VWA Rhein-Neckar Dipl.-Ing. Thomas Kloepfer. Betriebsysteme (Windows 2000) Vorlesung 2 Die Architektur von Windows 2000

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1 VWA Rhein-Neckar Dipl.-Ing. Thomas Kloepfer Betriebsysteme (Windows 2000) Vorlesung 2 Die Architektur von Windows 2000 WS 2004/2005

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 2. Die Architektur von Windows Komponenten von Windows Ring Architektur der CPU Benuzer-Modus Kernel Modus Der Mikrokernel Der Hardware Abstraction Layer (HAL) Die Executive Services (Ausführende Dienste) Struktur eines einfachen Programms Initialisierung Ausführung Beendigung Die e Das POSIX Das OS/ Das Win Die Komponenten der Executive Services (Ausführende Dienste) Der I/O und Datei System Die Prozesskommunikation IPC Der Virtual Memory Der Prozeß Mamager Der Sicherheits Monitor (Security Reference Monitor) Der Power Plug & Play Grapical Device Interface Der Objekt Übersicht Architektur von Windows V2.doc I

3 Die Architektur von Windows 2000 Komponenten von Windows Die Architektur von Windows 2000 Das Betriebssystem ist zuständig für die Verteilung der Ressourcen des Rechners, also der Verteilung von Rechenleistung, Speicher und Hardwareressourcen. Das Betriebsystem ist des weiteren für die Sicherheitskontrollen verantwortlich, nämlich für die Überprüfung von Benutzerrechten. Windows 2000 ist ein modales Betriebssystem. Aus diesem Grund verrichten unterschiedliche Module unterschiedliche Aufgaben, ohne sich dabei gegenseitig den Hauptspeicher streitig zu machen. Jedes Modul hat einen abgesteckten Zuständigkeitsbereich. Das ist nicht anders als in einer Behörde oder einer Abteilung innerhalb einer Firma. Hierbei kommunizieren die Behörden oder Abteilungen untereinander und nach außen Komponenten von Windows 2000 Um zunächst einen Überblick zu bekommen, werden in der folgenden Grafik die Module in Komponenten zusammengefaßt, die das Betriebsystem bilden: Benuzer Modus OS/2 Win 32 POSIX Kernel Modus Executive Services / Ausführende Dienste Mikrokernel Hardware Abstraction Layer (HAL) Man erkennt drei so genannte e (OS/2, Win 32 und POSIX), die Executive Services, den Kernel und den Hardware Abstraction Layer. Und man erkennt die zwei Modi, in denen Programme ausgeführt werden können: Benutzer-Modus und Kernel-Modus. V2.doc

4 Die Architektur von Windows 2000 Komponenten von Windows Ring Architektur der CPU Schon auf der Hardwareebene des Prozessors (CPU) ist die Möglichkeit implementiert Programmcode in unterschiedlicher Priorität ablaufen zu lassen. Diese Möglichkeit gibt es schon seit der Prozessor-Generation von Intel. Es hat aber lange gedauert bis diese Möglichkeiten in den Microsoft-Betriebssystemen implementiert und somit auch genutzt werden konnten. Ein oder höherer Prozessor unterstützt mehrere Prioritäts-Levels, auch Ringe genannt. Unterschiedliche Ringe habe unterschiedliche Sicherheitslevels. Ringarchitektur des Intel Der Programmcode der im so genannten Ring 0 läuft ist von der Hardware gegen Manipulationen geschützt. Programmcode aus Ring 3 kann keine Manipulationen an den Registern vornehmen, die Programme im Ring 0 benötigen. Programme, die im Ring 3 laufen, sind hingegen nicht von der Hardware des Prozessors geschützt. Hier muß schon das Betriebssystem dafür sorgen, das Programme aus Ring 3 sich nicht gegenseitig stören können Benuzer-Modus Benutzeranwendugen und e laufen im Benutzermodus. Dies Entspricht dem Ring 3 der Prozessor Architektur. Programme, die im Benutzermodus laufen können nicht direkt auf die Hardware zugreifen. Alle Aktionen, die Programme im Benutzer-Modus ausführen wollen müssen über die Executive-Services beim Betriebssystem beantragt werden. Damit hat das Betriebsystem immer die Kontrolle über alle Anwendungen. V2.doc

