Windows操作系统体系结构一.pptx

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1、1操作系统结构设计操作系统结构设计操作系统设计有着不同于一般应用系统设计的特征：操作系统设计有着不同于一般应用系统设计的特征：复杂程度高复杂程度高研制周期长研制周期长正确性难以保证正确性难以保证解决途径：解决途径：良好的操作系统结构良好的操作系统结构先进的开发方法和工程化的管理方法先进的开发方法和工程化的管理方法高效的开发工具高效的开发工具 操作系统结构设计操作系统结构设计第1页/共47页2操作系统的设计目标操作系统的设计目标可靠性：正确性和健壮性可靠性：正确性和健壮性 高效性：提高系统的运行效率高效性：提高系统的运行效率 易维护性：易读、易扩充、易剪裁、易修改易维护性：易读、易扩充、易剪裁、

2、易修改性性 易移植性：一次开发，多处使用易移植性：一次开发，多处使用安全性：计算机软件系统安全性的基础安全性：计算机软件系统安全性的基础 可适应性可适应性简明性简明性 操作系统结构设计操作系统结构设计第2页/共47页3Windows的设计目标的设计目标总原则：市场需求总原则：市场需求 驱动驱动 设计目标设计目标需求：需求：提供一个真提供一个真3232位抢占式可重入的虚拟内存操作系统位抢占式可重入的虚拟内存操作系统能够在多种硬件体系结构和平台上运行能够在多种硬件体系结构和平台上运行能够在对称多处理系统上运行并具有良好的可伸缩能够在对称多处理系统上运行并具有良好的可伸缩性性优秀的分布式计算平台，既

3、可作为网络客户，又可优秀的分布式计算平台，既可作为网络客户，又可作为网络服务器作为网络服务器可运行多数现有可运行多数现有1616位位MS-DOSMS-DOS和和Microsoft Windows Microsoft Windows 3.1 3.1 应用程序应用程序符合政府对符合符合政府对符合POSLX 1003.1POSLX 1003.1的要求的要求符合政府和企业对操作系统安全性的要求符合政府和企业对操作系统安全性的要求支持支持UnicodeUnicode，适应全球市场的需要，适应全球市场的需要 操作系统结构设计操作系统结构设计第3页/共47页4可扩充性可扩充性当市场需求变化时，代码必须易于当

4、市场需求变化时，代码必须易于扩充改动扩充改动可移植性可移植性系统必须能够在多种硬件体系结构系统必须能够在多种硬件体系结构中运行和相对简单地移入新的体系结构中运行和相对简单地移入新的体系结构可靠性及健壮性可靠性及健壮性系统能防止内部故障及外部系统能防止内部故障及外部侵扰造成的损害，应用程序不应该损害操作系统侵扰造成的损害，应用程序不应该损害操作系统及正在运行的其他应用程序及正在运行的其他应用程序兼容性兼容性用户界面和用户界面和API应与已有的应与已有的Windows 版本兼容版本兼容性能性能系统应该在每一种硬件平台上尽可能快系统应该在每一种硬件平台上尽可能快地响应地响应Windows的设计目标的

5、设计目标操作系统结构设计操作系统结构设计第4页/共47页5操作系统的设计阶段操作系统的设计阶段功能设计：操作系统应具备哪些功能功能设计：操作系统应具备哪些功能 算法设计：选择和设计满足系统功能的算法和策略，并分析和估算其效能算法设计：选择和设计满足系统功能的算法和策略，并分析和估算其效能 结构设计：选择合适的操作系统结构结构设计：选择合适的操作系统结构 按照系统的功能和特性要求，选择合适的结构，使用相应的结构设计按照系统的功能和特性要求，选择合适的结构，使用相应的结构设计方法将系统逐步地分解、抽象和综合，使操作系统结构清晰、简单、可方法将系统逐步地分解、抽象和综合，使操作系统结构清晰、简单、可

