WindowsServer2003体系结构分析

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1、第一节Windoows Serrverr 20003体系结构专 业：智能弱电姓 名：龚 世 伟伟 绍兴兴乔波冰冰雪世界界体育发发展有限限公司 20100-7-30Windoows Serrverr 20003体体系结构构了解一个操操作系统统的体系系结构就就像了解解一部汽汽车的工工作原理理一样，即即使不知知道汽车车的技术术细节，驾驾驶员也也能驾驶驶汽车从从A地到到达B地地。但是是如果汽汽车出了了毛病，就就得把车车送到车车间或修修理工那那里去修修理。修修理工会会告诉您您应该早早些更换换机油，或或者车胎胎需要做做动平衡衡调整，或或者是火火花塞被被脏东西西堵了。如如果知道道了汽车车的工作作原理，就就会

2、更好好地保养养汽车、减减少损耗耗，甚至至可以自自己对它它进行维维修了。尽管操作系系统比汽汽车发动动机更复复杂，但但是道理理是相似似的。如如果了解解核心部部分的各各种组件件、文件件系统和和OS是是如何利利用处理理器、内内存、硬硬件等，就就可以更更好地管管理机器器。1.1 操作系系统模式式基于Winndowws 220000 Seerveer之上上的Wiindoows 20003是一一个模块块化的、基基于组件件的操作作系统。这这个操作作系统中中的所有有组件对对象都提提供接口口，以便便其他对对象和进进程与它它们交互互，从而而利用这这些组件件所提供供的各种种功能和和服务。这这些组件件协同工工作便能能执

3、行特特定的操操作系统统任务。Windoows 20003体系系结构包包含两个个主要的的层次：用户模模式和内内核模式式。这两两种模式式和各种种子系统统如图11-1所所示。图1-1 Wiindoows Serrverr 20003系系统体系系结构（简简图）1.2 用户模模式Windoows 20003用户户模式层层是一种种典型的的应用程程序支持持层，它它由环境境子系统统和整合合子系统统组成，同同时支持持Miccrossoftt和第三三方应用用软件。它它是操作作系统的的一部分分，独立立的软件件供应商商可以在在其上使使用发布布的APPI和面面向对象象的组件件进行操操作系统统调用。所所有的应应用程序序和

4、服务务都安装装在用户户模式层层。1.2.11 环环境子系系统环境子系统统的功能能是运行行为不同同操作系系统所编编写的应应用程序序。它能能够截取取应用程程序对特特定操作作系统AAPI的的调用，然然后将它它们转换换成为WWinddowss 20003可可以识别别的格式式，转换换后的AAPI调调用再传传递到处处理请求求所需要要的操作作系统组组件，最最后再将将调用所所返回的的返回码码或返回回信息转转换回应应用程序序能够识识别的格格式。这些子系统统在Wiindoows 20003中并并不是新新功能，但但与在NNT中相相比，它它们在这这几年中中已经有有了显著著的改进进。一些些实际应应用表明明，应用用程序在

5、在Winndowws 220033中比在在它们当当初所设设计的目目标操作作系统中中运行得得更好。很很多应用用程序在在Winndowws 220033中也更更加安全全。例如如，Wiindoows 20003中止止DOSS应用程程序时不不会对服服务器稳稳定性产产生影响响，而通通常情况况下，它它会使运运行DOOS的机机器崩溃溃。表11-1列列出的是是Winndowws 220033环境或或应用程程序子系系统。表1-1 环境子子系统环境子系统统用途Windoows 20003 WWin332（332位）支持基于WWin332的应应用程序序。这个个子系统统也支持持16位位Winndowws和DDOS应应

6、用程序序。所有有应用程程序的II/O和和GUII功能都都在这里里处理。为为了支持持终端服服务，该该子系统统已经得得到很大大的增强强OS/2支持16位位OS/2应用用程序（主主要是MMicrrosooft OS/2）POSIXX支持兼容PPOSIIX的应应用程序序（通常常为UNNIX）非Win332子系系统只对对非Wiin322的旧式式应用程程序提供供基本支支持。对对于这些些子系统统并没有有太多的的要求，保保留它们们只是为为了运行行最简单单的实用用程序和和兼容PPOSIIX或OOS/22的函数数调用（这这些调用用通常使使用C语语言）。例例如，PPOSIIX子系系统就是是为了满满足运行行UNIIX

