Операционная система Windows 95: ее функции и возможности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

На протяжении всего периода разработки и создания система Windows 95 была известна под кодовым названием "Chicago, и вступительный слайд на самых первых ее презентациях изображал карту США, озаглавленную: "Едем в Чикаго...". Windows 95 разрабатывалась и создавалась не в вакууме, на пути в Чикаго было много остановок. Начиная с выхода первой версии Windows в ноябре 1985 года, появление весьма эффектной и вполне успешной Windows 3.0 в мае 1990 года.

Windows 95 представляет собой продукт эволюционного развития системы Windows 3.1х и не означает полного разрыва с прошлым. Хотя она несет в себе много важных изменений по сравнению с 16-разрядной архитектурой Windows, в ней сохранены некоторые важнейшие свойства ее предшественницы. Результатом стало появление гибридной ОС, способной работать с 16-разрядными прикладными программами Windows, программами, унаследованными от DOS, и старыми драйверами устройств реального режима и в то же время совместимой с истинными 32-разрядными прикладными программами и 32-разрядными драйверами виртуальных устройств.

Среди наиболее важных усовершенствований явившихся в Windows 95, - изначально заложенная в ней способность работать с 32-разрядными многопотоковыми прикладными программами, защищенные адресные пространства, вытесняющая многозадачность, намного более широкое и эффективное использование драйверов виртуальных устройств для хранения структур данных системных ресурсов. Ее наиболее существенный недостаток состоит в относительно слабой защищенности от плохо работающих программ, содержащих ошибки.

Первоначально Windows 95 продавалась на 13 дискетах в специальном формате DMF (Distribution Media Format, ёмкость 1,68 Мб) или на компакт-дисках (CD-версия включала много полезных дополнительных файлов). Некоторые разработки, которые не удалось завершить к моменту официального выхода Windows 95, были потом включены в Microsoft Plus! (например, Internet Explorer).

Выпуск Windows 95 сопровождался масштабной рекламной кампанией (по многим оценкам -- крупнейшей в истории ПО), включая рекламный ролик с песней Start Me Up (намёк на кнопку "Пуск" -- Start) в исполнении Rolling Stones. Кампания также включала в себя рассказы людей, стоявших у магазинов в очереди, чтобы приобрести копию системы; появились даже шутки о том, как люди, не имевшие компьютеров, покупали Windows 95 просто из-за всей этой шумихи, не зная даже, что вообще такое Windows.

1. Концепция операционной системы Windows 95

Операционная система Windows 95 появилась в результате слияния операционной системы MS DOS и ее графической оболочки Windows 3.1 (3.11). Основными характеристиками Windows 95 являются:

32-разрядная архитектура;

вытесняющая многозадачность и многопоточность,

графический пользовательский интерфейс;

подключение новых периферийных устройств по технологии Plug and Play;

использование виртуальной памяти;

совместимость с ранее созданным программным обеспечением;

наличие коммуникационных программных средств;

наличие средств мультимедиа.

32-разрядная архитектура

Windows 95 - первая 32-разрядная операционная система для компьютеров IBM PC. Она ориентирована на работу 32-разрядных программ, многие ее компоненты являются 32-разрядными. Большинство программ для операционной системы MS DOS относилось к 16-разрядным программам, которые использовали реальный режим работы микропроцессора. Реальный режим значительно ограничивает возможности программы, так как в этом режиме затруднен доступ в верхние (свыше 1 Мбайта) области памяти. Операционная система MS DOS не имеет средств для поддержки 32-разрядных программ, работающих в защищенном режиме микропроцессора. Чтобы такие программы могли работать в среде MS DOS, требуется дополнительное программное обеспечение, расширяющее функции МS DOS. Возможен также вариант, когда дополнительные функции, обеспечивающие защищенный режим, включаются непосредственно в код программы, увеличивая тем самым ее объем.

Операционная система Windows 95 полностью обеспечивает работу 32-разрядных программ, причем она спроектирована таким образом, что использование 32-разрядньп программ в ее среде является наиболее оптимальным. В среде Windows 16-разрядные программы также успешно функционируют, но они не могут задействовать все ресурсы системы. Следует отметить, что 32-разрядные программы занимают больше оперативной и дисковой памяти, чем 16-разрядные программы. Однако это компенсируется, во-первых, увеличением скорости работы программ, во-вторых, удешевлением всех видов памяти, в том числе и электронной.

Вытесняющая многозадачность и многопоточность

Операционная система Windows является многозадачной (multitasking - мультизадачной), т.е. она способна "одновременно" выполнять несколько программ. На самом деле один микропроцессор может выполнять инструкции только одной программы. Однако операционная система настолько оперативно реагирует на потребности той или иной программы, что создается впечатление одновременности их работы. Например, в процессе подготовки текста можно параллельно печатать содержимое какого-либо файла и проверять на вирус жесткий диск.

Многозадачность может быть кооперативной и вытесняющей. При кооперативной многозадачности (cooperative multitasking) операционная система не занимается решением проблемы распределения процессорного времени. Распределяют его сами программы. Причем активная программа самостоятельно решает, отдавать ли процессор другой программе. Момент передачи управления здесь зависит от хода выполнения задачи. Таким моментом должен быть системный вызов, т.е. обращение к системе за какой-либо услугой (ввод или вывод на внешнее устройство и пр.). Фоновым задачам выделяется процессорное время при простое приоритетной задачи (ожидание нажатия клавиши и др.). Кооперативная многозадачность была реализована в среде Windows 3.1. В Windows 95 кооперативная многозадачность обеспечивается для 16-раэрядных приложений, так как эти приложения, созданные для Windows 3.1, умеют самостоятельно распределять процессорное время.