6、靠、易读、易修改，而且使用方便，适应性强靠、易读、易修改，而且使用方便，适应性强操作系统结构设计操作系统结构设计第5页/共47页6操作系统结构操作系统结构操作系统结构设计操作系统结构设计操作系统是一种大型软件操作系统是一种大型软件,为了研制操作系统，为了研制操作系统，必须分析它的体系结构必须分析它的体系结构-也就是要弄清楚如何也就是要弄清楚如何把这一大型软件划分成若干较小的模块以及这把这一大型软件划分成若干较小的模块以及这些模块间有着怎样的接口。些模块间有着怎样的接口。模块组合结构模块组合结构层次结构层次结构虚拟机结构虚拟机结构微内核结构微内核结构第6页/共47页7几种常见的操作系统结构几种常

7、见的操作系统结构模块组合结构模块组合结构根据功能划分系统中的模块根据功能划分系统中的模块优点优点结构紧密，接口简单直接，系统效率高结构紧密，接口简单直接，系统效率高操作系统结构设计操作系统结构设计第7页/共47页8模块组合结构模块组合结构缺点缺点模块间转接随便模块间转接随便数据基本上作为全程量处理数据基本上作为全程量处理常常关中断，系统的并发性难以提高常常关中断，系统的并发性难以提高操作系统结构设计操作系统结构设计几种常见的操作系统结构几种常见的操作系统结构第8页/共47页9层次结构层次结构把操作系统的所有功能模块按功能的调用次序，分别排列成若干层，各层把操作系统的所有功能模块按功能的调用次序

8、，分别排列成若干层，各层之间的模块只能是单向依赖或单向调用的关系之间的模块只能是单向依赖或单向调用的关系E.W.Dijkstra的的THE系统：系统：操作系统结构设计操作系统结构设计几种常见的操作系统结构几种常见的操作系统结构第9页/共47页10F层次结构的特点层次结构的特点分解成许多功能单一的模块，各模块之间有清晰的组织结构和依赖关系分解成许多功能单一的模块，各模块之间有清晰的组织结构和依赖关系具有更高的可读性和可适应性具有更高的可读性和可适应性层次结构是单向依赖的，上层模块建立在下层基础上层次结构是单向依赖的，上层模块建立在下层基础上很容易增加或替换掉一层而不影响其它层次很容易增加或替换掉

9、一层而不影响其它层次便于修改、扩充便于修改、扩充 操作系统结构设计操作系统结构设计几种常见的操作系统结构几种常见的操作系统结构第10页/共47页11F层次结构的层间关系层次结构的层间关系全序全序 半序半序操作系统结构设计操作系统结构设计几种常见的操作系统结构几种常见的操作系统结构第11页/共47页12F分层原则分层原则为了增加操作系统的可适应性，并且便于将操作系统移植到其它机器上，为了增加操作系统的可适应性，并且便于将操作系统移植到其它机器上，必须把与机器特点紧密相关的软件，如中断处理，输入输出管理等放在必须把与机器特点紧密相关的软件，如中断处理，输入输出管理等放在紧靠硬件的最低层。紧靠硬件的

10、最低层。为了便于操作系统从一种操作方式转为了便于操作系统从一种操作方式转 变到另一种操作方式，通常把多种变到另一种操作方式，通常把多种操作方式共同使用的基本部分放在内层，而把随着这些操作方式而改变操作方式共同使用的基本部分放在内层，而把随着这些操作方式而改变的部分放在外层。的部分放在外层。为了给进程的活动提供必要的环境和条件，因此必须要有一部分软件为了给进程的活动提供必要的环境和条件，因此必须要有一部分软件系统调用的各功能，来为进程提供服务，通常这些功能模块（各系统系统调用的各功能，来为进程提供服务，通常这些功能模块（各系统调用功能）构成操作系统内核，放在系统的内层。调用功能）构成操作系统内核

