Arquitectura de Windows NT

El subsistema de entorno Win32 puede ejecutar aplicaciones de Windows de 32 bits. Contiene la consola, así como la compatibilidad con ventanas de texto, el apagado y el manejo de errores graves para todos los demás subsistemas de entorno. También admite máquinas virtuales DOS (VDM), que permiten ejecutar aplicaciones de MS-DOS y Windows de 16 bits ( Win16 ) en Windows NT. Existe una VDM específica de MS-DOS que se ejecuta en su propio espacio de direcciones y que emula un Intel 80486 con MS-DOS 5.0. Los programas Win16, sin embargo, se ejecutan en una VDM Win16. Cada programa, por defecto, se ejecuta en el mismo proceso, utilizando así el mismo espacio de direcciones, y la VDM Win16 asigna a cada programa su propio hilo de ejecución. No obstante, Windows NT permite a los usuarios ejecutar un programa Win16 en una VDM Win16 independiente, lo que permite la multitarea preventiva del programa, ya que Windows NT interrumpirá todo el proceso de la VDM, que solo contiene una aplicación en ejecución. El proceso del subsistema de entorno Win32 csrss.exetambién incluye la funcionalidad de administración de ventanas, a veces denominada " administrador de ventanas ". Este gestiona los eventos de entrada (como los del teclado y el ratón) y, a continuación, transmite mensajes a las aplicaciones que necesitan recibirlos. Cada aplicación es responsable de dibujar o actualizar sus propias ventanas y menús en respuesta a estos mensajes.

El subsistema de entorno OS/2 admite aplicaciones OS/2 basadas en caracteres de 16 bits y emula OS/2 1.x, pero no aplicaciones OS/2 gráficas o de 32 bits como las utilizadas con OS/2 2.x o posterior, solo en máquinas x86. ^{[ 3 ]} Para ejecutar programas gráficos de OS/2 1.x, debe instalarse el Subsistema Complementario de Windows NT para Presentation Manager. ^{[ 3 ]} La última versión de Windows NT que tuvo un subsistema OS/2 fue Windows 2000; se ha descontinuado a partir de Windows XP. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

El subsistema de entorno POSIX admite aplicaciones escritas estrictamente según el estándar POSIX.1 o los estándares ISO / IEC relacionados . Este subsistema fue reemplazado por Interix , que forma parte de los Servicios de Windows para UNIX . ^{[ 4 ]} Este, a su vez, fue reemplazado por el Subsistema de Windows para Linux .

El subsistema de seguridad "administra funciones específicas del sistema operativo en nombre del sistema de entorno y consta de un proceso del sistema de seguridad". Este proceso del sistema de seguridad es la Autoridad de Seguridad Local (LSA), que administra tokens de seguridad, otorga o deniega el acceso "a las cuentas de usuario en función de los permisos de recursos, gestiona las solicitudes de inicio de sesión e inicia la autenticación de inicio de sesión, y determina qué recursos del sistema deben ser auditados" por Windows NT. ^{[ 6 ]} También se encarga de Active Directory . El servicio de estación de trabajo implementa el redireccionador de red , que es el lado del cliente del uso compartido de archivos e impresoras de Windows; implementa las solicitudes locales a archivos e impresoras remotos "redirigiéndolos" a los servidores apropiados en la red. ^{[ 7 ]} Por el contrario, el servicio de servidor permite que otros equipos de la red accedan a los recursos compartidos de archivos e impresoras compartidas que ofrece el sistema local. ^{[ 8 ]}

Los servicios ejecutivos de Windows conforman la parte de bajo nivel del modo kernel y se encuentran en el archivo ntoskrnl.exe. ^{[ 9 ]} Se encarga de E/S, administración de objetos, seguridad y administración de procesos. Estos se dividen en varios subsistemas , entre los que se encuentran el Administrador de caché , el Administrador de configuración , el Administrador de E/S , la llamada a procedimiento local (LPC) , el Administrador de memoria , el Administrador de objetos , la estructura de procesos y el Monitor de referencia de seguridad (SRM) . Agrupados, los componentes pueden denominarse servicios ejecutivos (nombre interno Ex ). Los servicios del sistema (nombre interno Nt ), es decir, las llamadas al sistema , también se implementan en este nivel, ^{[ 12 ]} excepto muy pocos que llaman directamente a la capa del kernel para un mejor rendimiento.