При вытесняющей многозадачности (preemptive multitasking) распределением процессорного времени между программами занимается операционная система. Она выделяет каждой задаче фиксированный квант времени процессора. По истечении этого кванта времени система вновь получает управление, чтобы выбрать другую задачу для ее активизации. Если задача обращается к операционной системе до истечения ее кванта времени, то это также служит причиной переключения задач. Такой режим многозадачности Windows 95 реализует для: 32-разрядных приложений, а также для программ, написанных для MS DOS.

Многопоточность (multithreading) операционной системы означает, что работающие программы (процессы) могут разделяться на несколько частей, самостоятельно претендующих на процессорное время. Это обеспечивает одновременное выполнение программой нескольких не связанных друг с другом операций. Например, в табличном процессоре вычисления в разных ячейках благодаря многопоточности могут выполняться одновременно, причем параллельно с вычислениями могут быть организованы ввод данных в ячейки, их вывод на печатающее устройство и т.п.

Графический пользовательский интерфейс

Пользовательский интерфейс Windows использует графический режим видеомонитора. Основу нового графического интерфейса пользователя составляет хорошо продуманная система окон, располагающаяся на экране монитора и включающая множество разнородных графических объектов для управления работой компьютера. Тем самым реализуется идея создания электронного рабочего стола пользователя, на котором размещаются электронные документы. Принятая концепция графического пользовательского интерфейса характерна для всех программных продуктов под Windows 95. Это обеспечивает комфортную среду работы пользователя.

Подключение новых периферийных устройств по технологии Plug and Play

Известно, что для подключения нового периферийного устройства в среде операционной системы MS DOS пользователь должен обладать профессиональными знаниями: например, уметь написать файл конфигурации, знать структуру команды подключения необходимого драйвера.

В среде Windows эта задача решается достаточно просто. Система самостоятельно создает и изменяет файлы конфигурации, распознает конкретное техническое устройство и производит его автонастройку. Подобная технология получила название Plug and Play - "включай и работай".

Дополнительные устройства подключаются специальными программами-мастерами, которые могут распознать любое устройство, поддерживающее технологию Plug and Play. Если устройство не поддерживает эту технологию, программы-мастера запрашивают дополнительную информацию в наиболее удобной для пользователя форме, благодаря чему процесс подключения устройств заметно упрощается.

Использование виртуальной памяти

Извечная компьютерная проблема - нехватка оперативной памяти, решается в среде Windows 95 с помощью виртуальной (реально не существующей) памяти.

Виртуальная память - расширение адресного пространства задачи, полученное за счёт использования части внешней памяти.

В оперативной памяти всегда находится часть виртуального пространства, выделяемого для решения задачи, остальная его часть располагается на дисковой памяти. Если оперативной памяти не хватает для обеспечения работы текущего (активного) приложения, то приложение или его часть, которые не используют в данный момент микропроцессор, выгружаются (вытесняются) из оперативной памяти на диск. На их место в оперативную память загружается (подкачивается) необходимый фрагмент активного приложения. Когда одному из выгруженных приложений передается управление, оно вновь загружается в оперативную память, что может привести к выгрузке на диск другого, пассивного в данный момент приложения. Таким образом, программы циркулируют между диском и оперативной памятью.

Поддержка виртуальной памяти позволяет открыть большое количество приложений одновременно, но выгрузка на диск и загрузка с диска снижают производительность компьютера.

Используемая для этой цели часть внешней памяти называется файлом подкачки, а описанный процесс подкачки известен под названием свопинг. Объем файла подкачки может в несколько раз превышать объем оперативной памяти.

Файл подкачки - файл на жестком диске, используемый для организации виртуальной памяти.

Настройка виртуальной памяти производится автоматически и вручную. Вручную выполнять настройку может только квалифицированный пользователь. Доступ к настройке виртуальной памяти осуществляется через Панель управления, где после открытия значка Система появляется вкладка Виртуальная память.

По умолчанию задан автоматический вариант настройки, т.е. Windows самостоятельно выбирает размер виртуальной памяти в зависимости от реальной потребности текущей задачи.

Совместимость с ранее созданным программным обеспечением

Под совместимостью с программным обеспечением понимают способность операционной системы исполнять программные продукты, созданные в другой операционной системе. В большинстве случаев операционная система Windows 95 обеспечивает такую совместимость на IBM-подобных компьютерах не только для программ ранних версий, но и для программ операционной системы MS DOS.

Наличие коммуникационных программных средств

Важнейшим направлением развития Windows является включение в ее структуру широко используемых и специальных программных средств для поддержки различных коммуникаций и компьютерных сетей.

Сетевые средства операционной системы Windows 95 позволяют:

- обеспечить передачу данных между двумя соединенными кабелями компьютерами с помощью программы Direct Cable Connection;

- организовать электронную почту в локальной и глобальной сети с помощью программы Microsoft Exchange;

- вьполнить факсимильную передачу с помощью программы Microsoft Fax;

- обменяться файлами с удаленным компьютером и подключиться к глобальной сети с помощью программы Hyper Terminal;

- организовать одноранговую компьютерную сеть из нескольких компьютеров, причем компьютеры сети могут управляться как Windows 95, так и Windows 3.11;

подключиться к компьютерной сети с выделенным сервером.

Наличие средств мультимедиа

Операционная система Windows 95 обеспечивает интерактивную работу с высококачественным звуком и видео при помощи специальных аппаратных и программных средств. Непременным атрибутом мультимедиа-компьютера являются звуковая плата, которая обеспечивает преобразование звука в компьютерную форму и обратно, и видеоплата, которая преобразует видеоинформацию в компьютерную форму и обратно. К звуковой плате подключаются различные акустические системы,

Для работы со звуком и видео на компьютере разработано множество программных средств. Минимально необходимый набор таких приложений входит в состав Windows 95. Они обеспечивают проигрывание аудиодисков, воспроизведение, запись и редактирование звуковых файлов, просмотр видеоклипов,

2. Модульная структура операционной системы Windows 95

Операционной системой(ОС) называют совокупность программных и аппаратных средств, осуществляющих управление ресурсами ЭВМ, запуск прикладных программ и их взаимодействие с внешними устройствами и другими программами, а также обеспечивающих диалог пользователя с ЭВМ.