7、实用用程序vvi和ggrepp的要求求而设置置的。POSIXX子系统统不是作作为UNNIX和和Winndowws 220033高级集集成的一一种方法法保留的的，例如如，如果果要在WWinddowss 20003上上运行UUNIXX shhelll，您仍仍然需要要安装UUNIXX服务。在Winddowss 20003上上运行非非Winndowws应用用程序会会受到一一些局限限和约束束，这些些影响来来自基础础操作系系统。关关于这些些局限和和约束，下下面将有有详细的的列举描描述，其其中大部部分约束束也包括括用户模模式的、基基于Wiin322的应用用程序： 软软件不能能直接访访问硬件件。换句句话说，如

8、如果应用用程序要要求硬盘盘空间时时，系统统将禁止止它直接接访问硬硬件以获获得空间间信息，它它将访问问的是用用户模式式对象。用用户模式式对象与与内核模模式对象象进行对对话，对对话由内内核模式式对象向向下传递递到操作作系统堆堆栈，再再到硬件件抽象层层（Haardwwaree Abbstrracttionn Laayerr，HAAL），然然后信息息再逐层层向上传传递，由由堆栈到到接口。这这个过程程就是通通常所说说的切换换处理（hhanddofff prroceessiing）。WWin332代码码中函数数实质上上都获得得一个返返回值，使使开发人人员不必必和硬件件对话。这这对开发发人员和和操作系系统都

9、是是有好处处的。检检查调用用有效性性的APPI可以以保护操操作系统统，而开开发人员员则直接接面对简简单的调调用级接接口，它它通常只只需写一一行代码码，而不不是一万万行。 不能能直接访访问设备备驱动程程序。上上述原则则同样适适用于设设备驱动动程序。硬硬件制造造商为WWinddowss 20003建建立了访访问硬件件的驱动动程序。驱驱动程序序同样也也不能对对硬件进进行直接接访问，而而是和由由设备驱驱动程序序APII提供的的抽象对对象进行行对话。 软软件受限限于内存存中分配配的地址址空间。这这项约束束保护操操作系统统不受流流氓应用用程序的的影响，这这些应用用程序会会试图访访问所有有可访问问的内存存。

10、这在在Winndowws 220033中已经经不可能能了，应应用程序序只能在在所分配配的地址址空间中中活动。 Wiindoows 20003与WWinddowss 20000一一样，使使用硬盘盘空间作作为准RRAM（qquassi-RRAM）。应应用程序序并不在在意内存存的类型型或来源源，它对对于应用用程序是是透明的的。虚拟拟内存是是系统中中所有内内存的组组合，它它既包括括机器中中的物理理内存，又又包括系系统中的的交换文文件。交交换文件件用来保保存那些些不能保保存在硬硬件RAAM中的的信息。 用户模模式子系系统中应应用程序序的运行行优先级级比在内内核模式式中运行行的所有有服务和和例程都都低。这

11、这也意味味着它们们对CPPU的访访问要比比内核模模式进程程的优先先级低。1.2.22 整整合子系系统整合子系统统用于执执行某些些关键操操作系统统功能。表表1-22列出了了这些服服务。表1-2 整整合子系系统整合子系统统用途安全子环境境执行与用户户权利和和访问控控制有关关的服务务。访问问控制包包括对整整个网络络及操作作系统对对象的保保护，这这些对象象是以一一定的方方法在操操作系统统中定义义或抽象象的。安安全子环环境也处处理登录录请求并并开始登登录验证证过程服务器服务务该服务使WWinddowss 20003成成为网络络操作系系统。所所有网络络服务都都源于服服务器服服务工作站服务务这项服务在在用途

12、上上与服务务器服务务相类似似。它更更多地面面向用户户对网络络的访问问（在禁禁用这项项服务的的机器上上也能进进行工作作）这些系统几几乎不需需要进行行管理。在在服务控控制管理理器（SServvicee Coontrrol Mannageer）中中可以访访问这些些服务，也也可以通通过手动动方式启启动和停停止这些些服务。1.3 内核模模式Windoows 20003内核核模式是是能访问问系统数数据和硬硬件的层层。它由由几个组组件组成成（参见见图1-1）。1.3.11 WWinddowss 20003执执行程序序执行程序是是指所有有执行程程序服务务的集合合名词。它它包含很很多操作作系统中中的I/O例程程