El término "servicio" en este contexto generalmente se refiere a una rutina invocable o a un conjunto de rutinas invocables. ^{[ 12 ]} Esto es distinto del concepto de "proceso de servicio", que es un componente en modo usuario algo análogo a un demonio en sistemas operativos tipo Unix . ^{[ 13 ]}

Administrador de objetos

El Administrador de objetos (nombre interno Ob ) es un subsistema ejecutivo por el que deben pasar todos los demás subsistemas ejecutivos, especialmente las llamadas al sistema, para acceder a los recursos de Windows NT, lo que lo convierte esencialmente en un servicio de infraestructura de administración de recursos. ^{[ 14 ]} El administrador de objetos se utiliza para reducir la duplicación de la funcionalidad de administración de recursos de objetos en otros subsistemas ejecutivos, lo que podría provocar errores y dificultar el desarrollo de Windows NT. ^{[ 15 ]} Para el administrador de objetos, cada recurso es un objeto, ya sea un recurso físico (como un sistema de archivos o un periférico) o un recurso lógico (como un archivo). Cada objeto tiene una estructura o un tipo de objeto que el administrador de objetos debe conocer.

La creación de objetos es un proceso de dos fases: creación e inserción . La creación implica la asignación de un objeto vacío y la reserva de los recursos necesarios para el gestor de objetos, como un nombre (opcional) en el espacio de nombres. Si la creación se realizó correctamente, el subsistema responsable rellena el objeto vacío. ^{[ 16 ]} Finalmente, si el subsistema considera que la inicialización fue exitosa, le indica al gestor de objetos que inserte el objeto, lo que lo hace accesible mediante su nombre (opcional) o una cookie llamada identificador . ^{[ 17 ]} A partir de ese momento, el ciclo de vida del objeto es gestionado por el gestor de objetos, y el subsistema se encarga de mantenerlo en funcionamiento hasta que el gestor de objetos le indique que lo elimine. ^{[ 18 ]}

Los identificadores son identificadores que representan una referencia a un recurso del kernel a través de un valor opaco. ^{[ 19 ]} De manera similar, abrir un objeto a través de su nombre está sujeto a controles de seguridad, pero actuar a través de un identificador existente y abierto solo se limita al nivel de acceso solicitado cuando se abrió o creó el objeto.

Los tipos de objeto definen los procedimientos del objeto y cualquier dato específico del mismo. De esta forma, el administrador de objetos permite que Windows NT sea un sistema operativo orientado a objetos , ya que los tipos de objeto pueden considerarse clases polimórficas que definen objetos . Sin embargo, la mayoría de los subsistemas, con la notable excepción del Administrador de E/S, utilizan la implementación predeterminada para todos los procedimientos de tipo de objeto.

Cada instancia de un objeto que se crea almacena su nombre, los parámetros que se pasan a la función de creación del objeto, los atributos de seguridad y un puntero a su tipo de objeto. El objeto también contiene un procedimiento de cierre de objeto y un contador de referencias para indicar al administrador de objetos cuántos otros objetos en el sistema hacen referencia a ese objeto y, por lo tanto, determina si el objeto puede destruirse cuando se le envía una solicitud de cierre. ^{[ 20 ]} Cada objeto con nombre existe en un espacio de nombres de objetos jerárquico .

Controlador de caché

Se coordina estrechamente con el Administrador de memoria, el Administrador de E/S y los controladores de E/S para proporcionar una caché común para las operaciones de E/S de archivos regulares. El Administrador de caché de Windows opera sobre bloques de archivos (en lugar de bloques de dispositivos), para un funcionamiento coherente entre archivos locales y remotos, y garantiza cierto grado de coherencia con las vistas de archivos asignadas a memoria , ya que los bloques de caché son un caso especial de vistas asignadas a memoria y los fallos de caché son un caso especial de fallos de página.