Основным принципом построения ОС является модульность. Модуль ОС - это функционально законченный элемент системы, выполненный в соответствии с принятыми межмодульными интерфейсами.

Под архитектурой ОС понимают ее структурную организацию на основе различных программных модулей. Обычно в состав ОС входят:

- исполняемые и объектные модули форматов

- библиотеки разных типов;

- модули иcходного текста;

- программные модули специального формата (например, загрузчик ОС, драйверы ввода-вывода);

- конфигурационные файлы;

- файлы документации;

- модули справочной системы и т.д.

При простейшей структуризации все модули ОС разделяют на две группы:

Ядро, т.е. модули, выполняющие основные функции ОС

·Модули, выполняющие вспомогательные функции ОС.

Модули ядра выполняют:

1) базовые функции, такие как:

- управление процессами

- управление памятью

- управление устройствами ввода-вывода и т.д.

2) внутрисистемные функции организации вычислительного процесса, такие как:

- загрузка/выгрузка страниц памяти;

- обработка прерываний.

Эти функции недоступны для приложений.

3) функции поддержки приложений, создающие прикладную программную среду. Приложения могут обращаться к ядру с запросами (системными вызовами) для выполнения тех или иных действий, например, для открытия и чтения файла, вывода графической информации на дисплей, получения системного времени и т.д. Функции ядра, вызываемые приложениями, образуют интерфейс прикладного программирования API - совокупность программных средств, обеспечивающая прикладной программе на некотором традиционном языке программирования доступ к системам баз данных, поддерживаемым в среде конкретной СУБД. Реализация API представляет собой интерфейс уровня вызовов. Она включает библиотеку функций и процедур, обеспечивающих коммуникации прикладной программы и СУБД.

Функции, выполняемые модулями ядра, используются наиболее часто. Скорость их выполнения определяет производительность всей системы. Поэтому практически все модули ядра постоянно находятся в оперативной памяти, т.е. являются резидентными. Обычно ядро оформляется в виде программного модуля некоторого специального формата, отличающегося от формата пользовательских приложений.

Вспомогательные модули ОС оформляются либо в виде приложений, либо в виде библиотеки процедур и выполняют полезные, но менее обязательные функции. Так как некоторые компоненты ОС оформлены как обычные приложения, то есть в виде исполняемых модулей стандартного формата, то часто бывает очень сложно провести четкую грань между ОС и приложениями.

Вспомогательные модули разделяют на следующие группы:

1) утилиты-программы, решающие отдельные задачи управления и сопровождения компьютерной системы, такие, например, как программы сжатия дисков, архивирования данных и т.д.

2) системные обрабатывающие программы - текстовые и графические редакторы, компиляторы, компоновщики, отладчики и т.д.

3) библиотеки процедур различного назначения, упрощающие разработку приложений, например, библиотека математических функций, функций ввода-вывода и т.д.

4) программы предоставления пользователю дополнительных услуг:

- специальный вариант пользовательского интерфейса,

- калькулятор

- игры

Как и обычные приложения, для своих задач вспомогательные модули ОС, обращаются к функциям ядра посредством системных вызовов. Вспомогательные модули ОС обычно загружаются в оперативную память только на время выполнения своих функций, т.е. являются транзитными.

Для надежного управления ходом выполнения приложений ОС имеет по отношению к ним определенные привилегии, например, для того, чтобы:

- никакое некорректно работающее приложение не должно вмешиваться в работу ОС, чтобы исключить, например, часть ее кодов;

- выполнять роль арбитра в споре приложений за ресурсы компьютера в мультипрограммном режиме;

- ни одно приложение не должно иметь возможности без ведома ОС получать:

а) дополнительную область памяти;

б) занимать процессор дольше разрешенного ОС периода времени;

в)непосредственно управлять совместно используемыми внешними устройствами и т.д.

Для обеспечения ОС необходимых привилегий (полномочий) используются специальные аппаратные средства. Аппаратура компьютера должна поддерживать как минимум два режима работы:

1) пользовательский режим для работы приложений

2) привилегированный режим для режима ядра (режим супервизора) или некоторых модулей ОС.

Реестр

Реестр - это иерархическая база данных, в которой централизовано хранится вся информация об аппаратных средствах и о конкретных приложениях Windows'95 и о настройках пользователя интерфейсной части ОС.

Оболочка Windows 95 - это 32-разрядное приложение, которое обеспечивает взаимодействие пользователя и системы. Она объединяет функции диспетчера программ, диспетчера файлов и диспетчера задач в одном приложении.

Графическая оболочка Windows 95 соответствует требованиям самых придирчивых пользователей, дизайнеров и специалистов по эргономике.

Современный пользовательский интерфейс основан на полноценном воплощении метафоры рабочего стола и папок, удобен и нагляден. Панель задач дает полный обзор приложений, выполняемых системой в данный момент. Доступ ко всем объектам, будь то программы, документы, сетевые ресурсы или инструменты настройки системы, унифицирован. Оболочка Windows 95 предоставляет пользователю богатый и разнообразный выбор рабочих инструментов: создание так называемых ярлыков для быстрого доступа к необходимым приложениям и документам, весьма удачное средство поиска документов и встроенную программу быстрого просмотра документов различных форматов.

