WindowsNT操作系統(tǒng)概述

1、WindowsNT操作系統(tǒng)概述 Windows NT操作系統(tǒng)操作系統(tǒng) WindowsNT操作系統(tǒng)概述 1. 概 述 93年推出WINDOWS NT是一個32位的多任務操作系統(tǒng)。 NT操作系統(tǒng)控制CPU時間的分配，而不是控制應用 程序的分配。 NT支持多CPU，多CPU提供真正的多任務，使用對稱 的多處理，意味著處理器分享所有任務，不象非對 稱的多處理那樣讓操作系統(tǒng)使用一個CPU，而讓應 用程序用另一個CPU。 NT也是一個容錯的操作系統(tǒng)，應用程序在自己的虛 擬內存地址空間（4GB）上運行，一個應用程序不 會干擾另一個應用程序的內存空間。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 1) WINDOWS N

2、T的特點 圖形用戶界面技術； 支持多操作系統(tǒng)運行環(huán)境； 對稱多處理能力； 內裝網絡功能； 多重文件系統(tǒng)與異步I/O以及采用面 向對象的軟件開發(fā)技術 它提供了現代操作系統(tǒng)的幾乎所有 功能，如：多任務能力；多處理系 統(tǒng)；虛擬資源管理；統(tǒng)一成一體化 的I/O系統(tǒng)；網絡通信功能等，具有 很多的性能 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 2) 設計目標 可擴充性。（要求操作系統(tǒng)易于擴充，隨 市場需求的變動易于改動） 可移植性。（盡可能通過少改動而移植到 不同的處理機上） 可靠性。（操作系統(tǒng)應是穩(wěn)健的，能對一 切意外處理；主動保護自己及其它用戶免 遭破壞） 兼容性。（能執(zhí)行為其它操作系統(tǒng)所編寫 的程序能力，如早

3、期版本等） 高的系統(tǒng)性能。（快速處理圖、文、聲、 像、仿真軟件等） WindowsNT操作系統(tǒng)概述 3) NT的優(yōu)良特性 先進的操作系統(tǒng)結構 性能優(yōu)良的內核程序 豐富的網絡服務 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 2. Windows NT的系統(tǒng)模型 客戶/服務器模型 對象模型 對稱處理模型 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 1) 客戶/服務器模型 提供多種操作系統(tǒng)運行環(huán)境的支持。 （由NT設計目標兼容性的要求） 改進了可靠性： A每個服務器是以分配給它的主存 分區(qū)的獨立進程方式運行。 B每個服務器是以獨立的用戶進程 方式運行 C適宜于分布式計算模型 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 2) 對象模型

4、NT操作系統(tǒng)使用對象模型有以 下優(yōu)點： 操作系統(tǒng)訪問和操縱其資源是一致 的。（通過對象句柄） 所有對象采用同樣的保護方法，因 此簡化了安全措施。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 3) 對稱多處理模型 所謂多處理模式是指一臺計算機中 具有兩個以上的處理機，可同時執(zhí)行（NT 線程）。每個處理機上同時可有一進程 （或線程）在執(zhí)行。對稱多處理系統(tǒng)允許 操作系統(tǒng)在任何一個處理機上運行，即各 處理機平等。它們既可執(zhí)行操作系統(tǒng)又執(zhí) 行用戶進程，共同負責管理系統(tǒng)主存，外 設和其它資源，各處理機共用主存。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 NT采用對稱處理模式的優(yōu)點 操作系統(tǒng)可在任一個空閑的處理機上運行， 也可同

5、時在各處理機上運行。 一個進程的多個線程可同時在多個處理機 上運行。 服務器進程可使用多個線程在不同的處理 機上處理多個客戶進程的服務請求。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 3. Windows NT的結構圖 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 1) Windows NT的結構 NT分為系統(tǒng)用戶態(tài)部分（NT保護子系統(tǒng)）和系統(tǒng) 核心態(tài)部分（NT執(zhí)行體）。 核心態(tài)處于特權處理器方式下，用戶態(tài)處于非特 權處理器方式。 核心態(tài)包括了系統(tǒng)服務和硬件描述層(HAL)， 系統(tǒng)服務包含了一個操作系統(tǒng)的所有應有服務， 文件系統(tǒng)，進程控制，內存管理，設備管理等等。 NT中除了微內核外，另外還包含了一些獨特的部 分，如