11、，放在系统的内层。操作系统结构设计操作系统结构设计几种常见的操作系统结构几种常见的操作系统结构第12页/共47页13操作系统结构设计操作系统结构设计虚拟机结构虚拟机结构 系统的核心系统的核心 -虚拟机监控程序虚拟机监控程序(VM)VM/370在裸机上运行并且具在裸机上运行并且具备了多道程序功能。该系统备了多道程序功能。该系统向上层提供了若干台虚拟机。这些虚拟机仅仅是精确复制的向上层提供了若干台虚拟机。这些虚拟机仅仅是精确复制的裸机硬件裸机硬件,包含：核心态用户态，包含：核心态用户态，IO功能，中断，及其功能，中断，及其它真实硬件所具有的全部内容。它真实硬件所具有的全部内容。几种常见的操作系统结

12、构几种常见的操作系统结构第13页/共47页14操作系统结构设计操作系统结构设计虚拟机结构虚拟机结构 由于每台虚拟机都与裸机相同，所以由于每台虚拟机都与裸机相同，所以每台虚拟机可以运行一台裸机所能够每台虚拟机可以运行一台裸机所能够运行的任何类型操作系统。运行的任何类型操作系统。会话监控系统会话监控系统(CMS)程序在执行系统调用时，它的系统调用陷入其虚拟机中的操程序在执行系统调用时，它的系统调用陷入其虚拟机中的操作系统。然后作系统。然后CMS发出硬件发出硬件IO指令，在虚拟机者执行为指令，在虚拟机者执行为该系统调用所需的其它操作。这些该系统调用所需的其它操作。这些IO指令被指令被VM370捕捕获

13、，作为对真实硬件模拟的一部分，获，作为对真实硬件模拟的一部分，VM370随后就执行这随后就执行这些指令。些指令。几种常见的操作系统结构几种常见的操作系统结构第14页/共47页15微内核结构微内核结构CMU的的Mach、早期的、早期的Windows NT非常适宜于应用在网络环境下，应用于分布式处理的计算环境中非常适宜于应用在网络环境下，应用于分布式处理的计算环境中 由两大部分组成由两大部分组成：“微微”内核内核服务进程服务进程操作系统结构设计操作系统结构设计几种常见的操作系统结构几种常见的操作系统结构第15页/共47页16微内核微内核运行在核心态的内核提供所有操作运行在核心态的内核提供所有操作系

14、统基本都具有的那些操作，包括系统基本都具有的那些操作，包括线程调度、虚拟存储、消息传递、线程调度、虚拟存储、消息传递、设备驱动以及内核的原语操作集和设备驱动以及内核的原语操作集和中断处理等。这些部分通常采用层中断处理等。这些部分通常采用层次结构并且只提供了一个很小的功次结构并且只提供了一个很小的功能集合，通常称为微内核。能集合，通常称为微内核。微内核结构微内核结构操作系统结构设计操作系统结构设计服务进程服务进程运行在用户态的并以客户运行在用户态的并以客户/服务器方式运行的进程。操作系统所服务器方式运行的进程。操作系统所有的其它部分被分成若干个相对独立的服务进程，提供各种系统有的其它部分被分成若

15、干个相对独立的服务进程，提供各种系统功能、文件系统服务以及网络服务等。客户进程与服务器进程之功能、文件系统服务以及网络服务等。客户进程与服务器进程之间使用消息进行通信。间使用消息进行通信。几种常见的操作系统结构几种常见的操作系统结构第16页/共47页17主要优点主要优点 机制与策略分离机制与策略分离机制机制(mechanism)-任务在系统中完成的方法任务在系统中完成的方法策略策略(policy)-决定应该执行哪个任务决定应该执行哪个任务,何时执行等等何时执行等等 可靠可靠 灵活灵活 适合分布式计算的需求适合分布式计算的需求缺点缺点 效率较低效率较低微内核结构微内核结构操作系统结构设计操作系统

16、结构设计几种常见的操作系统结构几种常见的操作系统结构第17页/共47页18Windows操作系统设计模型操作系统设计模型融合了分层操作系统和微内核操作系统的融合了分层操作系统和微内核操作系统的设计思想设计思想Windows通过硬件机制实现了核心态以及通过硬件机制实现了核心态以及用户态两个特权级别。对性能影响很大的用户态两个特权级别。对性能影响很大的操作系统组件运行在核心态。核心内没有操作系统组件运行在核心态。核心内没有保护。保护。设计充分体现了机制与策略分离的思想设计充分体现了机制与策略分离的思想第18页/共47页19Windows的核心态组件使用了面向对象的设的核心态组件使用了面向对象的设计