Системная виртуальная машина представляет собой некую операционную среду, которая кажется приложению отдельным компьютером с теми же ресурсами, что и у физического компьютера, поддерживающую работу всех приложений Windows 95 и подсистем, обеспечивающих интерфейс прикладного программирования.

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.

Приложения Win32 представляют собой 32-разрядные приложения Windows, использующие 32-разрядную модель процессоров 80386 и выше и подмножество интерфейса прикладного программирования. Каждое приложение Win32 имеет свое адресное пространство, недоступное другим приложениям.

32-разрядные приложения, созданные с учетом требований Windows 95, выполняются в режиме “подлинной” вытесняющей многозадачности. Кроме того, Windows 95 поддерживает многопоточные приложения, способные запускать параллельно несколько процессов.

Приложения Win16 представляют собой старые 16-разрядные приложения Windows 3.1. Эти приложения делят между собой единое адресное пространство и не могут управляться в соответствии с принципом многозадачности.

16-разрядные приложения для Windows выполняются в общем пространстве адресов в пределах системной виртуальной машины. Такие варианты, как выполнение каждого приложения win16 в отдельной виртуальной машине или полная эмуляция Windows 3.x в пределах операционной системы.

Для каждого win32-приложения и для области адресов приложений win1б используются отдельные очереди сообщений. Таким образом, приложения win16 фактически изолированы от остальных процессов.

В Windows 95 примененные методы очистки и восстановления системы в случае ошибок. Если ошибка в программе, выполняющейся под Windows 3.x, могла запросто “обрушить всю” систему, то ошибка в одном из приложений под Windows 95 обычно не влияет на выполнение остальных программ. Низкоуровневые компоненты операционной системы изолированы от прикладных программ, поскольку пользуются сервисом другого уровня защиты микропроцессора 80386.

Виртуальные машины MS DOS обеспечивают выполнение программ MS DOS под управлением Windows 95. Пользователь может запустить несколько виртуальных машин MS DOS.

На виртуальных DOS-машинах (VDM) выполняются DOS-программы. Они работают в режиме вытесняющей многозадачности.

Покинуть оболочку Windows 95 для работы с МS-DOS программами в реальном режиме можно, только инициировав перезагрузку или отключение системы или же перейдя в режим эмуляции МS-DОS (МS-DOS mode) с возможностью возврата в графическую оболочку по команде ЕХIТ. Похоже, что нормальным состоянием Windows 95 действительно является графический интерфейс, который всегда находится где-то под рукой, в памяти компьютера. Но это не так. В действительности “режим эмуляции МS-DOS” представляет собой классическую МS-DOS, работающую в реальном режиме и адресующую 640 Кбайт оперативной памяти.

Графическая система Windows 95 со всеми своими преимуществами по-прежнему является оболочкой защищенного режима для MS-DOS. Даже новейшие 32-разрядные графические приложения для Windows 95 продолжают использовать для выполнения отдельных операций функции МS-DOS и базовую область памяти.

Таким образом, определение Microsoft Windows 95 как операционной системы, не требующей отдельной копии МS-DOS, основано на том, что Windows 95 включает в себя все, что ей нужно от МS-DOS. Ничто лучше МS-DOS не поддержит MS-DOS-приложения, именно в МS-DOS лучше всего чувствуют себя те 16-разрядные драйверы устройств, которые все-таки приходится загружать (например, драйверы сканеров).

При этом весь комплекс сделан так, что обычному пользователю вроде бы и незачем что-то знать о МS-DOS, а квалифицированный пользователь, напротив, сможет применять как новые, так и старые, испытанные методы работы с системой.

Подсистема системного сервиса уровня API (Application Program Interface) - интерфейса прикладного программирования - обеспечивает совместимость с API Windows 3.1, а также поддержку 32-разрядного интерфейса прикладного программирования

Компоненты ядра Windows'95

Ядро Windows 95, как и во всех предыдущих версиях Windows, имеет трехуровневую структуру Kernel -User- GDI.

User управляет вводом с клавиатуры, от мыши и других координатных устройств, а так же выводом через интерфейс пользователя. В Windows'95 используется модель асинхронного ввода;

User - модуль Windows, который является диспетчером окон и занимается созданием и управлением отображаемыми на экране окнами, диалоговыми окнами, кнопками и другими элементами пользовательского интерфейса.

Kernel обеспечивает базовые функциональные возможности операционной системы (поддержку файлового ввода/вывода, управление виртуальной памятью, планирование задач), загружает exe- и dll-файлы при запуске программы, обрабатывает исключения, обеспечивает взаимодействие 16-разрядного и 32-разрядного кодов;

Kernel - модуль Windows, который поддерживает низкоуровневые функции по работе с файлами и управлению памятью и процессами. Этот модуль обеспечивает сервис для 16- и 32-разрядных приложений.

GDI - ( Graphics Device Interface , GDI ). это графическая система, управляющая всем что появляется на экране дисплея, и поддерживающая графический вывод на принтер и другие устройства.

GDI (Graphics Device Interface) - модуль Windows, обеспечивающий реализацию графических функций по работе с цветом, шрифтами и графическими примитивами для дислея и принтеров.

Все эти модули должны бы быть 32-разрядными, но в действительности полностью 32-разрядной сделана только самая низкоуровневая часть ядра Windows 95 - Kernel. Вполне понятно, что, объявляя о 32-разрядной системе, Microsoft обязана была выполнить в 32-разрядном коде хотя бы такие базовые вещи, как функции ввода- вывода, управления памятью и процессами, поддержку сетевой и файловой систем.

