1. Укажите уровни структуры Windows XP и опишите их назначение.

Программная оболочка Windows XP имеет модульную структуру (рис. 4.1), в которой код операционной системы и драйверы выполняются в привилегированном режиме процессора (режиме ядра), обеспечивающем полный доступ ко всей аппаратной части компьютера, а пользовательские приложения выполняются в непривилегированном режиме процессора – пользовательском режиме без прямого доступа к оборудованию компьютера. В режиме ядра работают следующие компоненты.

1.Уровень абстрагирования от оборудования (Hardware Abstraction Layer, HAL). Его задачей является отделение операционной системы от особенностей конкретных реализаций в аппаратном обеспечении компьютера, то есть от различий в материнских платах, в модификациях процессоров, в наборах микросхем и др. Благодаря этому уровню, управление подсистемами прерываний, прямого доступа к памяти, системными шинами, таймерами для ядра операционной системы является одинаковыми. Уровень HAL реализован в системном файле Hal.dll.

2.Ядро операционной системы. Ядро содержит наиболее часто вызываемые низкоуровневые функции операционной системы: планирование и распределение ресурсов между процессами, их переключение и синхронизацию. В обязанности ядра входит также управление прерываниями и обработка ошибочных ситуаций при функционировании операционной системы. Код ядра Windows XP не разделяется на потоки, а находится только в оперативной памяти и не может быть выгружен на диск. Код ядра Windows XP находится в системном файле Ntoskrnl. exe.

3.Драйверы устройств. Драйверы представляют собой подпрограммы, транслирующие вызовы, поступившие от пользовательских программ в запросы обработки данных для конкретных устройств. Значительное число драйверов входит в состав Windows XP (они располагаются в подкаталоге Isystem32l drivers системного каталога и имеют тип файла *.sys, например, драйвер дисковой подсистемы находится в файле disk.sys), а для нестандартных периферийных устройств драйверы находятся в комплектах поставки.

4.Исполняющая подсистема (NT Executive). Модуль NT Executive состоит из микроядра и подсистем диспетчеризации управления программами с доступом к виртуальной памяти, окнам и графической подсистеме. Виртуальная память предоставляет пользовательским программам виртуальные адреса адресного пространства процессов и соответствующие физические страницы оперативной памяти компьютера. Графическая подсистема предназначена для создания оконного интерфейса, рисования элементов управления, расположенных в окнах. К исполняющей подсистеме относятся системные файлы Ntkrnlpa.exe, Kernel32.dll, Advapi32.dll, User32.dll, Gdi32.dll.

5.Диспетчеризация управления программами. Модуль состоит из следующего набора системных программ:

• Диспетчер ввода-вывода – интегрирует добавляемые в систему драйверы устройств в ОС Windows XP.

• Диспетчер объектов – служит для управления всеми разделяемыми ресурсами компьютера. В момент обращения приложения к какому-либо ресурсу диспетчер объектов сопоставляет этому ресурсу объект (например, окно) и отдает приложению дескриптор¹ (№ окна) этого объекта. Используя дескриптор, приложение взаимодействует с объектом, совершая в его отношении различные операции. Монитор системы безопасности следит при этом за тем, чтобы с объектом выполнялись только разрешенные действия.

• Диспетчер процессов – предоставляет интерфейс, при помощи которого другие компоненты Windows NT Executive, а также приложения пользовательского режима могут манипулировать процессами и потоками. Во время работы диспетчер процессов сопоставляет каждому процессу и потоку идентификатор процесса (PID – Process Identifier) и идентификатор потока (TID – Thret Identifier) соответственно, а также таблицу адресов и таблицу дескрипторов.

• Диспетчер виртуальной памяти – служит для управления организации подсистемы памяти, позволяет создавать таблицы адресов для процессов и следит за корректностью использования адресного пространства приложениями. Кроме того, обеспечивает возможность загрузки в оперативную память исполняемых файлов и файлов динамических библиотек. Диспетчер виртуальной памяти представляет физическую память для пользовательских приложений – каждому процессу выделяются 4 Гбайта виртуального адресного пространства, из которых младшие 2 Гбайта используются процессом, а старшие 2 Гбайта (общие для всех процессов) отводятся на нужды системы. Каждый процесс работает в своем изолированном адресном пространстве и не знает о других процессах. Процессы обмениваются данными через разделяемую память, которая может быть спроецирована на виртуальное адресное пространство нескольких процессов. Главная задача диспетчера виртуальной памяти – организация логической памяти, размер которой больше размера физической, установленной на компьютере.