Administrador de configuración

Implementa las llamadas al sistema necesarias para el Registro de Windows .

Administrador de E/S

Permite que los dispositivos se comuniquen con subsistemas en modo usuario. Traduce los comandos de lectura y escritura en modo usuario a IRP de lectura o escritura , que luego pasa a los controladores de dispositivo. Acepta solicitudes de E/S del sistema de archivos y las traduce a llamadas específicas del dispositivo, e incorpora controladores de dispositivo de bajo nivel que manipulan directamente el hardware para leer la entrada o escribir la salida. También incluye un administrador de caché para mejorar el rendimiento del disco mediante el almacenamiento en caché de las solicitudes de lectura y escritura en segundo plano.

Llamada a procedimiento local (LPC)

Proporciona puertos de comunicación entre procesos con semántica de conexión. Los puertos LPC son utilizados por los subsistemas en modo usuario para comunicarse con sus clientes, por los subsistemas ejecutivos para comunicarse con los subsistemas en modo usuario y como base para el transporte local de Microsoft RPC .

Administrador de memoria

Gestiona la memoria virtual , controlando la protección de la memoria y la paginación de memoria dentro y fuera de la memoria física hacia el almacenamiento secundario, e implementa un asignador de memoria física de propósito general. También implementa un analizador de ejecutables PE que permite asignar o desasignar un ejecutable en un único paso atómico.

A partir de Windows NT Server 4.0, Terminal Server Edition, el administrador de memoria implementa un espacio de sesión , un rango de memoria en modo kernel que está sujeto a cambios de contexto al igual que la memoria en modo usuario. Esto permite que varias instancias del subsistema Win32 en modo kernel y los controladores GDI se ejecuten simultáneamente, a pesar de las deficiencias de su diseño inicial. Cada espacio de sesión es compartido por varios procesos, denominados colectivamente "sesión".

Para garantizar cierto grado de aislamiento entre sesiones sin introducir un nuevo tipo de objeto, la asociación entre procesos y sesiones la gestiona el Monitor de Referencia de Seguridad, como un atributo de un sujeto de seguridad (token), y solo se puede modificar al poseer privilegios especiales.

La naturaleza relativamente simple y ad hoc de las sesiones se debe a que no formaban parte del diseño inicial y tuvieron que ser desarrolladas, con una mínima interrupción de la línea principal, por un tercero ( Citrix Systems ) como requisito previo para su producto de servidor de terminales para Windows NT, llamado WinFrame . Sin embargo, a partir de Windows Vista, las sesiones finalmente se convirtieron en un aspecto propiamente dicho de la arquitectura de Windows. Dejaron de ser una construcción de administrador de memoria que se infiltraba en el modo de usuario indirectamente a través de Win32 y se expandieron hasta convertirse en una abstracción generalizada que afectaba a la mayoría de los subsistemas ejecutivos. De hecho, el uso habitual de Windows Vista siempre resulta en un entorno de múltiples sesiones. ^{[ 21 ]}

Estructura del proceso

Gestiona la creación y terminación de procesos e hilos, e implementa el concepto de Trabajo , un grupo de procesos que pueden terminarse en su totalidad o estar sujetos a restricciones compartidas (como el máximo total de memoria asignada o el tiempo de CPU). Los objetos Trabajo se introdujeron en Windows 2000 .

Gerente de PnP

Gestiona la función Plug and Play y admite la detección e instalación de dispositivos al arrancar el sistema. También se encarga de detener e iniciar dispositivos bajo demanda; esto puede ocurrir cuando un bus (como USB o IEEE 1394 FireWire ) incorpora un nuevo dispositivo y necesita que se cargue un controlador para admitirlo. Su mayor parte se implementa en modo usuario, en el Servicio Plug and Play , que gestiona las tareas, a menudo complejas, de instalar los controladores adecuados, notificar a los servicios y aplicaciones la llegada de nuevos dispositivos y mostrar la interfaz gráfica de usuario.