Что касается двух других модулей ядра, то расчеты показали, что полностью 32-разрядные USER и GDI вместе потребуют для работы более 1 Мбайт памяти. Поэтому модуль User, остался в Windows 95 преимущественно 1б-разрядным, а его 32-разрядная часть используется для переадресации вызовов 32-разрядных приложений 16-разрядному блоку. Большая часть функций ОВ1, включая подсистему буферизации входных и выходных потоков, подсистему печати, растеризатор шрифтов TrueТуре и основные операции рисования, перенесена в 32-разрядный модуль, оставшийся 16-разрядный код описывает управление окнами. 16-разрядные функции ядра Windows 95 написаны преимущественно на ассемблере .Что же касается Kernel, то его 16-разрядная часть задействуется только при загрузке Windows 95 и используется только для инициализации 32-разрядной части Kernel. Сам Kernel32 никогда не обращается к Kernel16.

Одной из проблем Windows 3.1 является способность приложения вызвать крах системы, вынудив сделать перезагрузку. В Windows 95 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, что может привести к краху всей ОС.

Часть системы, работающая в режиме ядра, обеспечивает собственно управление ресурсами: памятью, процессами и т.д.

Управлениение памятью. Для разработчиков программного обеспечения IВМ РС долгие годы оставалась камнем преткновения сегментированная модель памяти 1б-разрядных микропроцессоров 8088/86 и 80286.

Сегментом является непрерывная область памяти, адресуемая 16-разрядными числами ( 64 Кбайт ). Для того чтобы использовать более б4 Кбайт памяти, пришлось разработать систему адресации памяти при помощи двух чисел - адреса начала сегмента и 1б-разрядного смещения внутри сегмента. Микропроцессоры 80386, способные оперировать 32-разрядными адресами, могли бы без всяких премудростей ( и отнимающих время вычислений! ) адресовать до 4 Гбайт, оперативной памяти, Но МS-DOS и Windows 3.x вынужденно продолжали использовать устаревшую сегментированную модель памяти.

Для win32-приложений доступна плоская (несегментированная) модель памяти Windows 95 (Рис.2.2). Система полностью использует адресуемую память 38б-х процессоров, при этом прикладные программы могут работать с объемом памяти до 2 Гбайт, остальные 2 Гбайт Windows 95 использует для собственных нужд. Файл виртуальной памяти Windows 95 имеет динамический размер, ограниченный только объемом жесткого диска и не зависящий от фрагментации.

Для своей загрузки ОС Windows 95/98 используют операционную систему MS-DOS 7.0, распределение памяти в которой такое же, как и в предыдущих версиях DOS. Однако при загрузке GUI-интерфейса перед загрузкой ядра Windows 95 процессор переключается в защищенный режим работы и начинает распределять память с помощью страничного механизма.

Использование плоской модели памяти, при которой все возможные сегменты, которые может использовать программист, совпадают друг с другом и имеют максимально возможный размер, определяемый системными соглашениями данной ОС, приводит к тому, что с точки зрения программиста память получается неструктурированной. За счет представления адреса как пары (номер страницы, смещение) память можно трактовать и как двумерную ("плоскую"), но при этом ее можно трактовать и как линейную, и это существенно облегчает создание системного ПО и прикладных программ с помощью соответствующих систем программирования.

Таким образом, в системе фактически действует только страничный механизм преобразования виртуальных адресов в физические. Программы используют классическую малую (small) модель памяти. Каждая прикладная программа определяется 32-битными адресами, в которых сегмент кода имеет то же значение, что и сегменты данных. Единственный сегмент программы отображается непосредственно в область виртуального линейного пространства, который в свою очередь, состоит из 4-килобайтных страниц.

Младшие адреса виртуального адресного пространства совместно используются всеми процессами. Это сделано для обеспечения совместимости с драйверами устройств реального режима, резидентными программами и некоторыми 16-разрядными программами Windows. Безусловно, это плохое решение с точки зрения надежности, поскольку оно приводит к тому, что любой процесс может испортить компоненты, находящиеся в этих адресах.

В Windows 95 каждая 32-разрядная прикладная программа выполняется в своем собственном адресном пространстве, но все они используют совместно один и тот же 32-разрядный системный код. Доступ к чужим адресным пространствам в принципе возможен. Другими словами, виртуальные адресные пространства не используют всех аппаратных средств защиты, заложенных в микропроцессор. В результате неправильно написанная 32-разрядная прикладная программа может привести к аварийному сбою всей системы. Все 16-битовые прикладные программы Windows разделяют общее адресное пространство, поэтому они также уязвимы друг перед другом, как и в среде Windows 3.х.

Системный код Windows 95 размещается выше границы 2 Гбайт. В пространстве с отметками 2 и 3 Гбайт находятся системные библиотеки DLL, используемые несколькими программами. В 32-битовых микропроцессорах семейства i80x86 имеются 4 уровня защиты, именуемые кольцами с номерами 0..3. Кольцо с номером 0 является наиболее привилегированным, то есть максимально защищенным. Компоненты системы Windows 95, относящиеся к кольцу 0, отображаются на виртуальное адресное пространство между 3 и 4 Гбайт. К этим компонентам относится ядро Windows, подсистема управления виртуальными машинами, модули файловой системы и виртуальные драйверы (VxD).

Область памяти между 2 и 4 Гбайт адресного пространства каждой 32-разрядной прикладной программы совместно используется всеми 32-разрядными прикладными программами. Такая организация позволяет обслуживать вызовы API непосредственно в адресном пространстве прикладной программы и ограничивает размер рабочего множества. Однако при этом снижается надежность. Программа, содержащая ошибку, может произвести запись в адреса, принадлежащие системным DLL, и вызвать крах всей системы.

В области 2 и 3 Гбайт также находятся все запускаемые 16-разрядные прикладные программы Windows. С целью обеспечения совместимости эти программы выполняются в совместно используемом адресном пространстве.

