WindowsServer2021体系结构分析.docx

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1、WindowsServer2021体系结构分析Wi ndows Server 2003体系结构专业：智能弱电姓名：龚世伟绍兴乔波冰雪世界体育进展有限公司2010-7-30Windows Server 2003 体系结构熟悉一个操作系统的体系结构就像熟悉一部汽车的工作原理一样，即使不明白汽车的 技术细节，驾驶员也能驾驶汽车从A地到达B地。但是假如汽车出了毛病，就得把车送到 车间或者修理工那里去修理。修理工会告诉您应该早些更换机油，或者者车胎需要做动平 衡调整，或者者是火花塞被脏东西堵了。假如明白了汽车的工作原理，就会更好地保养汽 车、减少损耗，甚至能够自己对它进行维修了。尽管操作系统比汽车发动机

2、更复杂，但是道理是相似的。假如熟悉核心部分的各类组 件、文件系统与OS是如何利用处理器、内存、硬件等，就能够更好地管理机器。1.1操作系统模式基于WindoWS 2000 SerVer之上的WindoWS 2003是一个模块化的、基于组件的操作系 统。这个操作系统中的所有组件对象都提供接口，以便其他对象与进程与它们交互，从而 利用这些组件所提供的各类功能与服务。这些组件协同工作便能执行特定的操作系统任 务。Windows 2003体系结构包含两个要紧的层次：用户模式与内核模式。这两种模式与各 类子系统如图IT所示。用户模式内核模式执行程序服务硬件抽象层(Hardware Abstraction

3、 Layer, HAL)图IT Windows Server 2003系统体系结构（简图）1. 2 用户模式Windows 2003用户模式层是一种典型的应用程序支持层，它由环境子系统与整合子系 统构成，同时支持MiCroSoft与第三方应用软件。它是操作系统的一部分，独立的软件供 应商能够在其上使用公布的APl与面向对象的组件进行操作系统调用。所有的应用程序与 服务都安装在用户模式层。1. 2. 1环境子系统环境子系统的功能是运行为不一致操作系统所编写的应用程序。它能够截取应用程序 对特定操作系统APl的调用，然后将它们转换成为WindOWS 2003能够识别的格式，转换后 的API调用再传

4、递到处理请求所需要的操作系统组件，最后再将调用所返回的返同码或者 返回信息转换回应用程序能够识别的格式。这些子系统在WindOWS 2003中并不是新功能，但与在NT中相比，它们在这几年中已 经有了显著的改进。一些实际应用说明，应用程序在WindOWS 2003中比在它们当初所设计 的目标操作系统中运行得更好。很多应用程序在WindoWS 2003中也更加安全。比如， Windows 2003中止DoS应用程序时不可能对服务器稳固性产生影响，而通常情况下，它会 使运行DoS的机器崩溃。表1列出的是WindOWS 2003环境或者应用程序子系统。表1-1环境子系统环境子系统用途Windows 2

5、003Win32 （32 位）支持基于Win32的应用程序。这个子系统也支持 16位Windows与DOS应用程序。所有应用程序的1/0 与GUl功能都在这里处理。为了支持终端服务，该子 系统已经得到很大的增强OS/2支持16位OS/2应用程序(要紧是MiCrOSoft OS/2)POSIX支持兼容POSIX的应用程序(通常为UNIX)非Win32子系统只对非Win32的旧式应用程序提供基本支持。关于这些子系统并没有 太多的要求，保留它们只是为了运行最简单的有用程序与兼容POSIX或者OS/2的函数调用 (这些调用通常使用C语言)。比如，PoSlX子系统就是为了满足运行UNIX有用程序Vi 与