• Диспетчеры окон и графики – выполняю все функции, связанные с пересылкой системных сообщений и отображением информации на экране.

Процесс функционирования Windows XP условно подразделяется на три фазы: процесс начальной нагрузки, штатный режим работы и завершение работы. Для загрузки Windows XP используется следующий минимальный набор файлов:

• файлы, располагающиеся в корневом каталоге загрузочного диска: Ntldr, Boot.ini, Bootsect.dos (необходим только при использовании мультизагрузки), Ntdetect.com;

• файлы, располагающиеся в системном подкаталоге /system32: Ntoskrnl.exe, Hal.dll, разделы реестра SYSTEM;

• файлы, располагающиеся в системном подкаталоге /system32/drivers: необходимые драйверы устройств.

Процесс загрузки компьютера начинается с процедуры начального тестирования оборудования (POST – Power-On Self Test). Код, выполняющий POST, зашит в базовой системе ввода-вывода (BIOS) каждого компьютера, при включении питания ему передается управление. Если в процессе тестирования обнаруживаются какие-либо ошибки, то BIOS генерирует коды ошибок (POSTcodes), которые отличаются для BIOS разных производителей, и звуковые коды. Если процедура POST завершается успешно, то BIOS передает управление главной загрузочной записи (MBR – Master Boot Record) и первая «аппаратная» стадия загрузки компьютера, когда процесс зависит только от аппаратуры компьютера, завершается.

2. Перечислите действия, выполняемые при инициализации ядра операционной системы Windows XP.

При инициализации ядро производит ряд действий в следующей последовательности:

• инициализация диспетчера памяти;

• инициализация диспетчера объектов;

• установка системы безопасности;

• настройка драйвера файловой системы;

• загрузка и инициализация диспетчера ввода-вывода;

• загрузка системных сервисов, которые реализуют взаимодействие с пользователем.

3. Перечислите модули, входящие в состав системных сервисов Windows XP.

• Smss.exe (диспетчер сеансов) – модуль управляет другими сервисами и службами Windows; запускает: Win32 (Csrss) и некоторые системные утилиты, выполняемые на этапе загрузки; реализует графический пользовательский интерфейс и запуск процессов Csrss.exe и WinLogon.exe;

• Csrss.exe – модуль предназначен для организации взаимодействия между компьютером и пользователем;

Lsass.exe – служба, запускаемая WinLogon.exe и отвечающая за безопасность системы; предоставляет возможность пользователю зарегистрироваться в системе

4. Перечислите дополнительные функции по сравнению с более ранними представителями семейства Windows.

Операционная система Windows 2000 представляет собой улучшенную версию Windows NT 4.0 с интерфейсом Windows 98, благодаря которому она осуществляла полную поддержку устройств plug-and-play, шины USB, стандарта IEEE 1394 (FireWire), IrDA (Infrared Data Association – стандарт на инфракрасную передачу данных и вывод на печать, разработанный ассоциацией IrDA), управление питанием. Кроме того, были добавлены новые функций, не присутствовавших ранее в других операционных системах корпорации Microsoft:

• каталоговая служба Active Directory;

• система безопасности Kerberos;

• поддержка смарт-карт;

• инструменты мониторинга системы;

• лучшая интеграция ноутбуков и настольных компьютеров;

• инфраструктура системного администрирования;

• рабочие объекты;

• интернационализация (при установке системы и даже для каждого пользователя можно выбрать язык, который будет использоваться во время работы системы);

• операционная система MS-DOS заменена на новую 32-х разрядную программу, включающую функциональность системы MS-DOS и ряд новых функций;

• добавлена новая функция файловой системы NTFS, при использовании которой два пользователя могут совместно использовать один связанный файл; как только один из пользователей начинает запись в этот файл, автоматически создается копия файла.

5. Объясните назначение функции «интернационализация».

• интернационализация (при установке системы и даже для каждого пользователя можно выбрать язык, который будет использоваться во время работы системы);

6. Какой вид должен иметь правильно составленный пароль?

7. На каких платформах работает Windows 2000? Почему предпочтение оказано этим платформам?

Система Windows 2000 обладает меньшей переносимостью, чем Windows NT 4.0. Она работает только на двух платформах: Pentium и Intel IA-642. Изначально операционная система Windows NT поддерживала дополнительные платформы: PowerPC, MIPS и Alpha, но по коммерческим соображениям корпорация Microsoft перестала поддержи­вать эти процессоры.

