WindowsNT操作系统概述

1、WindowsNT操作系统概述 Windows NT操作系统操作系统 WindowsNT操作系统概述 1. 概 述 93年推出WINDOWS NT是一个32位的多任务操作系统。 NT操作系统控制CPU时间的分配，而不是控制应用 程序的分配。 NT支持多CPU，多CPU提供真正的多任务，使用对称 的多处理，意味着处理器分享所有任务，不象非对 称的多处理那样让操作系统使用一个CPU，而让应 用程序用另一个CPU。 NT也是一个容错的操作系统，应用程序在自己的虚 拟内存地址空间（4GB）上运行，一个应用程序不 会干扰另一个应用程序的内存空间。 WindowsNT操作系统概述 1) WINDOWS N

2、T的特点 图形用户界面技术； 支持多操作系统运行环境； 对称多处理能力； 内装网络功能； 多重文件系统与异步I/O以及采用面 向对象的软件开发技术 它提供了现代操作系统的几乎所有 功能，如：多任务能力；多处理系 统；虚拟资源管理；统一成一体化 的I/O系统；网络通信功能等，具有 很多的性能 WindowsNT操作系统概述 2) 设计目标 可扩充性。（要求操作系统易于扩充，随 市场需求的变动易于改动） 可移植性。（尽可能通过少改动而移植到 不同的处理机上） 可靠性。（操作系统应是稳健的，能对一 切意外处理；主动保护自己及其它用户免 遭破坏） 兼容性。（能执行为其它操作系统所编写 的程序能力，如早

3、期版本等） 高的系统性能。（快速处理图、文、声、 像、仿真软件等） WindowsNT操作系统概述 3) NT的优良特性 先进的操作系统结构 性能优良的内核程序 丰富的网络服务 WindowsNT操作系统概述 2. Windows NT的系统模型 客户/服务器模型 对象模型 对称处理模型 WindowsNT操作系统概述 1) 客户/服务器模型 提供多种操作系统运行环境的支持。 （由NT设计目标兼容性的要求） 改进了可靠性： A每个服务器是以分配给它的主存 分区的独立进程方式运行。 B每个服务器是以独立的用户进程 方式运行 C适宜于分布式计算模型 WindowsNT操作系统概述 2) 对象模型

4、NT操作系统使用对象模型有以 下优点： 操作系统访问和操纵其资源是一致 的。（通过对象句柄） 所有对象采用同样的保护方法，因 此简化了安全措施。 WindowsNT操作系统概述 3) 对称多处理模型 所谓多处理模式是指一台计算机中 具有两个以上的处理机，可同时执行（NT 线程）。每个处理机上同时可有一进程 （或线程）在执行。对称多处理系统允许 操作系统在任何一个处理机上运行，即各 处理机平等。它们既可执行操作系统又执 行用户进程，共同负责管理系统主存，外 设和其它资源，各处理机共用主存。 WindowsNT操作系统概述 NT采用对称处理模式的优点 操作系统可在任一个空闲的处理机上运行， 也可同

5、时在各处理机上运行。 一个进程的多个线程可同时在多个处理机 上运行。 服务器进程可使用多个线程在不同的处理 机上处理多个客户进程的服务请求。 WindowsNT操作系统概述 3. Windows NT的结构图 WindowsNT操作系统概述 1) Windows NT的结构 NT分为系统用户态部分（NT保护子系统）和系统 核心态部分（NT执行体）。 核心态处于特权处理器方式下，用户态处于非特 权处理器方式。 核心态包括了系统服务和硬件描述层(HAL)， 系统服务包含了一个操作系统的所有应有服务， 文件系统，进程控制，内存管理，设备管理等等。 NT中除了微内核外，另外还包含了一些独特的部 分，如

6、对象管理器，配置管理器，执行体支持， 本地过程调用，安全监视器，所有这些都建立在 HAL之上。 IO管理器实现对设备的管理，包含了文件系统， 中间介质和设备驱动。 WindowsNT操作系统概述 2) 保护子系统 用户态模式是由诸客户进程、服务器 进程所构成的部分，其结构为客户/ 服务器模型。由环境子系统和集成子 系统 组成。 用户态模式包括了一些保护子系统， 如OS/2子系统，POSIX子系统，安全 子系统，当然还有最常用的Win32子 系统，NT都称之为服务器。它们运行 于CPU的用户层Ring3，建立在服务器 上的各类应用程序被称为客户。 WindowsNT操作系统概述 3) 环境子系统