6、grep的要求而设置的。PoSlX子系统不是作为UNIX与WindoWS 2003高级集成的一种方法保留的，比如，假 如要在WindoWS 2003上运行UNIX SheII,您仍然需要安装UNlX服务。在Windows 2003上运行非Windows应用程序会受到一些局限与约束，这些影响来自基 础操作系统。关于这些局限与约束，下面将有全面的列举描述，其中大部分约束也包含用 户模式的、基于Win32的应用程序：软件不能直接访问硬件。换句话说，假如应用程序要求硬盘空间时，系统将禁 止它直接访问硬件以获得空间信息，它将访问的是用户模式对象。用户模式对象与内核模 式对象进行对话，对话由内核模式对象向

7、下传递到操作系统堆栈，再到硬件抽象层(Hardware Abstraction Layer, HAL),然后信息再逐层向上传递，由堆栈到接口。这个 过程就是通常所说的切换处理(handoff processing) o Win32代码中函数实质上都获得 一个返回值，使开发人员不必与硬件对话。这对开发人员与操作系统都是有好处的。检查 调用有效性的APl能够保护操作系统，而开发人员则直接面对简单的调用级接口，它通常 只需写一行代码，而不是一万行。不能直接访问设备驱动程序。上述原则同样适用于设备驱动程序。硬件制造商为 Windows 2003建立了访问硬件的驱动程序。驱动程序同样也不能对硬件进行直接

8、访问，而 是与由设备驱动程序API提供的抽象对象进行对话。软件受限于内存中分配的地址空间。这项约束保护操作系统不受流氓应用程序 的影响，这些应用程序会试图访问所有可访问的内存。这在WindOWS 2003中已经不可能 了，应用程序只能在所分配的地址空间中活动。Windows 2003 与 WindOWS 2000 一样，使用硬盘空间作为准 RAM (qua si-RAM) o 应用程序并不在意内存的类型或者来源，它关于应用程序是透明的。虚拟内存是系统中所 有内存的组合，它既包含机器中的物理内存，又包含系统中的交换文件。交换文件用来储 存那些不能储存在硬件RAM中的信息。用户模式子系统中应用程序

9、的运行优先级比在内核模式中运行的所有服务与例程都 低。这也意味着它们对CPU的访问要比内核模式进程的优先级低。1. 2. 2整合子系统整合子系统用于执行某些关键操作系统功能。表1-2列出了这些服务。表1-2整合子系统整合子系统用途安全子环境执行与用户权利与访问操纵有关的服务。访问操纵包含对整 个网络及操作系统对象的保护，这些对象是以一定的方法在操作 系统中定义或者抽象的。安全子环境也处理登录请求并开始登录 验证过程服务器服务该服务使WindoWS 2003成为网络操作系统。所有网络服务都 源于服务器服务工作站服务这项服务在用途上与服务器服务相类似。它更多地面向用户 对网络的访问（在禁用这项服务

10、的机器上也能进行工作）这些系统几乎不需要进行管理。在服务操纵管理器（Service Control Manager）中能 够访问这些服务，也能够通过手动方式启动与停止这些服务。1. 3内核模式Windows 2003内核模式是能访问系统数据与硬件的层。它由几个组件构成（参见图 1） O1. 3. 1 Windows 2003 执行程序执行程序是指所有执行程序服务的集合名词。它包含很多操作系统中的I/O例程，并 实现对关键对象的管理功能，特别是安全性方面。执行程序还包含系统服务组件（在两种 OS模式中都能够访问）与内部内核模式例程（任何运行在用户模式中的代码都不能访 问）。内核模式组件如下所示。

11、I/O管理器：管理机器设备的输入与输出。具体包含下列设备。文件系统：将文件系统请求转换为与设备有关的调用。设备驱动程序：管理直接访问硬件的设备驱动程序。高速缓存管理器：隐藏在I/O管理器代码中，通过缓存磁盘读出的数据来管理I/O 性能。还能缓存读请求与写请求，并能处理对硬件的脱机写入或者后台写入。安全性引用监视器：该组件能够实施计算机的安全策略。进程间通信管理器（IPC）：该组件的作用使它存在于操作系统的各个角落。它 的本质作用是管理客户端与服务器进程间的通信。它由本地过程调用（LPC）工具与远程过 程调用（RPC）工具构成，前者用来管理同一台计算机上的客户端与服务器进程间的通信， 后者用来管

