Архитектура ОС Windows 3.1

Первой операционной системой от компании Microsoft, которая должна была исправить существовавшее положение вещей, была Chicago. Она вышла в свет в августе 1995 года и получила известное всему миру название Windows 95. Операционная система Windows 95, по сути дела, произвела революцию в персональных компьютерах. И это несмотря на появившуюся еще в 1992 г. великолепную 32-разрядную операционную систему OS/2 версии 2. 0, которая к 1995 году ｫдорослаｻ уже до версии 2. 2 и имела существенно более совершенный графический интерфейс. К сожалению, большинство пользователей почти ничего не знали о существовании этой полноценной, надежной и эффективной операционной системы, поскольку фирма IBM мало беспокоилась об этом. Да и предыдущая (первая) версия операционной системы с тем же названием OS/2 себя не зарекомендовала.

В противоположность той позиции, которую заняла IBM, компания Microsoft задолго до появления своей операционной системы Windows 95 серьезно занималась ее продвижением. Пользователи хорошо знали возможности 16-разрядной системы Windows 3. x, они умели с ней работать. Правильно организованная рекламная кампания успешно делала свое дело, и пользователи ждали новую 32-разрядную операционную систему с нетерпением.

Появление операционной системы Windows 95 сопровождалось выходом большого числа соответствующего прикладного программного обеспечения и, что немаловажно, выпуском так необходимых всем книг, в которых излагались принципы работы с новой операционной системой и создания для нее прикладных программ. Многие фирмы, занимающиеся разработкой программного обеспечения, стали выпускать для Windows 95 различные пакеты прикладных программ, системы управления базами данных, системы программирования и другие программы. Все это вместе взятое стало мощнейшим стимулом, обеспечившим победу операционной системе Windows 95, несмотря на то что по своей архитектуре и возможностям она почти по всем параметрам уступала операционной системе OS/2. Операционная система Linux в те годы еще только начинала о себе заявлять.

Затем в 1996 году вышла вторая редакция операционной системы Windows 95 (это был проект Nashville), которая получила название Windows 95 OSR 2 (OEM Service Release 2). В этой операционной системе были улучшены система управления файлами (введена поддержка файловой системы FAT32), а также средства для работы с мультимедиа и Интернетом. Далее в 1998 году компания Microsoft обновила свою операционную систему еще раз, дав ей имя Windows 98. Эта операционная система имела еще больше именно 32-разрядного собственного кода, обладала большей стабильностью и производительностью, поскольку был устранен почти весь прежний 16-разрядный код, выполнявшийся достаточно часто и имевший все характерные для него недостатки. В частности, была введена новая модель 32-разрядных драйверов WDM (Windows Driver Model), которая позволяет использовать драйверы, создаваемые для операционных систем семейства Windows NT Важной для успеха этой операционной системы была также полноценная поддержка интерфейса USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина).

Рисунок – 7.4 Архитектура ОС Windows 9Х

Архитектура Windows 9Х (рисунок 7.4) представляет собой немного улучшенную версию архитектуры Windows 3.1. Внутри системной VM выполняются приложения Win16 и Win32. Большая часть кода операционной системы и данных также размещается здесь. Приложения Win32 работают на основе алгоритма вытесняющей многозадачности в отдельных адресных пространствах. Все приложения Win16 выполняются как единый процесс в общем адресном пространстве на основе алгоритма невытесняющей многозадачности. Библиотеки динамической компоновки USER, USER32, GDI, GDI32, KERNEL и KERNEL32, которые предоставляют системные сервисы всем приложениям, загружаются в системную VM и отображаются в адресные пространства каждого прикладного процесса. Это повышает производительность за счет устранения затрат времени на переходы между кольцами защиты при вызове системных функций. Однако с другой стороны, это также ставит под угрозу целостность системы, открывая доступ к частям ОС для прикладных программ. На виртуальных DOS-машинах (VDM) выполняются DOS-программы. Они работают в режиме вытесняющей многозадачности.

В Windows 9Х осталось много старого кода, с помощью которого осуществляется выполнение приложений. Например, такие критические компоненты операционной системы, как USER и GDI, которые соответственно обеспечивают управление окнами и предоставляют средства графического интерфейса, являются по-прежнему 16-разрядными и работают в том же адресном пространстве, что и 16-разрядные приложения. Поэтому 16-разрядное приложение, содержащее ошибки, может потенциально "подвесить" виртуальную машину, на которой работают подсистемы USER и GDI, или, что еще хуже, заставить USER или GDI неверно работать, что может привести к краху всей ОС. Даже 32-разрядные приложения могут вызвать останов системы. Большая часть нижней памяти размером в 1 Мбайт, принадлежащая адресному пространству системного кода Windows 95 (то есть системной виртуальной машине System VM), открыта для операций приложения Win32.

Многозадачность - это еще одно потенциально слабое место. Windows 9Х пересылает все вызовы USER API через 16-разрядную системную виртуальную машину System VM, которая размещается там же , где и выполняемое 16-разрядное приложение. Если 16-разрядное приложение "подвешивает" машину System VM, отказываясь обрабатывать сообщение (встречающийся чаще всего тип ошибки в существующих приложениях Windows), то все остальные процессы приостанавливаются. Пока пользователь не завершит в принудительном порядке зависшее 16-разрядное приложение (в Windows 9Х есть хорошее средство для выполнения этой операции) и тем самым не освободит машину System VM, другие выполняемые программы, даже 32-разрядные, будут заблокированы.

Подсистема управления виртуальными машинами (VM Manager, VMM) предоставляет сервисные функции низкого уровня, такие как распределение процессорного времени между VM и управление виртуальной памятью. Сюда также относятся драйверы виртуальных устройств (VxD) для аппаратуры.

Подсистема управления файлами Windows 9Х работает в нулевом кольце защиты и обрабатывает все вызовы, связанные с вводом-выводом. Большинство вызовов обрабатывается в защищенном режиме, но некоторые по-прежнему приводят к переключению в режим Virtual 86, и обрабатываются в реальном режиме DOS. Диспетчер устанавливаемых файловых систем IFS передает вызовы файлового ввода-вывода драйверу соответствующей файловой системы. Драйвер файловой системы VFAT реализует собственную VFAT-систему Windows 9Х , которая похожа на файловую систему FAT с добавленными средствами обработки длинных имен файлов. Драйвер CDFS заменяет MSCDEX и управляет операциями по вводу данных с накопителей CD ROM. Редиректор, выполненный в виде драйвера файловой системы, обеспечивает обращение к сетевым накопителям. Можно устанавливать дополнительные драйверы файловых систем. Подсистема блочного ввода-вывода выполняет соответствующие операции на физическом уровне в ответ на запросы драйверов файловых систем.

Подсистема управления виртуальными машинами (VMM) предоставляет низкоуровневые сервисные функции, например, планирование нитей и управление памятью. Сюда также относятся драйверы виртуальных устройств (VxD) для аппаратуры.