7、 是一个用户态服务器，为特定的操 作系统提供一个API。（它为客户进程提 供的服务是这样的，当一个应用程序调用 其相应的某个API时，一个消息通过执行 体的本地过程调用LPC工具，发送给完 成该API的程序服务器环境子系统。 子系统执行API例程，并通过LPC将结果返 回应用程序进程） WindowsNT操作系统概述 4) 集成子系统 是完成重要操作系统功能的服务器， 包括安全子系统、网络软件中的若干部件。 用户态的每个环境子系统都可支持多个客 户应用程序同时运行，当用户试图进入系 统时，首先须进行登录，由安全子系统对 用户进行是否允许其进入和权限的检查与 控制。安全子系统维护着一个有关用户账

8、 号信息的DB，任何非法用户都不许进入。 WindowsNT操作系统概述 5) NT执行体 NT执行体基本上是一个完整的操作 系统，它由一组部件组成： 层次结构的第一层是由系统服务下面的几 个部件构成，这些部件可通过内部界面互 相调用。 NT内核是第二层，它类似Mach的微内核。 最底一层是硬件抽象层（HAL）。它将NT 执行体的其余部分与运行机器的硬件特性 隔离开来。 WindowsNT操作系统概述 6)NT执行体各组成部件的主要功能 对象管理程序：生成、管理及删除执行 体对象。 安全调用监视程序：监视操作系统资源， 执行运行对象的保护和审查，实施安全 方针。 进程管理程序：生成和终止进程及

9、线程， 执行暂停和恢复线程的执行、存贮和检 索有关NT进程和线程的信息。 WindowsNT操作系统概述 NT执行体各组成部件的功能（续） 本地过程调用功能（LPC）：在同一台计 算机中的客户进程和一个服务器进程之间 传送消息，是远程过程调用的优化版本。 虚拟存贮管理（VM）程序：为每个进程提 供专有地址空间，对进程地址空间进行保 护，负责页面调度。 内核：对中断和异常作出响应，调度线程， 提供一组基本对象和接口。 WindowsNT操作系统概述 NT执行体各组成部件的功能（续） I/O系统包括下列子部件：I/O管理程序、 文件系统、网络定向程序和网络服务 器、设备驱动程序、高速缓冲存贮管理

10、程序 硬件抽象层（HAL）：运行于CPU的特 权层Ring0(在驱动程序内部，在不同部 分还分为不同权限层)。 以上这些组成部件中的前六个部件都要 实现两组函数:1)系统服务：可以由环 境子系统和其它执行体部件调用； 2)内部例程：只可由在执行体内的组成 部件使用。 WindowsNT操作系统概述 4. 对象 是个抽象数据结构。在NT中用以表 示所有资源。对象是数据和有关操作的封 装体。它包括数据、数据的属性以及可以 施加于数据上的操作等三个成分。NT的对 象类（可理解为资源类），NT执行体中定 义的对象类有：进程、线程、区域、文件、 事件、事件对、信息量、时间器、对象目 录、简要表、符号连接

11、、关键字、端口、 存贮令牌、多用户终端程序。 WindowsNT操作系统概述 1) 执行体对象类 WindowsNT操作系统概述 2) NT执行体实现两种对象 执行体对象：由执行体的各组成部件实现 的对象，能被子系统或NT执行体创建和修 改，其对象类列于上表中。 内核对象：由内核实现的一个更基本的对 象集合，称为控制对象集合，包括：内核 过程对象、异步过程调用对象、延迟过程 调用对象、中断对象、电源通知对象、电 源状态对象、调度程序对象等。 WindowsNT操作系统概述 3) 进程 被定义为表示操作系统所要做的工 作，是操作系统用于组织其必须完成的诸 项工作的一种手段。它由四个部分组成： 一

12、个可执行的程序：它定义了初始代码 和数据 一个私用地址空间：即进程的虚拟地址 空间。 系统资源：由操作系统分给进程 至少有一个执行线程 WindowsNT操作系统概述 与传统操作系统进程概念的不同 进程是作为对象来实现的。（它也是可共 享的资源） NT进程要求一个独特的组成成分至 少一个执行线程。 NT进程的组成中没有PCB，有关的信息在 进程对象的对象体中及局限于进程对象表 中等处都有进程的信息 调度和执行的基本单位是线程而不是进程， 因此不必划分进程状态。 WindowsNT操作系统概述 与传统操作系统进程概念的不同 一个NT进程可有多个线程在其地址空间内执行。 进程是由进程创建的，当应用