13、，并实实现对关关键对象象的管理理功能，尤尤其是安安全性方方面。执执行程序序还包含含系统服服务组件件（在两两种OSS模式中中都可以以访问）和和内部内内核模式式例程（任任何运行行在用户户模式中中的代码码都不能能访问）。内内核模式式组件如如下所示示。 I/OO管理器器：管理理机器设设备的输输入和输输出。具具体包括括以下设设备。 文件系系统：将将文件系系统请求求转换为为与设备备相关的的调用。 设备驱驱动程序序：管理理直接访访问硬件件的设备备驱动程程序。 高速缓缓存管理理器：隐隐藏在II/O管管理器代代码中，通通过缓存存磁盘读读出的数数据来管管理I/O性能能。还能能缓存读读请求和和写请求求，并能能处理对

14、对硬件的的脱机写写入或后后台写入入。 安全性性引用监监视器：该组件件可以实实施计算算机的安安全策略略。 进程程间通信信管理器器（IPPC）：该组件件的作用用使它存存在于操操作系统统的各个个角落。它它的本质质作用是是管理客客户端和和服务器器进程间间的通信信。它由由本地过过程调用用（LPPC）工工具和远远程过程程调用（RRPC）工工具组成成，前者者用来管管理同一一台计算算机上的的客户端端和服务务器进程程间的通通信，后后者用来来管理不不同机器器上客户户端和服服务器之之间的通通信。 内存存管理器器或虚拟拟内存管管理器（VVMM）：该组件件用来管管理虚拟拟内存。它它为每个个进程提提供一段段虚拟地地址空间

15、间，每个个进程占占有并保保护它的的虚拟地地址空间间以维护护系统的的完整性性。它同同时还控控制虚拟拟RAMM对硬盘盘的访问问要求，这这就是通通常所说说的分页页技术。 进程程管理器器：该组组件可以以创建和和终止由由系统服服务或应应用程序序产生的的进程和和线程。 即插插即用管管理器：该组件件利用各各种设备备驱动程程序，为为与硬件件相关的的配置和和服务提提供即插插即用服服务及通通信。 电源管管理器：该组件件控制系系统中的的电源管管理。它它利用各各种电源源管理AAPI进进行工作作，管理理与电源源管理请请求有关关的事件件。 窗口口管理器器和图形形设备接接口（GGDI）：驱动程程序Wiin322k.ssys

16、将将两个组组件服务务结合在在一起，并并管理显显示系统统，分别别说明如如下： 窗口管管理器：该组件件管理屏屏幕输出出和窗口口显示。它它同时还还处理鼠鼠标和键键盘的II/O数数据。 GDDI：该该组件是是最难以以编写代代码的接接口，在在Winn16时时代，它它总是与与内存一一起提供供。它利利用一些些组件来来负责屏屏幕和界界面图形形的绘制制和处理理，这些些组件负负责把这这些对象象提交给给打印机机对象和和其他图图形输出出设备。 对象象管理器器：该引引擎管理理系统对对象。它它可以创创建对象象、删除除不需要要的对象象。它同同时可以以进行资资源管理理，例如如创建对对象时需需要分配配的内存存。除了这些服服务之

17、外外（如图图1-11所示），还还有组成成内核模模式的33个核心心组件，这这包括设设备驱动动程序组组件、MMicrrokeerneel和硬硬件抽象象层（HHAL）。1.3.22 设设备驱动动程序该组件将驱驱动程序序调用转转换为操操作硬件件的实际际例程。1.3.33 MMicrrokeerneel该组件是操操作系统统的核心心（有人人将其本本身看作作是操作作系统，其其他所有有部分看看作是服服务）。它它管理微微处理器器上的线线程处理理、线程程排队、多多任务，等等等。WWinddowss 20003 Miccrokkernnel具具有抢先先权，从从本质上上看，这这表明线线程可以以被中断断或重新新排队。1

18、.3.44 硬硬件抽象象层硬件抽象层层（HAAL）实实际上对对其他设设备和组组件隐藏藏了硬件件接口的的详细信信息。换换句话说说，它是是位于真真实硬件件之上的的抽象层层，所有有到硬件件的调用用都是通通过HAAL来进进行的。HHAL包包含处理理硬件相相关的II/O接接口、硬硬件中断断等所必必需的硬硬件代码码。该层层也负责责与Inntell和AMMD相关关的支持持，使一一个执行行程序可可以在这这二者中中的任何何一个处处理器上上运行。1.4 Winndowws 220033处理体体系结构构Windoows Serrverr 20003采采用对称称多处理理（SMMP）体体系结构构。也就就是说，首首先，操