17、原则计原则出于可移植性以及效率因素的考虑，大部分出于可移植性以及效率因素的考虑，大部分代码使用了基于代码使用了基于C语言的对象实现。语言的对象实现。Windows的很多系统服务运行在核心态，这的很多系统服务运行在核心态，这使得使得Windows更加高效，而且也是相当稳定更加高效，而且也是相当稳定的。的。Windows操作系统设计模型操作系统设计模型Windows操作系统设计模型操作系统设计模型第19页/共47页20可移植性的获得可移植性的获得两种手段两种手段分层的设计。依赖于处理器体系结构或平台的系统分层的设计。依赖于处理器体系结构或平台的系统底层部分被隔离在单独的模块之中，系统的高层可底层部

18、分被隔离在单独的模块之中，系统的高层可以被屏蔽在千差万别的硬件平台之外。提供操作系以被屏蔽在千差万别的硬件平台之外。提供操作系统可移植性的两个关键组件是统可移植性的两个关键组件是HAL和内核。依赖于和内核。依赖于体系结构的功能在内核中实现，在相同体系结构中，体系结构的功能在内核中实现，在相同体系结构中，因计算机而异的功能在因计算机而异的功能在HAL中实现。中实现。Windows大量使用高级语言大量使用高级语言执行体、设备驱动执行体、设备驱动程序等用程序等用C语言编写，图形用户界面用语言编写，图形用户界面用C+编写。编写。只有那些必须和系统硬件直接通信的操作系统部分，只有那些必须和系统硬件直接通

19、信的操作系统部分，或性能极度敏感的部分是用汇编语言编写的。汇编或性能极度敏感的部分是用汇编语言编写的。汇编语言代码分布集中且少。语言代码分布集中且少。Windows操作系统设计模型操作系统设计模型Windows操作系统设计模型操作系统设计模型第20页/共47页21对称多处理支持对称多处理支持非对称多处理非对称多处理(Asymmetric Multiprocessing,ASMP)：又称主从模式：又称主从模式(Master-slave mode)。主处理器：只有一个，运行主处理器：只有一个，运行OS。管理整个系统的资源，为从处理器分配任务；。管理整个系统的资源，为从处理器分配任务；从处理器：可有

20、多个，执行应用程序或从处理器：可有多个，执行应用程序或I/O处理。处理。特点：不同性质任务的负载不均，可靠性不够高，不易移植（通常要求硬件特点：不同性质任务的负载不均，可靠性不够高，不易移植（通常要求硬件也是非对称的）。也是非对称的）。对称多处理对称多处理(Symmetric Multiprocessing,SMP)：操作系统交替在各个处理器上执行。任务负载较为操作系统交替在各个处理器上执行。任务负载较为平均，性能调节容易平均，性能调节容易傻瓜式傻瓜式Windows操作系统设计模型操作系统设计模型Windows操作系统设计模型操作系统设计模型第21页/共47页22对称多处理支持对称多处理支持W

21、indows操作系统设计模型操作系统设计模型Windows操作系统设计模型操作系统设计模型第22页/共47页23Windows操作系统设计模型操作系统设计模型对称多处理支持对称多处理支持Windows操作系统设计模型操作系统设计模型Windows是一个支持是一个支持SMP的操作系统，操作系统本身和用户线程可以在任何处的操作系统，操作系统本身和用户线程可以在任何处理器上运行理器上运行不存在主处理器不存在主处理器不同版本支持的处理器数目不同：不同版本支持的处理器数目不同：Professional2Server4Advanced Server8Datacenter Server32第23页/共47页