6、對象管理器，配置管理器，執(zhí)行體支持， 本地過程調用，安全監(jiān)視器，所有這些都建立在 HAL之上。 IO管理器實現對設備的管理，包含了文件系統(tǒng)， 中間介質和設備驅動。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 2) 保護子系統(tǒng) 用戶態(tài)模式是由諸客戶進程、服務器 進程所構成的部分，其結構為客戶/ 服務器模型。由環(huán)境子系統(tǒng)和集成子 系統(tǒng) 組成。 用戶態(tài)模式包括了一些保護子系統(tǒng)， 如OS/2子系統(tǒng)，POSIX子系統(tǒng)，安全 子系統(tǒng)，當然還有最常用的Win32子 系統(tǒng)，NT都稱之為服務器。它們運行 于CPU的用戶層Ring3，建立在服務器 上的各類應用程序被稱為客戶。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 3) 環(huán)境子系統(tǒng)

7、 是一個用戶態(tài)服務器，為特定的操 作系統(tǒng)提供一個API。（它為客戶進程提 供的服務是這樣的，當一個應用程序調用 其相應的某個API時，一個消息通過執(zhí)行 體的本地過程調用LPC工具，發(fā)送給完 成該API的程序服務器環(huán)境子系統(tǒng)。 子系統(tǒng)執(zhí)行API例程，并通過LPC將結果返 回應用程序進程） WindowsNT操作系統(tǒng)概述 4) 集成子系統(tǒng) 是完成重要操作系統(tǒng)功能的服務器， 包括安全子系統(tǒng)、網絡軟件中的若干部件。 用戶態(tài)的每個環(huán)境子系統(tǒng)都可支持多個客 戶應用程序同時運行，當用戶試圖進入系 統(tǒng)時，首先須進行登錄，由安全子系統(tǒng)對 用戶進行是否允許其進入和權限的檢查與 控制。安全子系統(tǒng)維護著一個有關用戶賬

8、 號信息的DB，任何非法用戶都不許進入。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 5) NT執(zhí)行體 NT執(zhí)行體基本上是一個完整的操作 系統(tǒng)，它由一組部件組成： 層次結構的第一層是由系統(tǒng)服務下面的幾 個部件構成，這些部件可通過內部界面互 相調用。 NT內核是第二層，它類似Mach的微內核。 最底一層是硬件抽象層（HAL）。它將NT 執(zhí)行體的其余部分與運行機器的硬件特性 隔離開來。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 6)NT執(zhí)行體各組成部件的主要功能 對象管理程序：生成、管理及刪除執(zhí)行 體對象。 安全調用監(jiān)視程序：監(jiān)視操作系統(tǒng)資源， 執(zhí)行運行對象的保護和審查，實施安全 方針。 進程管理程序：生成和終止進程及

9、線程， 執(zhí)行暫停和恢復線程的執(zhí)行、存貯和檢 索有關NT進程和線程的信息。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 NT執(zhí)行體各組成部件的功能（續(xù)） 本地過程調用功能（LPC）：在同一臺計 算機中的客戶進程和一個服務器進程之間 傳送消息，是遠程過程調用的優(yōu)化版本。 虛擬存貯管理（VM）程序：為每個進程提 供專有地址空間，對進程地址空間進行保 護，負責頁面調度。 內核：對中斷和異常作出響應，調度線程， 提供一組基本對象和接口。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 NT執(zhí)行體各組成部件的功能（續(xù)） I/O系統(tǒng)包括下列子部件：I/O管理程序、 文件系統(tǒng)、網絡定向程序和網絡服務 器、設備驅動程序、高速緩沖存貯管理