12、理不一致机器上客户端与服务器之间的通信。内存管理器或者虚拟内存管理器（VMM）：该组件用来管理虚拟内存。它为每个 进程提供一段虚拟地址空间，每个进程占有并保护它的虚拟地址空间以保护系统的完整 性。它同时还操纵虚拟RAM对硬盘的访问要求，这就是通常所说的分页技术。进程管理器：该组件能够创建与终止由系统服务或者应用程序产生的进程与线 程。即插即用管理器：该组件利用各类设备驱动程序，为与硬件有关的配置与服务提 供即插即用服务及通信。电源管理器：该组件操纵系统中的电源管理。它利用各类电源管理APl进行工作， 管理与电源管理请求有关的事件。窗口管理器与图形设备接口（GDI）：驱动程序Win32k. sy

13、s将两个组件服务结合 在一起，并管理显示系统，分别说明如下：窗口管理器：该组件管理屏幕输出与窗口显示。它同时还处理鼠标与键盘的I/O数 据。GDI：该组件是最难以编写代码的接口，在Winl6时代，它总是与内存一起提 供。它利用一些组件来负责屏幕与界面图形的绘制与处理，这些组件负责把这些对象提交 给打印机对象与其他图形输出设备。对象管理器：该引擎管理系统对象。它能够创建对象、删除不需要的对象。它同 时能够进行资源管理，比如创建对象时需要分配的内存。除了这些服务之外（如图IT所示），还有构成内核模式的3个核心组件，这包含设 备驱动程序组件、Microkernel与硬件抽象层（HAL） o1. 3.

14、 2设备驱动程序该组件将驱动程序调用转换为操作硬件的实际例程。1. 3. 3 Microkernel该组件是操作系统的核心（有人将其本身看作是操作系统，其他所有部分看作是服 务）。它管理微处理器上的线程处理、线程排队、多任务，等等。Windows 2003 MiCrokerael具有抢先权，从本质上看，这说明线程能够被中断或者重新排队。1.3.4硬件抽象层硬件抽象层（HAL）实际上对其他设备与组件隐藏了硬件接口的全面信息。换句话说， 它是位于真实硬件之上的抽象层，所有到硬件的调用都是通过HAL来进行的。HAL包含处 理硬件有关的I/O接口、硬件中断等所必需的硬件代码。该层也负责与Intel与A

15、MD有关 的支持，使一个执行程序能够在这二者中的任何一个处理器上运行。1. 4 Windows 2003处理体系结构Windows Server 2003使用对称多处理（SMP）体系结构。也就是说，首先，操作系统 能够在多个CPU上运行；其次，它能够使所有进程根据需要使用多个CPU。换句话说，假 如一个CPU被完全占用了，应用程序或者服务程序所产生的线程能够在其他可用的CPU上 进行处理。Windows 2003将它的多任务与多线程能力与SMP能力结合在一起。假如线程处于等待 执行状态，操作系统将安排处理器处理这个等候线程。线程执行的负担被均匀分摊到可用 的CPU上。对称多处理技术能够确保操作

16、系统使用所有的可用处理器资源，显然这将提高 整个系统的处理速度。Windows Server 2003 Standard 版支持 4 路（4 CPU）对称多处理。EnterPriSe 版支 持8路SMP, Datacenter SerVer可支持32路SMP,而Web版本最多只能支持2路SMP。假 如需要，用户还能够从MiCrOSoft获得代码，根据合同将OS编译成所要求的SMP规范。1. 5 Windows 2003 内存管理Windows 2003 与 WindOWS 2000 SerVer 在内存处理上几乎相同，Windows 2000 在 Windows NT 4.0的基础上进行了很大的改进。