13、程序启动时，相应 的环境子进程调用执行体的进程管理程序为之建 立以进程，并返回一句柄，然后进程管理程序又 调用对象管理程序为之建立一个进程对象。当系 统启动时，系统为每个环境子系统建立一个服务 器进程。 进程管理程序不维护进程的父/子或其它关系。 进程和线程都具有内含的同步机制。 WindowsNT操作系统概述 4) 线程 进程内的一个执行单元；进程内的一个可 调度实体。（若把进程理解为操作系统所 做的作业，则线程表示完成该作业的许多 可能的子任务之一）。它由四个基本组成 部分组成：一个唯一的标识符（ID）；描 述处理机状态的状态寄存器内容（相当于 老PSW）；两个栈，分别用于用户态和核 心态

14、下执行时使用；一个私用存储器。 WindowsNT操作系统概述 线程的优点 通过线程可方便有效地实现并行性，进程 可创建多线程执行同一程序的不同部分 创建线程比创建进程快，少开销，它除栈 和寄存器内容外，共享同一主存 创建多线程、对客户同时提出请求回答十 分便利，因服务器程序只被装入主存一次， 就可使多客户同时提出服务请求分别由一 独立服务器线程通过执行适当的服务器功 能，并行为客户进行处理。 WindowsNT操作系统概述 5) 对象、进程和线程间的关系 对象、进程和线程是组织和构 造NT操作系统的三个基本成分。它 们之间互相交叉，对象是一抽象的 数据结构，是构成操作系统的三个 基本成分中非

15、活动的成分，而进程、 线程是构成操作系统的二个活动成 分，它们的关系如下： WindowsNT操作系统概述 对象、进程和线程间的关系（续） 线程是进程的一个组成部分。 进程的多个线程都在进程的地址空间活动。 资源分配的对象是进程，即资源是分给进程而非 线程。 调度的基本单位是线程，即CPU是分配给线程的。 线程在执行过程中，需要协作同步，在不同进程 的线程间的同步用消息通信，它要用到进程的资 源端口。因此，通信的是线程，用的消息队 列是进程的资源。（可喻为，进程相当董事长， 线程相当部门经理，或类似作业与进程） WindowsNT操作系统概述 6. 内核的主要任务 调度线程的执行 当中断核异常

16、发生时，将控制转移到相应 的中断和异常 执行低级的多处理器同步 在电源失效后，实现系统的恢复过程。 NT内核提供了一组精心定义的操作 系统原语机制，通过使用内核原语，NT执 行体可构成许多更高级的功能。 WindowsNT操作系统概述 1) 线程的生命期的状态 一个线程的生命期的状态是变化的，它在 任何一个时刻的状态是六种状态之一。 就绪状态：线程已具备执行的条件，等待CPU执 行，调度程序从中选入备用 备用状态：被调度程序选用定为某一特定处理机 上只能有一个处于备用状态的线程。 运行状态：一旦调度程序对线程执行完描述表切 换，线程进入运行状态。 等待状态：以下情况线程进入其状（线程等待同 步

17、对象、因I/O，自己挂起） 转换状态：若线程已准备好执行，但由于资源成 为不可用（如页在外存）从而转入转换状态，当 资源成为可用，则进入就绪状态。 终止状态：线程完成它的执行 WindowsNT操作系统概述 2）优先级 内核的线程调度程序是采用可抢占 的动态优先级调度算法，调度程序按线程 的优先级调度线程的执行顺序，先调度高 优先级的线程。 NT支持32个优先级，分两类：实时优 先级 从1631 实时程序所用的主优先级 线程、可变优先级 从115。 当系统中无任何事件时，内核提供 一总在执行的线程，称为空闲线程，优先 级最低。 WindowsNT操作系统概述 3) 中断和异常处理 NT中的中断

18、主要是由硬件引起的， 是随机发生的异常事件。而异常是某一特 别指令执行的结果，是同步情况，如主存 存取错，除零。 当中断和异常发生被捕捉后，系统 将执行线程由用户态切换到核心态，将 CPU控制权交给操作系统中有效在主存中 固定地址的陷阱处理程序。它首先保存执 行线程中断现场，确定所发生的情况，并 转相应处理程序。 WindowsNT操作系统概述 7. 输入输出（I/O）系统 建立一个统一的主层界 面I/O设备虚拟界面，即将 所有读写数据看成直接送往虚拟 文件的字节流。 WindowsNT操作系统概述 8. NT的内装网络 无需其它软件即可为用户 提供文件共享、打印机共享、电 子邮件和网络DDE