10、程序 硬件抽象層（HAL）：運行于CPU的特 權層Ring0(在驅動程序內部，在不同部 分還分為不同權限層)。 以上這些組成部件中的前六個部件都要 實現兩組函數:1)系統(tǒng)服務：可以由環(huán) 境子系統(tǒng)和其它執(zhí)行體部件調用； 2)內部例程：只可由在執(zhí)行體內的組成 部件使用。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 4. 對象 是個抽象數據結構。在NT中用以表 示所有資源。對象是數據和有關操作的封 裝體。它包括數據、數據的屬性以及可以 施加于數據上的操作等三個成分。NT的對 象類（可理解為資源類），NT執(zhí)行體中定 義的對象類有：進程、線程、區(qū)域、文件、 事件、事件對、信息量、時間器、對象目 錄、簡要表、符號連接

11、、關鍵字、端口、 存貯令牌、多用戶終端程序。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 1) 執(zhí)行體對象類 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 2) NT執(zhí)行體實現兩種對象 執(zhí)行體對象：由執(zhí)行體的各組成部件實現 的對象，能被子系統(tǒng)或NT執(zhí)行體創(chuàng)建和修 改，其對象類列于上表中。 內核對象：由內核實現的一個更基本的對 象集合，稱為控制對象集合，包括：內核 過程對象、異步過程調用對象、延遲過程 調用對象、中斷對象、電源通知對象、電 源狀態(tài)對象、調度程序對象等。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 3) 進程 被定義為表示操作系統(tǒng)所要做的工 作，是操作系統(tǒng)用于組織其必須完成的諸 項工作的一種手段。它由四個部分組成： 一

12、個可執(zhí)行的程序：它定義了初始代碼 和數據 一個私用地址空間：即進程的虛擬地址 空間。 系統(tǒng)資源：由操作系統(tǒng)分給進程 至少有一個執(zhí)行線程 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)進程概念的不同 進程是作為對象來實現的。（它也是可共 享的資源） NT進程要求一個獨特的組成成分至 少一個執(zhí)行線程。 NT進程的組成中沒有PCB，有關的信息在 進程對象的對象體中及局限于進程對象表 中等處都有進程的信息 調度和執(zhí)行的基本單位是線程而不是進程， 因此不必劃分進程狀態(tài)。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 與傳統(tǒng)操作系統(tǒng)進程概念的不同 一個NT進程可有多個線程在其地址空間內執(zhí)行。 進程是由進程創(chuàng)建的，當應用

13、程序啟動時，相應 的環(huán)境子進程調用執(zhí)行體的進程管理程序為之建 立以進程，并返回一句柄，然后進程管理程序又 調用對象管理程序為之建立一個進程對象。當系 統(tǒng)啟動時，系統(tǒng)為每個環(huán)境子系統(tǒng)建立一個服務 器進程。 進程管理程序不維護進程的父/子或其它關系。 進程和線程都具有內含的同步機制。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 4) 線程 進程內的一個執(zhí)行單元；進程內的一個可 調度實體。（若把進程理解為操作系統(tǒng)所 做的作業(yè)，則線程表示完成該作業(yè)的許多 可能的子任務之一）。它由四個基本組成 部分組成：一個唯一的標識符（ID）；描 述處理機狀態(tài)的狀態(tài)寄存器內容（相當于 老PSW）；兩個棧，分別用于用戶態(tài)和核 心態(tài)

14、下執(zhí)行時使用；一個私用存儲器。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 線程的優(yōu)點 通過線程可方便有效地實現并行性，進程 可創(chuàng)建多線程執(zhí)行同一程序的不同部分 創(chuàng)建線程比創(chuàng)建進程快，少開銷，它除棧 和寄存器內容外，共享同一主存 創(chuàng)建多線程、對客戶同時提出請求回答十 分便利，因服務器程序只被裝入主存一次， 就可使多客戶同時提出服務請求分別由一 獨立服務器線程通過執(zhí)行適當的服務器功 能，并行為客戶進行處理。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 5) 對象、進程和線程間的關系 對象、進程和線程是組織和構 造NT操作系統(tǒng)的三個基本成分。它 們之間互相交叉，對象是一抽象的 數據結構，是構成操作系統(tǒng)的三個 基本成分中非