22、24Windows的体系结构的体系结构系统支持进程服务进程用户程序环境子系统子系统动态链接库执行体内核设备驱动程序硬件抽象层（HAL）窗口与图形第24页/共47页25硬件抽象层（硬件抽象层（HAL）HAL=Hardware Abstraction LayerHAL是一个核心态模块是一个核心态模块（HAL.DLL），），它为运行它为运行Windows的硬件平台提供低级接口。的硬件平台提供低级接口。HAL隐藏各种与硬件有关的细节，例如隐藏各种与硬件有关的细节，例如I/O接口、接口、中断控制器以及多处理器通信机制等中断控制器以及多处理器通信机制等实现多种硬件平台上的可移植性实现多种硬件平台上的可移植

23、性Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第25页/共47页26硬件抽象层（硬件抽象层（HAL）在在Windows发行介质上有许多发行介质上有许多HAL：Hal.dll标准标准PCHalsmp.dll多处理器多处理器PCHalsp.dll Compaq SystemPro 安装时根据硬件平台选择的模块复制到系统中，并安装时根据硬件平台选择的模块复制到系统中，并改名为改名为Hal.dllWindows操作系统体系结构操作系统体系结构第26页/共47页27硬件抽象层（硬件抽象层（HAL）为了维护可移植性，为了维护可移植性，Windows内部组件和用户编写内部组件和用户编写的设备驱动程序并不直

24、接访问硬件，而是通过调用的设备驱动程序并不直接访问硬件，而是通过调用Hal.dll中的例程。中的例程。READ_PORT_XXXWRITE_PORT_XXXREAD_PORT_BUFFER_XXXWRITE_PORT_ BUFFER_XXXREAD_REGISTER_XXXWRITE_ REGISTER_XXXREAD_ REGISTER_BUFFER_XXXWRITE_ REGISTER_ BUFFER_XXXXXXUCHAR、USHORT、ULONG读（写）读（写）I/O端口端口从连续的从连续的I/O端口读端口读（写）一组数据（写）一组数据读（写）内存映射读（写）内存映射的设备寄存器的设备

25、寄存器Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第27页/共47页28设备驱动程序设备驱动程序可加载的核心态模块可加载的核心态模块 I/O系统和相关硬件之系统和相关硬件之间的接口间的接口 WDM=Windows Driver Model设备驱动程序的分类设备驱动程序的分类硬件设备驱动程序操作硬件。硬件设备驱动程序操作硬件。文件系统驱动程序接受面向文件的文件系统驱动程序接受面向文件的I/O请求，并把它们转化为请求，并把它们转化为对特殊设备的对特殊设备的I/O请求。请求。过滤器驱动程序截取过滤器驱动程序截取I/O并在传递并在传递I/O到下一层之前执行某些特到下一层之前执行某些特定处理。定处理。

26、Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第28页/共47页29内核内核NTOSKRNL.EXE的下层的下层内核是内核是对处理器体系结构的抽象，将执行体与处理器对处理器体系结构的抽象，将执行体与处理器体系结构的差异相隔离，保证系统的可移植性。大多体系结构的差异相隔离，保证系统的可移植性。大多数代码用数代码用C编写，部分依赖于硬件体系结构的代码用汇编写，部分依赖于硬件体系结构的代码用汇编编写编编写功能功能线程安排和调度线程安排和调度陷阱处理和异常调度陷阱处理和异常调度中断处理和调度中断处理和调度多处理器同步多处理器同步供执行体使用的基本内核对象供执行体使用的基本内核对象 始终运行在核心态，代

27、码精简，可移植性好。除了中始终运行在核心态，代码精简，可移植性好。除了中断服务例程断服务例程,正在运行的线程不能抢先内核。正在运行的线程不能抢先内核。Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第29页/共47页30内核对象内核对象内核实现了一组简单的对象，称为内核对象，以帮助内核控制中心处理并支持执内核实现了一组简单的对象，称为内核对象，以帮助内核控制中心处理并支持执行体对象的创建。行体对象的创建。控制对象控制对象包括异步过程调用（包括异步过程调用（APC，asynchronous procedure call）对象、）对象、延迟过程调用（延迟过程调用（DPC，deferred proce