Адреса памяти ниже 4 Мбайт также отображаются в адресное пространство каждой прикладной программы и совместно используются всеми процессами. Благодаря этому становится возможной совместимость с существующими драйверами реального режима, которым необходим доступ к этим адресам. Это делает еще одну область памяти незащищенной от случайной записи. К самым нижним 64 Кбайт этого адресного пространства 32-разрядные прикладные программы обращаться не могут, что дает возможность перехватывать неверные указатели, но 16-разрядные программы, которые, возможно содержат ошибки, могут записывать туда данные.

Страничный файл, с помощью которого реализуется механизм виртуальной памяти, по умолчанию располагается в каталоге Windows и имеет переменный размер. Система отслеживает его длину, увеличивая или сокращая этот файл при необходимости. Вместе с фрагментацией файла подкачки это приводит к тому, что быстродействие системы становится меньше, чем, если бы файл был фиксированного размера и располагался в смежных кластерах.

Управление процессами. Windows 95 обеспечивает вытесняющую многозадачность, то есть разделение процессорного времени между двумя и более процессами и нитями. Однако, поскольку часть кода ядра ОС заимствована из Windows 3.x и является нереентерабельной, прерывания активного процесса возможны не в любой момент времени. Для совместимости с заимствованным нереентерабельным кодом в Windows 95 введены специальные модули-переходники, которые, во-первых, преобразуют 32-разрядный API в 16-разрядный, а, во-вторых, блокирует совместное использование нереентерабельной части ядра.

Планирование процессов выполняется с динамическим перевычислением приоритетов. Механизм управления процессами обеспечивается двумя модулями:

- основной диспетчер, который перевычисляет приоритеты через каждые 20 мсек (этот интервал называется квантом);

- диспетчер квантования, который распределяет время внутри кванта.

Квант отдается процессу с наивысшим на данный момент приоритетом. Если несколько процессов имеют высший приоритет, то квант делится между ними поровну.

Всего имеется 32 градации приоритетов. Правила изменения приоритетов следующие:

- внешнее событие (нажатие клавиши или кнопки мыши) повышает приоритет;

- повышенный таким образом приоритет постепенно снижается до исходного (если не наступает новое событие);

- приоритет процесса, который захватывает монопольный ресурс (например, дисковый ввод-вывод) повышается, это повышение отменяется, когда ресурс освобождается

Базовая система включает в свой состав ряд важнейших подсистем.

Подсистема управления файлами Windows 95 (Рис. 2.3) 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.

Самый верхний уровень файловой системы Диспетчер Инсталлируемой Файловой Системы (ISF - Installable File System), который обеспечивает интерфейс между запросами процессов и конкретной файловой системой. Диспетчер IFS играет роль абстрактной файловой системы. Конкретные файловые системы называются драйверами файловых систем (FSD - File System Driver). Драйверы FSD ответственны за семантику конкретных файловых систем. Каждый такой FSD поддерживает определенную организацию файловые системы и обслуживает запросы, которые передает ему Диспетчер IFS .

Диспетчер IFS обеспечивает также для FSD некоторые общие сервисные функции: управление памятью, управление событиями, синтаксический разбор имен файлов и т.п. Каждый FSD при своей инициализации регистрируется у Диспетчера IFS, выдавая специальный системный вызов монтирования (для тома) или регистрации (для сетевой файловой системы). В процессе регистрации FSD передает Диспетчеру IFS адреса своих входных точек. Эти входные точки однозначно соответствуют файловым системным вызовам из состава API. Таким образом, в самой ОС почти совсем отсутствует общая обработка системных вызовов, и основная функция IFS - опознание того FSD, которому следует переадресовать вызов. Опознание адресата Диспетчер IFS производит следующим образом:

-если одним из параметров вызова является полное имя файла, Диспетчер IFS использует идентификатор диска для определения соответствующего FSD по таблице томов;

-если одним из параметров вызова является манипулятор открытого файла, Диспетчер IFS использует манипулятор для определения соответствующего FSD по таблице открытых файлов;

если происходит запрос, с которым Диспетчер IFS не может разобраться, он поочередно вызывает все зарегистрированные FSD, пока один из них не примет запрос.

Подсистема ввода-вывода - IOS - выполняет две функции: управляющего модуля, который распределяет обращения, и сервисные функции для драйверов.

Драйвер отслеживания тома - VTD - контролирует смену носителей на устройствах.

Cпецифический дисковый драйвер - TSD - управляет всеми устройствами определенного типа и преобразует виртуальные адреса на устройстве в физические.

Драйверы независимых разработчиков - VSD - (необязательные) выполняют любую дополнительную обработку данных.

Драйвер порта - аппаратно-зависимый драйвер, выполняющий обмен данных с устройством на низком уровне.

В Windows 95 идея независимой от драйверов модификации данных реализована таким образом, что в ОС определено общее количество звеньев в цепочке обработки, которую проходят данные, - 32. IOS составляет уровень 0, драйвер порта - уровень 31. Между ними, следовательно, возможно еще 30 уровней, которые могут быть заняты драйверами VSD, при установке драйвера VSD можно выбрать уровень, на котором он будет включен в цепочку.

Что касается конкретной файловой системы, то файловые системы Windows 95 - VFAT (виртуальная FAT) и FAT-32. Их структура в принципе такая же, как и FAT-16. Одно из самых назойливых ограничений систем МS-DOS и Windows 3.x - имена файлов, состоящие не более чем из 11 (8+3) символов. Новая файловая система позволяет win32-приложениям пользоваться длинными (до 255 символов) именами файлов и при этом остается полностью совместимой с FAT. Разумеется, пользоваться такими именами файлов гораздо удобнее.