5 Die Architektur von Windows 2000 Komponenten von Windows Kernel Modus Der Kernel-Modus ist der innere Teil des Betriebsystems. Dies entspricht Ring 0 der Prozessor Architektur. Programme die im Kernel-Modus ausgeführt werden, haben Priorität gegenüber allen Programmen, die im Benutzer-Modus ausgeführt werden. Durch die Unterscheidung der beiden Modi schützt sich Windows 2000 vor den Anwendungen der Benutzer-Ebene. Da bei Windows 2000 alle Anwendungsprogramme im Benutzer-Modus laufen und der Kernel-Modus immer Priorität hat, können schlecht programmierte Anwendungen Windows 2000 nichts anhaben (zumindest in der Theorie). Das Betriebsystem hat immer die Kontrolle über eine im Benutzer-Modus gestartete Anwendung Der Mikrokernel Dies ist der zentrale Kern des Betriebssystems. Die Aufgabe des Kernel ist die optimale Verteilung der Rechenleistung an die laufenden Programme. Der Kernel ist somit das Programm in dem alle zentralen Entscheidungen getroffen werden. Hier laufen alle Fäden zusammen. Die Einheiten der Executive-Services hören auf sein Kommando und arbeiten dem Kernel zu. Der Kernel eines Betriebssystems läuft immer in Ring 0. Es wird versucht, den Kernel möglichst klein zu halten, also möglichst wenig Code in den Kernel zu packen, denn je mehr Programmzeilen Code der Kernel enthält desto größer die Warscheinlichkeit, das sich Fehler einschleichen. Tritt ein Fehler auf, den der Kernel nicht mehr abfangen kann, so wird vom Kernel ein Ausnahmefehler (Blue Screen) erzeugt Der Hardware Abstraction Layer (HAL) Windows 2000 ist ein Betriebsystem, das auf mehreren Hardwareplattformen läuft. Der Hardware Abstraction Layer (HAL) ist die Einheit, die dafür sorgt, das die verschiedene Hardware-Archiktekturen mit den richtigen Befehlen angesprochen werden. Der HAL vermittelt also zwischen der Hardware rund um den Prozessor (CPU-Befehlssatz, Speicherzugriffe, Bussysteme) und der Software. Er ist die unterste Schicht von Windows zur Hardware. So existierten für Windows NT verschiedene Versionen des HALs. Je nachdem auf welcher Architektur (DEC Apha, RISC, PowerPC oder Intel x86) Windows 2000 betrieben werden soll, werden unterschiedliche HALs bei der Installation installiert. Damit war es möglich, den Kernel für alle Architekturen gleich zu lassen. Bei Windows 2000 habe Serverhersteller die Möglichkeit ihren eigenen HAL für das Betriebssystem mit zu liefern und so die Performance des Gesamtsystems (Hardware und OS) zu steigern. Der HAL ist auch für die Programmierer von Gerätetreibern eine Erleichterung. Der HAL ist also so etwas wie ein Dolmetscher zwischen der Hardware und dem Kernel Die Executive Services (Ausführende Dienste) Die Executive Services sind die Exekutive des Betriebssystems. Wenn wirklich was gemacht werden soll, so sind es die Executive Services, die es ausführen. Hier wird der Arbeitsspeicher verwaltet, werden alle Sicherheitsabfragen durch geführt und alle Benutzereingaben entgegen genommen, sowie alles Ausgaben z.b. auf dem Bildschirm durchgeführt. War der HAL die unterste Ebene, die sehr nahe an der Hardware angesiedelt ist, so sind die Executive Services die oberste Ebene innerhalb des geschützten Kernel-Modus. Bevor die einzelnen Komponenten der Executive-Services und der e Windows 2000 näher betrachtet werden, werfen wir zunächst einen Blick auf das Zusammenspiel von Programm und Betriebssystem am Beispiel eines einfachen Programms. V2.doc