28、dure call）对象和几个由）对象和几个由I/O系统使用的系统使用的对象，例如中断对象。对象，例如中断对象。调度程序对象调度程序对象负责同步操作并影响线程调度。调度程序对象包括内核线程、负责同步操作并影响线程调度。调度程序对象包括内核线程、互斥体（互斥体（Mutex）、事件（）、事件（Event）、内核事件对、信号量（）、内核事件对、信号量（Semaphore）、定时）、定时器和可等待定时器器和可等待定时器 内核内核Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第30页/共47页31硬件支持硬件支持使得执行体和设备驱动程序同硬件无关使得执行体和设备驱动程序同硬件无关 实现手段：一组在多个体

29、系结构上可移实现手段：一组在多个体系结构上可移植的、同语义的接口植的、同语义的接口内核也有部分代码不具有移植性内核也有部分代码不具有移植性支持虚拟支持虚拟8086模式的代码，用以运行一些模式的代码，用以运行一些古老的古老的16位位DOS程序程序高速缓存管理高速缓存管理描述表切换描述表切换内核内核Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第31页/共47页32执行体执行体Windows操作系统体系结构操作系统体系结构执行体（执行体（Executive）是）是NTOSKRNL.EXE的的上上层层执行体应该从两种角度来理解：执行体应该从两种角度来理解：1.执行体提供了一组函数调用执行体提供了一组

30、函数调用2.执行体本身由若干组件组成执行体本身由若干组件组成第32页/共47页33执行体执行体提供的函数调用提供的函数调用从用户态导出并且可以调用的函数。这些函数的从用户态导出并且可以调用的函数。这些函数的接口在接口在NTDLL.DLL中。通过中。通过Win32API或一些或一些其他的环境子系统可以对它们进行访问。其他的环境子系统可以对它们进行访问。从用户态导出并且可以调用的函数，但当前通过从用户态导出并且可以调用的函数，但当前通过任何文档化的子系统函数都不能使用。任何文档化的子系统函数都不能使用。在在Windows DDK中已经导出并且文档化的核心中已经导出并且文档化的核心态调用的函数。态调

31、用的函数。在核心态组件中调用但没有文档化的函数。例如在核心态组件中调用但没有文档化的函数。例如在执行体内部使用的内部支持例程。在执行体内部使用的内部支持例程。组件内部的函数。组件内部的函数。Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第33页/共47页34包含的功能实体包含的功能实体进程和线程管理器进程和线程管理器创建及中止进程和线程。对进程和线创建及中止进程和线程。对进程和线程的基本支持在程的基本支持在Windows 2000内核中实现，而执行体内核中实现，而执行体给这些低级对象添加附加语义和功能。给这些低级对象添加附加语义和功能。虚拟内存管理器虚拟内存管理器实现实现“虚拟内存虚拟内存”。

32、内存管理器也为高。内存管理器也为高速缓存管理器提供基本的支持。速缓存管理器提供基本的支持。安全引用监视器安全引用监视器在本地计算机上执行安全策略。它保护在本地计算机上执行安全策略。它保护了操作系统资源，执行运行时对象的保护和监视。了操作系统资源，执行运行时对象的保护和监视。I/O管理器管理器执行独立于设备的输入执行独立于设备的输入/输出，并进一步处理输出，并进一步处理调用适当的设备驱动程序。调用适当的设备驱动程序。高速缓存管理器高速缓存管理器通过将最近引用的磁盘数据驻留在主内通过将最近引用的磁盘数据驻留在主内存中来提高文件存中来提高文件I/O的性能，并且通过在把更新数据发的性能，并且通过在把更

33、新数据发送到磁盘之前将它们在内存中保持一个短的时间来延缓送到磁盘之前将它们在内存中保持一个短的时间来延缓磁盘的写操作，这样就可以实现快速访问。磁盘的写操作，这样就可以实现快速访问。Windows 2000/XP操作系统体系结构操作系统体系结构执行体执行体第34页/共47页35对象管理器对象管理器：创建、管理以及删除：创建、管理以及删除Windows的执行的执行体对象和用于代表操作系统资源的抽象数据类型，体对象和用于代表操作系统资源的抽象数据类型，例如进程、线程和各种同步对象。例如进程、线程和各种同步对象。本地过程调用（本地过程调用（LPC，Local Procedure Call）机制）机制，