Некоторые компоненты новой файловой системы были использованы еще в Windows 3.11 для рабочих групп - драйвер устанавливаемых файловых систем, 32-разрядный драйвер FАТ, 32-разрядное кэширование жесткого диска. Все эти черты получили дальнейшее развитие в Windows 95. Кроме того, появились 32-разрядный драйвер CD-ROM, более мощная подсистема блокового ввода-вывода и другие черты. Файловая система Windows'95 характеризуется многоуровневой архитектурой, поддерживающей несколько файловых систем ( на основе FAT, файловая система CD ROM, файловые системы от сторонних разработчиков).

Другая особенность - это динамическое кэширование, поддерживаемое файловой системой CD ROM. Это обеспечивает оптимальный баланс между памятью, необходимой приложению, и памятью, выделяемой под дисковый кэш.

Диспетчер конфигурации включает в свой состав подсистему поддержки самонастраивающейся аппаратуры Plug and Play, а также набор различных прикладных функций, например выдачи текущих даты и времени.

Впервые поддержка Plug and Play была включена в состав операционной системы Windows 95. Microsoft рассматривала Windows 95 и как возможность изменить существующее положение вещей на благо как конечных пользователей, так и производителей компьютеров. В этом смысле основополагающим, конечно же, явилось развитие аппаратных средств.

Plug and Play - так называется спецификация, созданная совместно фирмами Microsoft, Intel, Phoenix Tech- nologies (разработчик BIOS), Compaq и некоторыми другими. Цель ее создания состояла в сведении к минимуму проблем, связанных с настройкой и конфигурированием аппаратных средств. Теперь пользователю совершенно необязательно знать, например, что такое IRQ (уровень запроса прерывания) или адрес порта ввода-вывода. Реализованная в Windows 95 система "plug and play" (дословно -- "подключил и играй") автоматически устанавливает драйверы устройств, присваивает им номера прерываний и т. д. -- раньше это приходилось делать вручную. В свою очередь, появление Windows 95 привело к появлению устройств, специально спроектированных под plug and play -- например, они неактивны, пока система не присвоит им адреса и прерывания. На ранней стадии внедрения случались многочисленные ошибки распознавания оборудования, поэтому "plug and play" часто в шутку называли "plug and pray" -- дословно "подключил и молись".

Windows 95 поддерживает текущую версию протокола Plug-and-Play. При установке дополнительного устройства, подключаемого на основе Plug-and-Play, система сама заботится о его конфигурировании.

Достаточно удобно использовать Windows 95 и без аппаратной поддержки Plug-and-Play - система чрезвычайно много знает о том, какие существуют внешние устройства и как идентифицировать, включая СD дисководы, звуковые карты модемы, мыши и многое другое

Сетевая подсистема представляет собой средство поддержки одноранговой сети, впервые появившееся в Windows 3.11. Система осуществляет доступ к удаленным файлам при помощи файловой подсистемы Windows 95

Диспетчер виртуальной машины

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

VMM выделяет ресурсы каждому приложению и системному процессу, выполняемому на компьютере.

Подсистема диспетчера ВМ (виртуальной машины) реализует все действия по управлению задачами, управлению памятью, загрузкой и завершением программ, а также обслуживанием виртуальных драйверов устройств.

Драйверы устройств

Драйвер- это специальная программа, ориентированная на управление внешним устройством. Драйверы обеспечивают единый интерфейс к различным устройствам и тем самым "отвязывая" пользовательские программы и ядро ОС от особенностей аппаратуры. Каждому типу, а иногда и классу ВУ сопоставляется свой драйвер.

Весь зависимый от устройства код помещается в драйвер устройства.

В ОС только драйвер устройства знает о конкретных особенностях какого-либо устройства. Например, только драйвер диска имеет дело с дорожками, секторами, цилиндрами, временем установления головки и другими факторами, обеспечивающими правильную работу диска.

Драйверы стандартных устройств образуют в совокупности базовую систему ввода/вывода, которая часто заносится в ПЗУ системного блока ПЭВМ. Драйверы дополнительных устройств могут подключаться к ОС динамически при запуске машины.

Драйвер выполняет следующие функции:

- принимает запросы на обращение к ВУ;

- преобразует запросы в команды управления устройством с учетом всех деталей его конструкции и особенностей работы в реальном времени;

- обрабатывает прерывания от обслуживаемого ВУ.

Драйверы устройств могут быть самыми разнообразными, в том числе драйверами реального режима или виртуальными драйверами внешних устройств. Драйверы внешних устройств позволяют нескольким приложениям одновременно использовать одно устройство, например, экран дисплея

В Windows'95 применяется архитектура “универсальный драйвер - минидрайвер”.

Универсальный драйвер содержит большую часть кода, необходимого для общения целого класса устройств (например принтеров или модемов) с соответствующими компонентами операционной системы (скажем с подсистемами печати или связи).

Минидрайвер содержит небольшую часть кода, который обеспечивает работу конкретного устройства, принадлежащего данному классу.

Наиболее громоздкие МS-DOS драйверы, занимавшие больше всего места в базовой памяти или UMB, теперь не нужны при использовании оболочки защищенного режима. Согласно документации Microsoft система Windows 95 обеспечивает:

- полную поддержку разделения доступа к файлам, заменяя резидентную программу SНАRЕ.ЕХЕ;

- полную поддержку разнообразных звуковых плат, СD-ROM приводов и других мультимедиа-устройств, не требуя при этом установки МS-DOS драйверов;

- поддержку файловой системы СD-RОМ дисков, заменяя MSCDЕХ.ЕХЕ;

- кэширование дисков, заменяя SMARTDrive;

- работу с мышью не только в графической среде, но и с MS-DOS-программами, заменяя драйвер мыши для MS-DOS;

- динамическое сжатие данных, заменяя DRVSpace.BIN (DBLSPACE.BIN);

- полную поддержку работы станции в локальных сетях MS-NЕТ и Novell Netware, заменяя все резидентные программы, которые приходилось загружать для работы в этих сетях.