6 Die Architektur von Windows 2000 Struktur eines einfachen Programms 2.2. Struktur eines einfachen Programms Das Verhalten und die Arbeitsweise eines einfachen Anwendungsprogramms kann durch folgende Struktur veranschaulicht werden: Initialisierung INIT Ausführung LOOP Eingabe Verarbeitung Ausgabe Beendigung EXIT Initialisierung Beim Starten eines Programms kann man als Anwender beobachten, das sich zunächst im Inneren des Rechners etwas tut und die Maus nur eine Sanduhr zeigt. Dies ist die Initialiserungsphase eines Programms. Das Programm fordert vom Betriebsystem Arbeitsspeicher an. In diesen Arbeitsspeichern werden Teile des Programmcodes geladen. Dann werden Daten und Voreinstellungen von der Festplatte gelesen. Schließlich baut das Programm ein Fenster auf und die Maus zeigt wieder den normalen Cursor. Je nach der Größe des Programms und der Leistungsfähigkeit des Rechners dauert dieser Vorgang nur den Bruchteil einer Sekunde oder mehrere Minuten. All diese Aktionen finden im engen Zusammenspiel mit dem Betriebssystem statt. Der Arbeitsspeicher wird angefordert. Der Inhalt einer Datei auf der Platte wird angefordert. Das Betriebssystem wird aufgefordert, ein Fenster auf dem Bildschirm auszugeben Ausführung Wenn ein Programm ausgeführt wird, hängt es natürlich von dem speziellen Programm ab, was passiert, aber man kann die Ausführungs-Phase für alle Programme in eine Schleife aus drei Schritten unterteilen: Eingabe -> Verarbeitung -> Ausgabe. V2.doc

7 Die Architektur von Windows 2000 Struktur eines einfachen Programms Eingabe: Wenn keine Eingabe vom Anwender erfolgt, so wartet das Programm, das von der Tastatur oder der Maus eine Eingabe erfolgt. So lange sich da nichts tut, erfolgt auch vom Programm keine Aktion. Verarbeitung: So bald eine Eingabe erfolgt ist, beginnt das Programm mit der internen Verarbeitung. Was in der Verarbeitung zu tun ist, hängt von der Eingabe ab. Das Programm hat (hoffentlich) für jede Eingabe eine klare Vorgabe von dem was zu tun, oder zu berechnen ist. Mit einem Mausklick können sehr viele Berechnungen angestoßen werden. Beispielsweise beim Speichern der Datei. Ausgabe: Meist erfolgt nach der internen Verarbeitung auch eine Ausgabe, die der Anwender wahrnehmen kann. Ein Textprogramm gibt beispielsweise den Buchstaben, den man an der Tastatur eingibt am Bildschirm wieder aus. Auch hier ist natürlich mit jedem Schritt den das Programm mach, das Betriebssystem gefordert. Das Betriebssystem teilt dem Programm mit, was sich auf der Tastatur oder an der Maus tut. Das Betriebssystem teilt dem Programm die Rechenleistung des Prozessors zu, damit die Berechnungen für die Verarbeitung aufgeführt werden können. Das Betriebssystem setzt dann die Aufforderung des Programms male ein Fenster so um, das die richtigen Bildschirmpunkte in der richtigen Farbe eingeschaltet werden Beendigung Beim Beenden eines Programmes sind von der Seite des Programmes auch noch einige Aktionen nötig. Ähnlich wie ein Videorecorder, der wenn er ausgeschaltet wird, auch dafür sorgt, das das Videoband zurück in die Videocassette gelangt, oder wie man ein Auto auch nicht einfach auf der Straße mit laufendem Motor stehen läßt. Ein Programm das beendet wird, teilt dem Betriebsystem mit, das es jetzt den angeforderten Speicher nicht mehr benötigt und auch keine Rechenleitung vom Prozessor mehr braucht. Es gibt also die Angeforderten Ressourcen wieder frei. V2.doc