34、在同一台计算机上的客户进程和服务进程之间传递在同一台计算机上的客户进程和服务进程之间传递信息。信息。LPC是一个灵活的、经过优化的是一个灵活的、经过优化的“远程过程远程过程调用调用”（RPC，Remote Procedure Call）版本。）版本。一组广泛的公用运行时函数一组广泛的公用运行时函数，例如字符串处理、算，例如字符串处理、算术运算、数据类型转换和完全结构处理。术运算、数据类型转换和完全结构处理。执行体支持例程执行体支持例程，例如系统内存分配（页交换区和，例如系统内存分配（页交换区和非页交换区）、互锁内存访问和两种特殊类型的同非页交换区）、互锁内存访问和两种特殊类型的同步对象：资源和

35、快速互斥体。步对象：资源和快速互斥体。执行体执行体包含的功能实体包含的功能实体Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第35页/共47页36NTDLL子系统动态链接库子系统动态链接库功能功能提供系统调用入口提供系统调用入口为子系统、子系统动态链接库、及其他本机映像提供内部支持函数为子系统、子系统动态链接库、及其他本机映像提供内部支持函数NTDLL也包含许多支持函数，例如映像加载程序、堆管理器和也包含许多支持函数，例如映像加载程序、堆管理器和Win32子系统进程通信函数以及通用运行库。子系统进程通信函数以及通用运行库。用户态异步过程调用（用户态异步过程调用（APC）调度器和异常调度器。）调

36、度器和异常调度器。Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第36页/共47页37环境子系统环境子系统将基本的执行体系统服务的将基本的执行体系统服务的某些子集以特定的形态展示某些子集以特定的形态展示给应用程序给应用程序三种环境子系统：三种环境子系统：POSIX、OS/2和和Win32（OS/2 只能只能用于用于x86系统）系统）Win32子系统必须始终处于运行状态，其他两个子子系统必须始终处于运行状态，其他两个子系统只是在需要时才被启动，系统只是在需要时才被启动，Win32子系统是子系统是Windows运行的基本条件之一。运行的基本条件之一。函数调用不能在不同子系统之间混用，因此每一个函数

37、调用不能在不同子系统之间混用，因此每一个可执行的映像都受限于唯一的子系统可执行的映像都受限于唯一的子系统Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第37页/共47页38Win32子系统子系统Win32环境子系统进程（环境子系统进程（CSRSS.EXE):包括对下列功能的包括对下列功能的支持：控制台（文本）窗口、创建及删除进程与线程、支持：控制台（文本）窗口、创建及删除进程与线程、支持支持16位位DOS虚拟机（虚拟机（VDM）进程的部分。）进程的部分。Win32子系统动态链接库子系统动态链接库(User32.dll、Kernel32.dll、GDI32.dll)，将文档化的，将文档化的Win

38、32 API函数转化为适当的函数转化为适当的非文档化的核心系统服务非文档化的核心系统服务(调用调用NTOSKRNL.EXE和和WIN32.SYS)核心态设备驱动程序（核心态设备驱动程序（WIN32K.SYS）：）：窗口管理器窗口管理器(User):控制窗口显示，管理屏幕输出，实现用户界面控制窗口显示，管理屏幕输出，实现用户界面图形设备接口（图形设备接口（GDI，Graphics Device Interfaces）图形设备驱动程序，包括依赖于硬件的图形显示驱动程图形设备驱动程序，包括依赖于硬件的图形显示驱动程序、打印机驱动程序和视频小型端口驱动程序。序、打印机驱动程序和视频小型端口驱动程序。环

