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[日期：2007-10-06]  來源：25175教育信息平臺  作者：admin  閱讀：241 次  [字體：大 中 小]

windows內核初窺(一)--體系結構

windows是一個非常優秀的OS,從今天開始，我要和大家共同分享windows給我們帶來的快樂!本人只所以將自己的學習筆記與大家分享,一是讓自己更深入的理解windows,再就是有什么疏漏之處,望大家指正!!來吧,開始我們的windows之旅! powered by 25175.net

一，windows2000體系結構
（1）系統模型
   在大多數多用戶的OS中，用戶程序和系統程序是分開的---系統程序是一個比較高的優先級上運行（核心態），而用戶程序是在一個較低的等級上運行。系統程 序有對系統數據和硬件的操作權，而用戶程序要想操作系統數據或者硬件就只能通過系統程序。系統程序在windows2000中是以服務的形式給出。當一個 用戶程序要訪問系統數據時，通過向相應的服務發出請求而實現，而此時CPU通過一個陷阱來陷入到核心態來運行。當所要求的服務完成返回時， windows2000負責恢復用戶線程(windows2000中，CPU是以線程為單位來進行調度的)的寄存器狀態等，從而使得用戶線程得以繼續運 行。windows2000中，內核和設備驅動都是運行在核心態，它們使用同一段內存空間，這意味著屬于某個組成部分的數據有可能被其它的組成部分所修 改，有潛在的風險！各個組成部分之間又是可以相互協作的，為了完成一個任務，往往需要這些組成部分之間進行合作。有關系統模型在以后的日子我們會慢慢說
（2）可移植性
  windows2000被設計成能在多種硬件平臺上運行，我們可能會感到很奇怪，它是怎么實現其移植性的呢？我們知道每個平臺上的指令系統都不同，所以，不同平臺上的代碼肯定是不一樣的，所以實現移植性的手段也不是很神秘的，主要是以下兩點：
     1，windows2000是分層次的，底層部分是平臺相關的，而上層部分是平臺無關的。也就是說對于每個硬件平臺底層部分都要有一個實現，而底層對上層 的接口是統一的，所以上層就不用關心底層到底是怎么樣實現的，它關心的就是他們之間的接口。 在windows2000中，實現可移植性的兩個重要部分是內核(kenel)和硬件抽象層(HAL),這兩個部分我們以后會詳細說
     2，windows2000的大部分是用C寫的，也有一部分是用C++寫的，匯編語言只用在直接跟硬件打交道的地方和對性能要求教高的地方。

     上面這個系統結構圖在很多書上都有，它就是windows2000的結構圖，下面我們就來詳細說說各個部分的功能：

      從上圖我們可以看出，在用戶態，windows2000有三個子系統，分別為win32,posix,os/2.其中最重要的就是win32,它負責輸入 輸出管理，沒有它，系統將無法工作，其它兩個子系統需要配置才能啟動。我們主要精力放在win32上，因為這是我們用的最廣的。我們要特別注意以下三個關 鍵點：子系統進程，子系統動態鏈接庫，用戶進程。

   （1） 子系統進程：win32子系統在windows2000中是以一個進程的形式出現的（csrss.exe）。它負責所有win32用戶進程，線程的創建與撤消，建立與撤消臨時文件，以及控制臺的管理。

   （2）子系統動態鏈接庫:win32子系統用的動態鏈接庫，里面有子系統所需要的大部分功能。

    （3）用戶創建的運行于wn32子系統之上的應用程序。

   用戶進程并不直接地調用系統服務，它們直接調用子系統動態鏈接庫，當一個程序調用子系統動態鏈接庫的一個功能時，可能會發生以下三中情形之一：

   （1）所要求的功能全部是由子系統動態鏈接庫提供，也就是說程序完全運行于用戶態。

   （2）需要調用一個或者多個運行于核心態的服務。

   （3）需要子系統進程的協助才能完成，這時，用戶進程向子系統進程發送一C/S請求，具體工作由子系統進程來完成。

 特別說明，當用戶進程調用系統服務時實際上是通過設置一個陷阱陷入到核心態來運行，將運行權交給系統服務調度程序來調度，并不用通過創建新的進程，線程來實現。

ntdll.dll

子系統下面是 ntdll.dll，它提供了一些子系統動態鏈接庫所需要的功能。其實，NTDLL.DLL的最主要功能就是為它的下層---執行體提供一個文檔化接口，使得它以上的各個模塊可以調用執行體提供的服務。

執行體:

      這是令人激動的一層，因為從這層開始我們就進入了windows的核心態，雖然我們對核心態的具體含義不是太清楚，沒有關系，隨著我們研究的深入你就會慢慢發現這是最重要的一層，因為所有windows的主要功能都是在這里完成的，下面我們就一點一點剖開：