8. Каким образом операционная система Windows 2000 определяет версию программного продукта?

Во время загрузки операционная система проверяет содержимое реестра, определяя версию программного продукта. Формально различием в версиях управляют в нескольких местах программы всего две переменные, считываемые из реестра: ProductType и ProductSuite. В зависимости от их значений выполняется слегка отличный код. Изменение значений этих переменных рассматривается как нарушение лицензии. Кроме того, система перехватывает любые попытки изменить их и регистрирует эти попытки нестираемым способом, так что впо-следствии можно доказать факт нарушения лицензии.

9. Какие переменные управляют различием в версиях Windows 2000?

Формально различием в версиях управляют в нескольких местах программы всего две переменные, считываемые из реестра: ProductType и ProductSuite.

10. Каким образом происходит загрузка выбранной версии продукта?

Во время загрузки операционная система проверяет содержимое реестра, определяя версию программного продукта. Формально различием в версиях управляют в нескольких местах программы всего две переменные, считываемые из реестра: ProductType и ProductSuite.

11. Какой механизм используется для фиксации факта нарушения лицензии?

В зависимости от их значений выполняется слегка отличный код. Изменение значений этих переменных рассматривается как нарушение лицензии.

12. Перечислите основные составные части Windows 2000 и определите их назначение.

Операционная система 2000 состоит из двух основных частей: модуля операционной системы, работающей в режиме ядра, и подсистем окружения, работающих в режиме пользователя. Подсистемы окружения представляют собой отдельные подпрограммы, помогающие пользователю выполнять определенные функции.

13. Определите основное назначение модульной структуры ядра операционной системы Windows NT.

Одно из многих усовершенствований операционной системы Windows NT заключалось в ее модульной структуре – относительно небольшого ядра, работавшего в привилегированном режиме, и нескольких серверных процессов, работавших в режиме пользователя. Процессы пользователя взаимодействовали с серверными процессами с помощью модели «клиент-сервер»: клиент посылал серверу сообщение, а сервер выполнял определенную работу и возвращал клиенту результат в ответном сообщении. Такая модульная структура упрощала перенос системы на другие платформы.

14. Чем отличается структура ядра операционной системы Windows 2000 от структуры ядра операционной системы Windows NT?

Операционная система Windows 2000 представляет собой улуч-шенную версию Windows NT 4.0 с интерфейсом Windows 98, благодаря которому она осуществляла полную поддержку устройств plug-and-play, шины USB, стандарта IEEE 1394, IrDA (Infrared Data Association – стандарт на инфракрасную передачу данных и вывод на печать, разработанный ассоциацией IrDA), управление питанием. Кроме того, были добавлены новые функций, не присутствовавших ранее в других операционных системах корпорации Microsoft:

- каталоговая служба Active Directory;

- система безопасности Kerberos;

- поддержка смарт-карт;

- инструменты мониторинга системы;

- лучшая интеграция ноутбуков и настольных компьютеров;

- инфраструктура системного администрирования;

- рабочие объекты;

- интернационализация (при установке системы и даже для каждого пользователя можно выбрать язык, который будет использоваться во время работы системы);

- операционная система MS-DOS заменена на новую 32-х разрядную программу, включающую функциональность системы MS-DOS и ряд но-вых функций;

- добавлена новая функция файловой системы NTFS, при использовании которой два пользователя могут совместно использовать один связанный файл; как только один из пользователей начинает запись в этот файл, автоматически создается копия файла.

Несмотря на многочисленные свойства, способствующие переносимости системы с точки зрения программ, аппаратуры, языков и пр., операционная система Windows 2000 обладает меньшей переносимостью, чем Windows NT 4.0.

15. Перечислите системные службы исполняющей подсистемы Windows 2000.

• Менеджер ввода-вывода формирует каркас для управления устройствами ввода-вывода и предоставляет общие службы ввода-вывода. Он предоставляет остальной части системы независимый от устройств ввод-вывод, вызывая для выполнения физического ввода-вывода соответствующий драйвер. Файловые системы формально являются драйверами устройств под управлением менеджера ввода-вывода.

• Менеджер процессов управляет процессами и потоками, включая их создание и завершение, он является ключевым элементом многозадачности. Менеджер процессов основывается на объектах потоков и процессов ядра и добавляет к ним дополнительные функции.