39、境子系统环境子系统Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第38页/共47页39环境子系统环境子系统Win32子系统子系统Win32应用程序应用程序(client)CSRSS(server)Win32子系统子系统DLL子子系统系统动态链接库（动态链接库（NTDLL）用户态用户态核心态核心态WIN32K.SYSLPC机制机制Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第39页/共47页40环境子系统环境子系统当一个应用程序调用子系统动态链接库中的函数时，可能会当一个应用程序调用子系统动态链接库中的函数时，可能会出现下面三种情况之一：出现下面三种情况之一：函数完全在子系统动态链接库的用户态

40、部分中实现，这时并没有函数完全在子系统动态链接库的用户态部分中实现，这时并没有消息发送到环境子系统进程，也没有调用执行体服务。函数在用户消息发送到环境子系统进程，也没有调用执行体服务。函数在用户态中执行，结果返回到调用者。态中执行，结果返回到调用者。例如：例如：GetCurrentProcessId 函数需要一个或多个对执行体函数的调用。函数需要一个或多个对执行体函数的调用。例如：例如：ReadFile,由子系统动态链接库调用由子系统动态链接库调用Windows 系统服务系统服务NtReadFile 函数要求某些工作在环境子系统进程中进行。在这种情况下，将函数要求某些工作在环境子系统进程中进行

41、。在这种情况下，将产生一个客户产生一个客户/服务器请求到环境子系统，其中的一个消息将被发送服务器请求到环境子系统，其中的一个消息将被发送到子系统去执行某些操作，这时使用执行体的到子系统去执行某些操作，这时使用执行体的“本地过程调用本地过程调用”（LPC）机制。然后子系统动态链接库在消息返回给调用者之前会）机制。然后子系统动态链接库在消息返回给调用者之前会一直等待应答。一直等待应答。例如：例如：CreatProcess将涉及将涉及2和和3两种情况两种情况Win32子系统子系统Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第40页/共47页41POSIX子系统子系统设计的强迫性目标设计的强迫性目标

42、Windows 2000实现了实现了POSIX.1，功能局限，用处不大，功能局限，用处不大Windows XP/Server 2003实际上并不包含实际上并不包含POSIX子系统子系统Windows Services for UNIX/Interix是一个独立于操作系统的软件，是一个独立于操作系统的软件，它是原它是原POSIX子系统的超集，提供了对子系统的超集，提供了对POSIX的支持的支持环境子系统环境子系统Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第41页/共47页42POSIX子系统子系统环境子系统环境子系统Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第42页/共47页43系统支持

43、进程和服务进程系统支持进程和服务进程Idle进程进程系统进程系统进程会话管理器会话管理器SMSSWin32子系统子系统CSRSS登录进程登录进程WINLOGIN本地安全身份验证服务器本地安全身份验证服务器LSASS服务控制器服务控制器SERVICES及其相关及其相关的服务进程的服务进程 Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第43页/共47页44Windows的关键系统组件的关键系统组件Windows操作系统体系结构操作系统体系结构第44页/共47页45Windows 9x的体系结构简介的体系结构简介Windows 9x的体系结构简介的体系结构简介 Windows 9x操作系统内核称为

44、虚拟机管理器操作系统内核称为虚拟机管理器(VMM)，它的主要工作就是创建，它的主要工作就是创建“虚拟虚拟”机器，机器，这些虚拟机器共享同一个物理机器。这些虚拟机器共享同一个物理机器。Windows 9x引入虚拟设备驱动程序引入虚拟设备驱动程序(VxD),其目的其目的就是为了虚化设备，以帮助就是为了虚化设备，以帮助VMM实现每个虚拟机实现每个虚拟机器都拥有全部硬件的假象。器都拥有全部硬件的假象。第45页/共47页46Windows 9x的体系结构简介的体系结构简介Windows 9x的体系结构简介的体系结构简介Windows 9x在处理磁盘在处理磁盘操作、通讯口操作、键操作、通讯口操作、键盘操作，等等方面与盘操作，等等方面与Windows NT系列有很大系列有很大不同。不同。Windows 9x以两以两种完全不同的方式为种完全不同的方式为32位应用程序和位应用程序和16位应用位应用程序提供服务。程序提供服务。第46页/共47页47谢谢您的观看！第47页/共47页