     這一層包含以下幾種重要函數（服務）：

（1）可以從用戶態直接調用的函數，這些在NTDLL中文檔化（前面已說過），這些中大多數都可以調用某個WIN32 API來啟動所對應的服務。

（2）只能從核心態調用的函數，其中有一些在DDK中已文檔化，編寫windows上驅動程序的人員必須熟悉的

（3）沒有文檔化的函數，供執行體內部使用

執行體從總體上可以分為以下幾個模塊：

（1）配置管理器：負責管理注冊表，我們以后會詳解

（2）進程、線程管理器：負責創建和終止進程、線程。

（3）安全引用監視器：在本地計算機上執行安全策略，保護計算機的資源

（4）I/O管理器：實現I/O的設備無關性，并負責把I/O請求分配給相應的設備驅動程序以進一步處理

（5）即插即用管理器（PNP）：確定設備應該由哪個驅動程序來支持并負責加載相應驅動。在啟動時的枚舉過程中，它收集每個設備所需要的硬件資源， 并根據設備的需要來分配合適的硬件資源如I/O端口，IRQ，DMA通道之類，當系統中的設備發生變化時它負責向系統和應用程序發送通知消息。

（6）電源管理：協調電源時間，通過合理的配置，使得CPU降低電源消耗

（7）緩沖管理器：將最近使用過的數據留在CACHE中來提高系統的整體性能

（8）虛擬內存管理：這是最為讓人激動的地方，對于這個部分的理解會影響我們對整個系統結構的理解，我們會在以后詳細解說

（9）WDM管理方法例程：可以讓設備驅動程序發布性能和配置信息以及從用戶態的WMI服務接受命令

         在WINDOWS平臺上有過編程經歷的人一定對句柄（handle）不陌生，句柄到底是什么樣的東東呢？？這往往給一些初學者帶來一些迷惑。其實要真正理 解句柄就要從windows的設計理念上來解決這個問題，那就是wndows是面向對象的，它把系統的一些資源，進程，文件等都看成對象，用對象管理器對 這些對象統一管理。對于用戶來說是通過句柄來操作響應對象的，可以看成是對象的一個引用。

內核：
     內核是執行體的下一個層次，它為執行體提供一些最基本的功能，簡單的對象，而執行體就通過在這些簡單對象上加上一些安全屬性，控制屬性等來完成更為復雜的功能。它重要提供以下四種函數：
（1）線程調度
（2）陷阱處理和異步調度
（3）中斷處理和調度
（4）多處理器同步

   內核提供了一個低層次的系統原語和機制供執行體來調用以實現其功能。內核只是提供了底層的機制，而不做任何策略性的事務。但線程的調度和異常處理是在內核中實現的，內核永遠都運行在核心態。
   一類對象叫做控制對象，包括APC，DPC對象以及I/O要用到的對象，如中斷對象。
   一類對象叫做調度對象，用于線程調度。這些對象包括線程，互斥體，事件，內核事件對，信號量，定時器，可等待定時器。

   硬件支持：
   內核的另一主要功能是使得執行體和設備驅動獨立于硬件，這個工作包含處理多個方面的差異：中斷處理，異常處理，多處理器同步方式的差異

硬件抽象層（HAL）：
   這是windows2000實現其可移植性最重要的組成部分，HAL是一個可加載的核心態模塊（HAL.DLL），它提供了windows2000所運行 的硬件平臺的底層接口，HAL隱藏了各種與硬件有關的細節，比如I/O接口、中斷控制器、多處理通信機制等----這些都是平臺相關的。當需要平臺相關的 信息時，windows2000的內部模塊或者用戶程序通過HAL來實現。

設備驅動程序：
   
    設備驅動程序是核心態可加載模塊（以.SYS為擴展名），它們是I/O管理器和相關硬件設備的接口。它們運行于以下三種環境之一：
    （1） 在一個初始化了I/O函數的用戶線程環境中
    （2） 在內核模式的系統線程中
    （3） 中斷發生后（不在任何進程和線程中運行，中斷發生時哪一個進程或者線程正在運行）
    如前所述，windows2000的設備驅動程序并不直接操作硬件，而是調用HAL中的函數作為與硬件的接口。驅動程序通常用C語言寫（有時用C++）。因此，設備驅動程序通過使用HAL可以實現平臺無關性。
     有以下幾中設備驅動程序：
    （1）硬件驅動程序：實現對物理硬件的讀寫（通過使用HAL）。
    （2）文件系統驅動程序：是面向文件I/O的驅動程序，它把這些請求轉化成綁定到特定設備的I/O請求
    （3）文件過濾器驅動程序
    （4）網絡重定向驅動程序
    （5）協議驅動程序
    （6）內核流過濾器驅動程序
  因為安裝驅動程序是把用戶編寫的用戶態代碼添加到系統的唯一辦法，因此，一些程序員通過編寫設備驅動程序可以訪問OS的內部函數或者內部數據結構。

    好，到此為止我們對windows2000的整體結構有了大概的了解，在接下來的日子里我們要對每個部分進行更為深入的研究，并且會舉一些例子程序來輔助說明，因為我們學它的目的就是為了用，為了改變！