• Менеджер памяти реализует архитектуру виртуальной памяти со страничной подкачкой по требованию операционной системы; управляет преобразованием виртуальных страниц в физические страничные блоки; реализует правила защиты, ограничивающие доступ каждого процесса только к своему адресному пространству; контролирует системные вызовы, относящиеся к виртуальной памяти.

• Менеджер безопасности приводит в исполнение механизм безопасности, удовлетворяющий требованиям класса С2 Оранжевой книги Министерства обороны США.

• Менеджер кэша хранит в памяти блоки диска, которые использовались в последнее время, чтобы ускорить доступ к ним в случае, если они понадобятся вновь. Количество памяти, выделенной для кэша, динамически изменяется и может увеличиваться или уменьшаться при необходимости. Менеджер кэша будет описан в разделе «Кэширование в Windows 2000».

• Менеджер plug-and-play получает все уведомления об установленных новых устройствах. Некоторые устройства проверяются при загрузке системы, другие – могут подключаться в любое время. При подключении запускается пересылка сообщения менеджеру plug-and-play, который находит и загружает соответствующий драйвер.

• Менеджер энергопотребления управляет потреблением электроэнергии: отключает монитор и диски, если к ним не было обращений в течение определенного интервала времени; следит за состоянием батарей на переносных компьютерах и сообщает работающим программам об их состоянии.

• Менеджер конфигурации отвечает за состояние реестра. Он добавляет новые записи и ищет запрашиваемые ключи.

Менеджер вызова локальной процедуры обеспечивает высокоэффективное взаимодействие между процессами и их подсистемами

16. Какой уровень Windows 2000 является машинно-зависимым и для реализации какой цели?

.Уровень HAL. Одна из целей создания Windows 2000 и Windows NT заключалась в возможности переносить систему на другие платформы. Теоретически на новой машине для запуска операционной системы достаточно перекомпилировать операционную систему новым компилятором для данной машины. Можно добиться полной переносимости верхних уровней операционной системы, так как в основном они имеют дело с внутренними структурами данных. Нижние же уровни работают с регистрами устройств, прерываниями, контроллером прямого доступа к памяти и другими аппаратными устройствами, которые могут сильно отличаются на разных машинах. Хотя большая часть кода нижнего уровня написана на языке С, но его нельзя просто перенести с процессора одного типа на процессор другого типа, перекомпилировать и перезагрузить из-за большого количества мелких различий между разными типами процессоров.

Корпорация Microsoft решила скрыть многие из аппаратных различий в тонком уровне аппаратных абстракций (HAL, Hardware Abstraction Layer). Работа уровня заключается в том, чтобы предоставлять остальной системе абстрактные аппаратные устройства, свободные от индивидуальных отличительных особенностей аппаратного обеспечения. Эти устройства представляются в виде машинно-независимых служб, (процедурных вызовов и макросов), которые могут использоваться остальной операционной системой и драйверами. Поскольку драйверы и ядро пользуются службами HAL и не обращаются напрямую к устройствам, требуется значительно меньше изменений для их переноса на другую платформу. Перенос уровня HAL достаточно прост, так как весь машинно-зависимый код сконцентрирован в одном месте. В уровень HAL включены службы, которые зависят от набора микросхем материнской платы и меняются от машины к машине в разумных предсказуемых пределах:

• доступ к регистрам устройств;

• адресация к устройствам, независящим от шины;

• обработка прерываний и возврат из прерываний;

• операции DMA (Direct Memory Access – прямой доступ к памяти);

• управление таймерами, часами реального времени, блокировками нижнего уровня;

• синхронизация многопроцессорных конфигураций;

• интерфейс с BIOS и доступ к CMOS-памяти.

Уровень HAL не предоставляет абстракций или служб для специфических устройств ввода-вывода (клавиатур, мышей, дисков), а также блоков управления памятью. Так как уровень HAL является машинно-зависимым, он должен соответствовать системе, на которую установлен, поэтому набор различных уровней поставляется на установочном компакт-диске Windows 2000. Во время установки системы выбирается подходящий уровень и копируется на жесткий диск в системный каталог \winnt\system32\ в виде файла hal.dll. Хотя эффективность уровня высока, для мультимедийных приложений корпорация Microsoft дополнительно поставляет пакет программного обеспечения DirectX, расширяющий функциональность уровня HAL дополнительными процедурами и предоставляющий пользовательским процессам прямой доступ к аппаратному обеспечению.