8 Die Architektur von Windows 2000 Die e 2.3. Die e Ein e stellt eine Schnittstelle für Programme da. Eine Schnittstelle ist dabei die Beschreibung, wie Programme mit dem Betriebsystem kommunizieren können. Windows 2000 stellt nun drei e für die Programme bereit. Man könnte sagen, Windows 2000 spricht drei verschiedene Sprachen, denn über die e unterhalten sich Windows 2000 und die Programme. Je nachdem für welches Betriebssystem das Programm geschrieben wurde, unterscheidet sich die Art, wie das Programm sein Anliegen mit Windows 2000 abstimmt. Windows 2000 kennt nun drei e: Windows 2000 e für Programme POSIX OS/2 WIN 32 Unterstützt zeichenorientierte POSIX 1 Programme. Unterstützt zeichenorientierte OS/2 v2.1 Programme. Dies ist das von Microsoft favorisierte für Programme. Programme, die dies zur Kommunikation mit Windows 2000 benutzen, können den Rechner in vollem Umfang ausnützen Das POSIX- POSIX steht für Portable Operating System Interface for Computing Environment. POSIX war der Versuch, eine universale Schnittstelle zwischen Betriebssystemen und Programmen bereitzustellen. Man wollte damit den Programmieren ermöglichen, ein Programm einmalig für POSIX zu schreiben, und das sollte dann sowohl auf kleinen PCs als auch auf mittleren Workstations oder großen Number-Crunchers lauffähig sein, eben auf allen Betriebssystemen, die eine POSIX- Schnittstelle bereit stellen. Die Integration eines POSIX-s war eine Bedingung des amerikanischen Verteidigungsministeriums (DOD). Ohne ein solches hätte Windows 2000 die Richtlinien des DOD nicht erfüllt und wäre nicht von dieser großen Behörde gekauft worden. Das von Microsoft integrierte POSIX- ist allerdings derart abgesteckt, das es in der Praxis von kaum jemanden benutzt wird Das OS/2 OS/2 ist das Betriebsystem das von IBM entwickelt wurde. Es handelt sich hierbei also eigentlich um ein Konkurrenzprodukt. Warum sollte Microsoft dies tun? Nun, auch dies war eine Bedingung des DOD. Auch die OS/2-Unterstützung ist nur ganz rudimentär. Es werden über dies keine graphischen Programme unterstützt. V2.doc

9 Die Architektur von Windows 2000 Die e Das Win32- Die stellt das leistungsfähigste von Windows 2000 dar. Es ermöglicht den für Windows 2000 geschriebenen 32-Bit Programmen die volle Leistung des Rechners auszunützen. Von Seite des Betriebssystems Windows 2000 ist dies das wichtigste. Die Merkmale des Win32-s sind: 32Bit - Das System hat 32-Bit-Architektur Threads - Jedes Programm läuft in Form von einem oder mehreren Threads. Ein Thread ist eine eigenständige Einheit, die von Windows 2000 mit Ressourcen (Rechenleistung/Speicher) versorgt wird. Besteht ein Programm aus mehreren Threads, so laufen mehrere Programmteile gleichzeitig. Diese müssen sich die Rechenleistung natürlich teilen. Es kann nun günstig sein, wenn ein Programm aus mehreren Threads besteht, denn dann kann der Programmierer die Rechnenleistung gezielt aufteilen. So kann man es erreichen, das ein Programm Benutzereingaben auch dann noch akzeptiert, wenn gleichzeitig ein große Berechnung durchgeführt wird. Großer Adressraum und Speicherschutz Jeder Anwendung innerhalb eines s wird ein zusammenhängender, nicht segmentierter Adressraum von maximal 2 Gbyte zugeordnet. Heutzutage sind die leistungsfähigsten PC-Mainboards noch nicht in der Lage mehr als 1 Gbyte Arbeitsspeicher zur Verfügung zu stellen. Wenn sich die Entwicklung so fortsetzt wie bisher, so sind in einigen Jahren sicher auch PCs mit mehreren GByte Arbeitsspeicher verfügbar. Da jede Win32-Anwendung ihren eigenen Adressraum zugewiesen bekommt, kann eine falsch programmierte Win32-Anwendung die anderen Anwendungen nicht beeinflussen. Open GL (Graphics Language) ist eine Standard - Softwareschnittstelle für 2D und 3D-Grafik und wird von einigen CAD Anwendungen und Spielen verwendet. Neben den heute (1999) aktuellen 32-Bit-Programmen unterstützt dies Subsytem aber auch ältere DOS und Windows 3.x Programme. Dies war zum Zeitpunkt der Einführung von Windows 2000 (1991) sehr wichtig, denn zu diesem Zeitpunkt gab es noch (fast) keine 32-Bit-Programme. Dem gegenüber existierten für alle Tätigkeiten hunderte von DOS und Windows 3.x Programmen. Ohne die Unterstützung dieser Programme hätte sich Windows 2000 schwerlich durchsetzen können. Für diese DOS- bzw. Win16-Anwendungen stellt Windows eine weitere Schnittstellen bereit, die innerhalb des Win32-s läuft: Die Virtual DOS Machine (VDM). V2.doc