19、操作系统统可以在在多个CCPU上上运行；其次，它它可以使使所有进进程根据据需要使使用多个个CPUU。换句句话说，如如果一个个CPUU被完全全占用了了，应用用程序或或服务程程序所产产生的线线程可以以在其他他可用的的CPUU上进行行处理。Windoows 20003将它它的多任任务和多多线程能能力与SSMP能能力结合合在一起起。如果果线程处处于等待待执行状状态，操操作系统统将安排排处理器器处理这这个等候候线程。线线程执行行的负担担被均匀匀分摊到到可用的的CPUU上。对对称多处处理技术术可以确确保操作作系统使使用所有有的可用用处理器器资源，显显然这将将提高整整个系统统的处理理速度。Windoows

20、Serrverr 20003 Staandaard版版支持44路（44 CPPU）对对称多处处理。EEnteerprrisee版支持持8路SSMP，DDataacennterr Seerveer可支支持322路SMMP，而而Webb版本最最多只能能支持22路SMMP。如如果需要要，用户户还可以以从Miicroosofft获得得代码，依依据合同同将 OOS编译译成所要要求的SSMP规规范。1.5 Winndowws 220033内存管管理Windoows 20003与WWinddowss 20000 Serrverr在内存存处理上上几乎相相同，WWinddowss 20000在在 Wiindoo

21、ws NT 4.00的基础础上进行行了很大大的改进进。它包包括一个个内存模模型，这这个内存存模型基基于一个个平面的的、线性性的仍然然为322位的地地址空间间。在WWinddowss 20003操操作系统统中使用用两种类类型的内内存。第第一种是是物理内内存，包包括安装装在系统统主板上上RAMM芯片中中的内存存，典型型的有SSDRaam、DDDRaam、RRAMBBus RAMM等几种种形式。第第二种是是虚拟内内存，它它是系统统中所有有内存的的组合，并并包括如如何使这这些内存存可用于于操作系系统的技技术。虚拟内存管管理器（VVirttuall Meemorry MManaagerr，VMMM）用用

22、于管理理系统内内存。它它管理并并组合系系统中所所有的物物理内存存，使应应用程序序和操作作系统可可以获得得更多的的可用内内存。这这比实际际安装在在系统中中RAMM芯片上上的内存存要大得得多。通过防止一一个进程程侵入另另一个进进程的地地址空间间，VMMM能保保护系统统的内存存资源。这这在DOOS或 Winndowws早期期版本等等操作系系统中是是一个令令人头痛痛的问题题。无论是物理理内存还还是虚拟拟内存，每每个内存存字节都都用一个个唯一的的地址表表示。物物理RAAM具有有局限性性，因为为Winndowws 220033只能根根据系统统中物理理RAMM的数量量来编址址。但是是虚拟编编址就不不一样了了

23、，Wiindoows 20003 WWeb版版本最多多可以支支持2GGB RRAM，WWinddowss Seerveer 220033 Sttanddardd版最多多可以支支持4GGB RRAM，而而Entterpprisse版可可支持664GBB，在664位处处理器上上Dattaceenteer版可可以支持持5122GB RAMM。VMM管理理内存，它它具有下下面两个个主要功功能。 VMMM拥有一一个内存存映射表表，它可可以记住住分配给给每个进进程的虚虚拟地址址列表。可可以确定定要将实实际数据据映射到到的地址址位置。换换句话说说，它担担当翻译译服务的的角色，负负责将虚虚拟内存存映射到到物理

24、内内存。这这项功能能对于应应用程序序是透明明的，应应用程序序就像访访问物理理内存一一样运行行。 在RAAM用完完时，VVMM会会根据需需要将内内存内容容移到硬硬盘中去去。这就就是通常常所说的的分页。因此，Wiindoows 20003可以以访问44GB地地址空间间，这些些空间是是虚拟的的，可能能由RAAM和硬硬盘空间间组成。虽虽然我们们讨论的的是4GGB地址址空间，但但是这些些空间与与系统如如何使用用内存有有关。实实际上，应应用程序序可用的的地址空空间只有有2GBB或者更更少，因因为有22GB由由所有在在用户模模式运行行的进程程共享，而而剩下的的2GBB分配给给内核模模式线程程。可以以使用/3