15、活動的成分，而進程、 線程是構成操作系統(tǒng)的二個活動成 分，它們的關系如下： WindowsNT操作系統(tǒng)概述 對象、進程和線程間的關系（續(xù)） 線程是進程的一個組成部分。 進程的多個線程都在進程的地址空間活動。 資源分配的對象是進程，即資源是分給進程而非 線程。 調度的基本單位是線程，即CPU是分配給線程的。 線程在執(zhí)行過程中，需要協(xié)作同步，在不同進程 的線程間的同步用消息通信，它要用到進程的資 源端口。因此，通信的是線程，用的消息隊 列是進程的資源。（可喻為，進程相當董事長， 線程相當部門經理，或類似作業(yè)與進程） WindowsNT操作系統(tǒng)概述 6. 內核的主要任務 調度線程的執(zhí)行 當中斷核異常

16、發(fā)生時，將控制轉移到相應 的中斷和異常 執(zhí)行低級的多處理器同步 在電源失效后，實現系統(tǒng)的恢復過程。 NT內核提供了一組精心定義的操作 系統(tǒng)原語機制，通過使用內核原語，NT執(zhí) 行體可構成許多更高級的功能。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 1) 線程的生命期的狀態(tài) 一個線程的生命期的狀態(tài)是變化的，它在 任何一個時刻的狀態(tài)是六種狀態(tài)之一。 就緒狀態(tài)：線程已具備執(zhí)行的條件，等待CPU執(zhí) 行，調度程序從中選入備用 備用狀態(tài)：被調度程序選用定為某一特定處理機 上只能有一個處于備用狀態(tài)的線程。 運行狀態(tài)：一旦調度程序對線程執(zhí)行完描述表切 換，線程進入運行狀態(tài)。 等待狀態(tài)：以下情況線程進入其狀（線程等待同 步

17、對象、因I/O，自己掛起） 轉換狀態(tài)：若線程已準備好執(zhí)行，但由于資源成 為不可用（如頁在外存）從而轉入轉換狀態(tài)，當 資源成為可用，則進入就緒狀態(tài)。 終止狀態(tài)：線程完成它的執(zhí)行 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 2）優(yōu)先級 內核的線程調度程序是采用可搶占 的動態(tài)優(yōu)先級調度算法，調度程序按線程 的優(yōu)先級調度線程的執(zhí)行順序，先調度高 優(yōu)先級的線程。 NT支持32個優(yōu)先級，分兩類：實時優(yōu) 先級 從1631 實時程序所用的主優(yōu)先級 線程、可變優(yōu)先級 從115。 當系統(tǒng)中無任何事件時，內核提供 一總在執(zhí)行的線程，稱為空閑線程，優(yōu)先 級最低。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 3) 中斷和異常處理 NT中的中斷

18、主要是由硬件引起的， 是隨機發(fā)生的異常事件。而異常是某一特 別指令執(zhí)行的結果，是同步情況，如主存 存取錯，除零。 當中斷和異常發(fā)生被捕捉后，系統(tǒng) 將執(zhí)行線程由用戶態(tài)切換到核心態(tài)，將 CPU控制權交給操作系統(tǒng)中有效在主存中 固定地址的陷阱處理程序。它首先保存執(zhí) 行線程中斷現場，確定所發(fā)生的情況，并 轉相應處理程序。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 7. 輸入輸出（I/O）系統(tǒng) 建立一個統(tǒng)一的主層界 面I/O設備虛擬界面，即將 所有讀寫數據看成直接送往虛擬 文件的字節(jié)流。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 8. NT的內裝網絡 無需其它軟件即可為用戶 提供文件共享、打印機共享、電 子郵件和網絡DDE