10 Die Architektur von Windows 2000 Die e Die Virtual Dos Machine (VDM) gaukelt den DOS- bzw. Win16-Anwendungen einen eigenen DOS- Rechner vor. Innerhalb der VDM ist die Komponente Windows On Win32 (WOW) dafür zuständig die 16-Bit-Funktionsaufrufe der Win16-Programme in 32-Bit-Funktionsaufrufe umzusetzen und an das Win32 weitergegeben. Die Folgende Gaphik zeigt die Struktur: VDM WOW Win16 Programm 1 Win16 Programm 2 VDM Dos Programm Win 32 VDM Dos Programm Man sieht, die DOS-Programme laufen in einer eigenen Virtual DOS Machine (VDM), alle Win16- Programmen hingegen laufen in einer gemeinsamen VDM. So ist auch zu erklären, warum beim Absturz eines Win16-Programms alle gleichzeitig laufenden Win16-Programme betroffen sind. V2.doc

11 Die Architektur von Windows 2000Die Komponenten der Executive Services (Ausführende Dienste) 2.4. Die Komponenten der Executive Services (Ausführende Dienste) Die Executive-Services (oder auch Ausführende Dienste genannt) sind die ausführenden Abteilungen der Firma Windows Sehen wir uns jetzt die einzelnen Komponenten genauer an: Kernel-Modus I/O IPC Executive Services / Ausführende Dienste Memory Prozess Sicherheits Monitor Power Plug & Play Window Datei System Graphik Geräte Treiber Object Der I/O und Datei System Der I/O überwacht alle Ein- und Ausgaben. Der I/O agiert als eine Art Stellvertreter indem er Anforderungen einer Anwendung abfängt und die Befehle an die entsprechende Hardwaretreiber weiterleitet. Dieser übersetzt sie dann in Hardwarezugriffe. Der I/O bietet einen einheitlichen Raum für alle Treiber, die sich unter Windows 2000 befinden. Dazu gehören Geräte- und Netzwerkstreiber genau so wie beispielsweise Dateisystemstreiber. Durch die mehrschichtige Architektur sind die Treiber voneinander unabhängig. Sie lassen sich problemlos austauschen, ohne das das gesamte Ein-/Ausgabesystem neu programmiert werden muss Die Prozesskommunikation IPC Dies ist die Innerbetriebliche Kommunikationszentrale. Innerhalb von Windows 2000 können Anwendungen miteinander oder auch über ein Netzwerk mit anderen Anwendungen oder anderen Betriebsystemen kommunizieren. Für diese Kommunikation sind die Local-Procedure-Calls verantwortlich. Auch die Einheiten der Executive-Einrichung untereinander kommunizieren über diese Einrichtung. So kann z.b. die Security Einrichtung zusammen mit dem I/O- die Berechtigungen eines Benutzers an einer Datei ermitteln. V2.doc