3. Файловая система Windows 95

Файловая система (ФС) - это часть операционной системы, предназначенной для обеспечения пользователю удобного интерфейса при работе с данными, хранящимися на диске, и обеспечения совместного использования файлов несколькими пользователями и процессами. Она включает:

1) совокупность всех файлов на диске;

2) наборы структур данных, используемых для управления файлами, такие, например, как каталоги файлов, дескрипторы файлов, таблицы распределения свободного и занятого пространства на диске;

3) комплекс системных программ, реализующих различные операции над файлами, такие как создание, уничтожение, чтение, запись, именование и поиск файлов.

Файловая система позволяет программам обходиться набором

достаточно простых операций для выполнения действий над некоторым абстрактным объектом, представляющим файл. Все функции, связанные с деталями выполнения этих операций берет на себя ФС.

Таким образом, ФС играет роль промежуточного слоя, экранирующего все сложности физической организации долговременного хранилища данных, и создающего для программ более простую логическую модель этого хранилища, а также предоставляя им набор удобных в использовании команд для манипулирования файлами.

Основной структурной единицей любой файловой системы является файл и каталог. Файл - минимальная структурированная именованная последовательность данных. Каталог (папка) является своеобразной объединяющей структурой для расположенных на диске файлов. Каталог может содержать в себе файлы и другие (вложенные) каталоги. Каталоги и файлы образуют на диске древовидную иерархическую структуру - дерево каталогов (Рис. 3.1 ). Единственный каталог не входящий ни в одну из директорий называется корневым каталогом.

Файловая система выполняет следующие функции:

задает возможные способы организации файлов,

реализует методы доступа к содержимому файлов,

определяет способы организации файловой структуры,

предоставляет средства манипулирования файловой структурой, в том числе файлами.

Таким образом файловая система включает в себя, помимо самих файлов, правила образования имен файлов и способов обращения к ним, систему оглавления файлов и структуру хранения файлов на дисках.

Все файлы в компьютере хранятся на магнитных дисках, которые являются частью его конструкции. Магнитные диски являются устройствами произвольного доступа. В них каждая запись данных имеет свой уникальный адрес, обеспечивающий непосредственный доступ к ней, минуя все остальные записи. Для хранения данных служит диск (пакет из нескольких дисков), покрытый ферромагнитным слоем. Запись на магнитный диск и считывание данных с него осуществляется головками чтения/записи.

Поверхность диска разбита на дорожки представляющие собой окружности (Рис. 3.2). Дорожки разделены на секторы. Размер сектора обычно составляет 512 байт.

В большинстве файловых систем пространство на диске выделяется кластерами, которые состоят из нескольких секторов. Кластер - минимальный размер места на диске, которое может быть выделено для хранения одного файла. Перед тем, как диск может быть использован для записи данных, он должен быть размечен -- на его дорожки должны быть записаны заголовки секторов с правильными номерами дорожки и сектора, а также, если это необходимо, маркеры. Как правило, при этом же происходит тестирование поверхности диска для поиска дефектов магнитного слоя. Современные жесткие диски обычно требуют физической разметки при их изготовлении.

Один физический жесткий диск может быть разделен на несколько разделов - логических дисков (томов). Каждый логический диск представляет собой как бы отдельное устройство. Следовательно, на нем может быть своя файловая система и свой корневой каталог.

В операционных системах MS-DOS и Windows каждое дисковое устройство обозначается латинской буквой. Для имени логического диска используются буквы от A до Z. Буквы A и B обозначают дисководы гибких магнитных дисков (FDD). Начиная с буквы C, именуются разделы жесткого диска (HDD), дисководы оптических дисков и виртуальные диски (Рис.3.3). Для обращения к файлу используется следующая спецификация:

устройство:\путь\имя файла.\расширение

Здесь путь - список каталогов, входящих друг в друга, в последнем из которых и содержится указанный файл. Если путь не указан, следует что, файл находится в корневом каталоге данного диска. В MS-DOS имя файла состоит из 8 символов, точки и 3 символов расширения имени файла. Точка отделяет собственно имя от расширения. Имя файла может состоять из латинских букв, цифр 0 - 9, некоторых других символов, и не может содержать пробел.

Особенностью файловой системы Windows'95 является поддержка длинных имен. Теперь нет необходимости придумывать какие-то немыслимые сокращения для названий файлов. В именах файлов можно использовать до 255 символов, включая пробелы и знаки препинания. Запрещенными в именах являются только следующие знаки:

\ - обратный слэш (используется для обозначения пути)

/ - прямой слэш (исп. для подстановки ключей)

> - знак “больше” (исп. для указания направления вывода)

< - знак “меньше” (исп. для указания направления вывода)

: - двоеточие (исп. для обозначения имени диска)

? - вопросительный знак (исп. в масках поиска)

* - знак “звездочка” (исп. в масках поиска)

" - кавычки (в них заключаются полные имена файлов и папок с длинными именами)

Расширение имени необходимо для определения типа файла и связывания файла с определенной программой, с помощью которой он может быть открыт. Хотя имя файла может и не иметь расширения.

Различают следующие типы файлов:

1) Текстовые файлы. Текстовые файлы могут содержать простой или размеченный текст, в кодировке ASCII, ANSI или UNICODE. Текст без разметки содержит только отображаемые символы и простейшие управляющие символы (возврат каретки и табуляции). Размеченный текст содержит бинарную и символьную разметку (межстрочный интервал, новая страница и т.п.), может содержать таблицы и рисунки;

2) Графические файлы - файлы, содержащие точечные или векторные изображения;

...