19、等功能。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 9. 對象管理程序 它的主要功能是創(chuàng)建、管 理、刪除用來表示操作系統(tǒng)資源 的對象，操作系統(tǒng)通過對象管理 程序對資源進行統(tǒng)一的管理，使 用共同的代碼操縱它們。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 對象管理程序的工作 NT的對象管理程序在接到創(chuàng)建對象 的系統(tǒng)服務后，要做以下工作： 為對象分配主存。 給對象一個附加安全描述體，以指出允 許誰使用對象以及誰被允許進行操作。 創(chuàng)建和維護對象目錄表目 創(chuàng)建一個對象句柄并返回調用者。 NT對對象的管理、組織和操作的模 型是基于文件系統(tǒng)的模型。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 10. NT的安全性 登錄進程和安全子系統(tǒng) 存

20、取令牌 存取控制表 主存保護 客戶/服務器模型 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 11. 虛擬內存 NT/2K/XP中，操作系統(tǒng)利用虛擬內 存管理技術來維護地址空間映像，每個進 程分配一個4GB的虛擬地址空間。運行在 用戶態(tài)的應用程序，不能直接訪問物理內 存地址；而運行在核心態(tài)的驅動程序，能 將虛擬地址空間映射為物理地址空間，從 而訪問物理內存地址。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 1) 進程的虛擬地址空間 NT為每個進程提供一個很大的虛擬空間 （4GB）（ 拋棄了早期從808680286使 用分段模式造成的64K局限） NT運行在32位的386以上微機。 進程4GB的地址被等分為兩部分，高2G

21、B 給系統(tǒng)用，低地址2GB用戶用。直接映射 區(qū)尋址由硬件直接變換，且常駐內存，存 取數據快，用以有效NT內核中頻繁使用， 響應速度快的那些代碼。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 2) NT虛擬分頁地址變換機構 它不同于傳統(tǒng)頁地址變換。采用一種稱為 兩極頁表結構技術，第一級為頁目錄，第 二級為頁表，每個進程一個頁目錄。 頁目錄：包含1024個表目。每個表目指出 二級頁表所在頁表地址。 頁表：包含1024個表目。每個頁面大小為 4KB。 在系統(tǒng)中有控制寄存器指出進程的頁目錄 地址。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 頁目錄地址頁目錄地址 目錄位移目錄位移頁表位移頁表位移頁位移頁位移 虛擬地址虛擬地址

22、 頁表地址頁表地址 . . . 頁目錄（每進程一個）頁目錄（每進程一個） 塊號塊號 . . . 頁表頁表 代碼或數據代碼或數據 . . . 內存塊內存塊 二級頁表結構及地址映射二級頁表結構及地址映射 + + WindowsNT操作系統(tǒng)概述 3) 地址變換過程 當給出虛擬地址后，按圖示被自動分 為三部分，頁目錄（10位）、頁表位移 （10位）、頁內位移12位 將寄存器的頁表地址與目錄位移（左移兩 位，因表目錄為4字節(jié)）拼接成頁目錄中 表目所在地址，該表目中有頁表地址。 頁表地址與頁內位移（左移兩位）拼接找 到頁架號。 將頁架號與頁內位移拼成絕對地址，從而 訪問主存。 WindowsNT操作系統(tǒng)概

23、述 4) NT要采用二級頁表結構的原因 由于每個進程的虛擬地址空間太大， 232個可能虛地址，每頁大小位4K（212）， 每個進程的地址空間可有1048576頁 （220），每個進程的頁表有2204字節(jié)。 若將全部頁表都放入主存，則占主存大的 開銷，位避免主存都消耗在頁表上，根據 需要把頁表換入、換出主存。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 NT采用二級頁表結構的原因（續(xù)） 采用兩級頁表結構主存訪問速度慢 （要從主存訪問數據三次訪問主存方可） 因此，采用快表：用高速相關存貯器來 存放經常使用的頁表表目（NT稱快表位變 換查找緩沖區(qū)【TLB】）使用高速緩存： 在位處理器與主存間設置32K或64K的高速 緩存，大部分的指令核數據取自高速緩存。 （命中率98）所以存取數據和指令相當 高。 WindowsNT操作系統(tǒng)概述 5) 頁面調度策略 NT采用按進程需要請求取頁，又采取集群 方法（即缺頁時將附進頁一起裝入主存）