25、GBB或者/PAEE（即PPhyssicaal AAddrresss Exxtennsioon）来来更改默默认的地地址空间间，以获获得大于于4GBB的地址址空间。现在讨论44GB空空间的“高高端”和和“低端端”部分分，各自自包含22GB寻寻址空间间。高端端部分只只为内核核模式进进程保留留；低端端空间既既可用于于用户模模式，也也可用于于内核模模式进程程。高端端部分也也在其地地址空间间中保留留一部分分低端区区域，用用于直接接映射硬硬件地址址。低端部分也也是在分分页池中中维护的的。有非非分页池池和分页页池两种种，分页页池的内内容可以以被换出出，转存存到磁盘盘，通常常分配给给应用程程序；而而非分页页池

26、必须须保留在在物理RRAM中中，每个个分页的的大小为为4KBB。1.6 深入分分页分页就是将将数据移移出和移移入物理理内存的的过程。如如果物理理内存池池满了，而而Winndowws还需需要更多多内存，VVMM就就把物理理内存中中暂时不不用的数数据转出出到磁盘盘中，这这个磁盘盘储存库库称为分分页文件件（paage fille）。每个进程所所分配的的地址空空间都以以页的方方式存在在，它们们可以被被标识为为有效页页或无效效页。有有效页是是指物理理内存中中的页，对对于任何何应用程程序都是是有效的的；而无无效页是是指存储储在磁盘盘上的页页，对于于任何应应用程序序都是无无效的。在应用程序序需要访访问已经经

27、移动到到磁盘上上的无效效页（脱脱机内存存中的数数据）时时，系统统将认为为这是页页错误（ppagee faaultt）。页页错误进进程类似似于一个个执行线线程，它它在遇到到错误或或异常事事件后会会根据例例程而采采用不同同的路径径。在这这种情况况下，页页错误可可以被妥妥善地处处理，VVMM“俘俘获”这这个错误误，然后后访问相相关分页页文件中中的数据据，并在在RAMM中恢复复这些数数据。同同时其他他暂时不不用的数数据被换换出到磁磁盘上。这这就是为为什么在在数据和和内存访访问比较较频繁的的应用程程序中推推荐使用用快速而而可靠的的硬盘的的原因之之一。VMM执行行下面一一系列内内务处理理工作，它它们是分分

28、页例程程的一部部分。 VMMM以先入入先出的的原则管管理磁盘盘分页文文件中的的数据。换换句话说说，RAAM有空空闲空间间时，磁磁盘上存存在时间间最长的的数据最最先在物物理内存存中恢复复。如果果RAMM一直进进行释放放，VMMM会继继续将数数据移回回RAMM，直到到分页文文件中没没有数据据为止。VVMM以以这种方方式记录录的数据据称为工工作集（wworkkingg seet）。从分页文文件取回回数据时时VMMM执行的的操作称称为取操操作（ffetcchinng）。此此外，VVMM还还执行一一个称为为分页文文件群集集（paage fille cclussterringg）的操操作。分分页文件件群集

29、是是指在VVMM进进行取操操作时，它它同时还还取回这这个分页页文件周周围的数数据。该该操作基基于这样样的假设设：紧接接所需数数据前面面或后面面的数据据很可能能马上需需要取回回。这一一处理提提高了从从分页文文件中输输入/输输出数据据的速度度。 VMMM具有足足够的智智能。如如果需要要从分页页文件中中取回数数据，而而在RAAM中有有没有足足够的空空间放置置这些数数据时，VVMM会会先将其其他暂时时不用的的数据移移出到分分页文件件中。VMM操作作的参数数和其他他要素，比比如分页页文件的的大小，都都是可以以管理和和控制的的。1.7总结结Windoows 20003系统统的体系系结构。它它和Wiindoows 20000体系系结构相相同，基基础也相相同，但但进行了了很大的的改进。Windoows 20003中出出现了一一些主要要的范式式变化。其其中最有有意义的的是转回回到终端端-主机机环境。但但这里的的主机是是Winndowws 220033，给用用户的终终端是WWinddowss 20003桌桌面，而而不是满满屏幕绿绿色的字字符和闪闪烁的光光标。