19、等功能。 WindowsNT操作系统概述 9. 对象管理程序 它的主要功能是创建、管 理、删除用来表示操作系统资源 的对象，操作系统通过对象管理 程序对资源进行统一的管理，使 用共同的代码操纵它们。 WindowsNT操作系统概述 对象管理程序的工作 NT的对象管理程序在接到创建对象 的系统服务后，要做以下工作： 为对象分配主存。 给对象一个附加安全描述体，以指出允 许谁使用对象以及谁被允许进行操作。 创建和维护对象目录表目 创建一个对象句柄并返回调用者。 NT对对象的管理、组织和操作的模 型是基于文件系统的模型。 WindowsNT操作系统概述 10. NT的安全性 登录进程和安全子系统 存

20、取令牌 存取控制表 主存保护 客户/服务器模型 WindowsNT操作系统概述 11. 虚拟内存 NT/2K/XP中，操作系统利用虚拟内 存管理技术来维护地址空间映像，每个进 程分配一个4GB的虚拟地址空间。运行在 用户态的应用程序，不能直接访问物理内 存地址；而运行在核心态的驱动程序，能 将虚拟地址空间映射为物理地址空间，从 而访问物理内存地址。 WindowsNT操作系统概述 1) 进程的虚拟地址空间 NT为每个进程提供一个很大的虚拟空间 （4GB）（ 抛弃了早期从808680286使 用分段模式造成的64K局限） NT运行在32位的386以上微机。 进程4GB的地址被等分为两部分，高2G

21、B 给系统用，低地址2GB用户用。直接映射 区寻址由硬件直接变换，且常驻内存，存 取数据快，用以有效NT内核中频繁使用， 响应速度快的那些代码。 WindowsNT操作系统概述 2) NT虚拟分页地址变换机构 它不同于传统页地址变换。采用一种称为 两极页表结构技术，第一级为页目录，第 二级为页表，每个进程一个页目录。 页目录：包含1024个表目。每个表目指出 二级页表所在页表地址。 页表：包含1024个表目。每个页面大小为 4KB。 在系统中有控制寄存器指出进程的页目录 地址。 WindowsNT操作系统概述 页目录地址页目录地址 目录位移目录位移页表位移页表位移页位移页位移 虚拟地址虚拟地址

22、 页表地址页表地址 . . . 页目录（每进程一个）页目录（每进程一个） 块号块号 . . . 页表页表 代码或数据代码或数据 . . . 内存块内存块 二级页表结构及地址映射二级页表结构及地址映射 + + WindowsNT操作系统概述 3) 地址变换过程 当给出虚拟地址后，按图示被自动分 为三部分，页目录（10位）、页表位移 （10位）、页内位移12位 将寄存器的页表地址与目录位移（左移两 位，因表目录为4字节）拼接成页目录中 表目所在地址，该表目中有页表地址。 页表地址与页内位移（左移两位）拼接找 到页架号。 将页架号与页内位移拼成绝对地址，从而 访问主存。 WindowsNT操作系统概

23、述 4) NT要采用二级页表结构的原因 由于每个进程的虚拟地址空间太大， 232个可能虚地址，每页大小位4K（212）， 每个进程的地址空间可有1048576页 （220），每个进程的页表有2204字节。 若将全部页表都放入主存，则占主存大的 开销，位避免主存都消耗在页表上，根据 需要把页表换入、换出主存。 WindowsNT操作系统概述 NT采用二级页表结构的原因（续） 采用两级页表结构主存访问速度慢 （要从主存访问数据三次访问主存方可） 因此，采用快表：用高速相关存贮器来 存放经常使用的页表表目（NT称快表位变 换查找缓冲区【TLB】）使用高速缓存： 在位处理器与主存间设置32K或64K的高速 缓存，大部分的指令核数据取自高速缓存。 （命中率98）所以存取数据和指令相当 高。 WindowsNT操作系统概述 5) 页面调度策略 NT采用按进程需要请求取页，又采取集群 方法（即缺页时将附进页一起装入主存）