12 Die Architektur von Windows 2000Die Komponenten der Executive Services (Ausführende Dienste) Der Virtual Memory Speicher ist eines der wichtigsten Güter in der Welt der Programme. Wenn Programme Sprichwörter erfinden könnten, dann gäbe es sicher eins das sagt Speicher ist Geld!. Somit ist der Virtuell Memory die Buchhaltung von Windows Jede Anwendung, die Speicher haben will, muß sich an den Virtuell Memory wenden. Dieser führt genau Buch, wem welcher Speicher zugeteilt wurde und wer welchen Speicher wieder freigegeben hat. Wenn ein Programm abstürzt und der Kernel dies Programm für tot erklärt, kann der Memory in seinen Notizen nachsehen, welcher Speicher jetzt wieder frei geworden ist Der Prozeß Mamager Jedes Programm das unter Windows 2000 läuft besteht aus einem Prozeß und einem oder mehreren Threads. Der Prozeß verteilt nun die Rechenleistung des Prozessors auf die Einzelnen Prozesse. Auch hier wird genau Buch geführt, welche Threads zusammengehören Der Sicherheits Monitor (Security Reference Monitor) Hier werden die Logon-Vorgänge gehandhabt. Es wird über alle Zugangsberechtigungen gewacht. Die Security-Einrichtung sorgt dafür, das jeder nur das zu fassen kriegt, auf das er auch die Rechte hat. Gegebenenfalls werden unzulässige Zugriffsversuche abgewehrt und auch in entsprechenden Protokoldateien protokolliert Der Power Power- Management ist ein knifflige Angelegenheit. Es ist ein Schritt in die Richtige Richtung wenn diese Aufgabe auf Betriebsystems - Ebene ernst genommen wird. Hard und Software muß gut zusammen spielen, damit ein System aus einem Standby fehlerfrei erwacht Plug & Play Dies ist eine Erweiterung von Windows 2000 gegenüber Windows NT. Genau wie Windows 9x kann jetzt auch Windows 2000 neue Gerätekomponenten erkennen und macht es dem Anwender damit einfache, seine System zu erweitern. V2.doc

13 Die Architektur von Windows 2000Die Komponenten der Executive Services (Ausführende Dienste) Grapical Device Interface Das Graphical Device Interface (GDI) ist unter anderem der Fenstermanager. Hier werden für Programme Fenster erzeugt und verwaltet. Die Plazierung im Kernel und damit treibernah sorgt unter anderem für die hohe Performance der Benutzeroberfläche. Neben der Steuerung der Fenster werden aber auch andere graphische Prozesse vom GDI erledigt, beispielsweise Druckprozesse Der Objekt Objekte sind im Windos-Kern Abbildungen von Ressourcen. Das Betriebssystem verwaltet diese Objekte, das heißt, sie werden auf Anforderung erzeugt, ein Zeiger (so genannteshandle) darauf erstellt, und nach der Benutzung wieder gelöscht. Der Objekt- steuert die objektbezogenen Aktivitäten. Das Betriebsystem Windows 2000 ist objektorientiert implementiert. Zum Beispiel sind alle Fenster, die auf dem Bildschirm erscheinen und alle Ikonen auf dem Desktop Objekte. Die Aktion öffnen läßt sich nun auf die unterschiedlichsten Objekte anwenden. Der Objekt sorgt dafür, das beim Öffnen eines Drucker-Ikons etwas anderes passiert als beim Öffnen einer Excel-Tabelle oder beim Öffnen eines Netzlaufwerks. V2.doc

14 Die Architektur von Windows 2000 Übersicht Architektur von Windows Übersicht Architektur von Windows 2000 Kernel-Modus Benutzer-Modus Logon Vorgang Sicherheits OS/2 Anwendung OS/2 Win16 Anwendung VDM Win 32 Executive Services / Ausführende Dienste POSIX Anwendung POSIX I/O IPC Memory Prozess Sicherheits Monitor Power Plug & Play Window Datei System Graphik Geräte Treiber Object- Hardware Gerätetreiber Mikrokernel Hardware Abstraction Layer (HAL) Hardware V2.doc