Administrador de energía

Gestiona los eventos de energía (apagado, espera, hibernación, etc.) y notifica a los controladores afectados con IRP especiales ( Power IRP ).

Monitor de referencia de seguridad (SRM)

La autoridad principal para hacer cumplir las reglas de seguridad del subsistema integral de seguridad. ^{[ 22 ]} Determina si se puede acceder a un objeto o recurso, mediante el uso de listas de control de acceso (ACL), que a su vez están compuestas por entradas de control de acceso (ACE). Las ACE contienen un identificador de seguridad (SID) y una lista de operaciones que la ACE otorga a un grupo selecto de fideicomisarios —una cuenta de usuario, una cuenta de grupo o una sesión de inicio de sesión ^{[ 23 ]} — permiso (permitir, denegar o auditar) para ese recurso. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

GDI

La Interfaz de Dispositivo Gráfico (GDI) se encarga de tareas como dibujar líneas y curvas, renderizar fuentes y gestionar paletas. La serie de versiones de Windows NT 3.x había ubicado el componente GDI en el subsistema de tiempo de ejecución cliente/servidor en modo usuario , pero se trasladó al modo kernel con Windows NT 4.0 para mejorar el rendimiento gráfico. ^{[ 26 ]}

El núcleo se sitúa entre la capa de abstracción de hardware (HAL) y el ejecutivo, y proporciona sincronización multiprocesador, planificación y distribución de hilos e interrupciones, así como gestión de trampas y excepciones. También se encarga de inicializar los controladores de dispositivos durante el arranque, necesarios para que el sistema operativo se ponga en marcha. Es decir, el núcleo realiza prácticamente todas las tareas de un micronúcleo tradicional . La estricta distinción entre ejecutivo y núcleo es el vestigio más destacado del diseño original del micronúcleo, y la documentación histórica de diseño se refiere sistemáticamente al componente del núcleo como «el micronúcleo».

El núcleo a menudo interactúa con el gestor de procesos. ^{[ 27 ]} El nivel de abstracción es tal que el núcleo nunca llama al gestor de procesos, solo al revés (salvo en un puñado de casos excepcionales, pero nunca hasta el punto de una dependencia funcional).

Windows NT utiliza controladores de dispositivos en modo kernel para interactuar con dispositivos de hardware . Cada controlador tiene rutinas de sistema bien definidas y rutinas internas que exporta al resto del sistema operativo. El código en modo usuario ve todos los dispositivos como objetos de archivo en el administrador de E/S, aunque para el propio administrador de E/S los dispositivos se ven como objetos de dispositivo, que define como objetos de archivo, dispositivo o controlador. Los controladores en modo kernel existen en tres niveles: controladores de nivel superior, controladores intermedios y controladores de nivel inferior. Los controladores de nivel superior, como los controladores de sistema de archivos para FAT y NTFS , dependen de los controladores intermedios. Los controladores intermedios consisten en controladores de función (o controlador principal para un dispositivo) que opcionalmente se encuentran entre controladores de filtro de nivel inferior y superior. El controlador de función depende entonces de un controlador de bus (o un controlador que da servicio a un controlador de bus , adaptador o puente), que puede tener un controlador de filtro de bus opcional que se sitúa entre sí y el controlador de función. Los controladores intermedios dependen de los controladores de nivel inferior para funcionar. El Modelo de Controlador de Windows (WDM) existe en la capa intermedia. Los controladores de nivel más bajo son controladores de dispositivos heredados de Windows NT que controlan un dispositivo directamente, o bien pueden ser un bus de hardware Plug and Play (PnP). Estos controladores de nivel inferior controlan el hardware directamente y no dependen de ningún otro controlador.

La capa de abstracción de hardware (HAL) de Windows NT es una capa que se interpone entre el hardware físico del equipo y el resto del sistema operativo. Su objetivo es ocultar las diferencias de hardware y proporcionar una plataforma consistente sobre la que se ejecuta el núcleo. La HAL incluye código específico del hardware que controla las interfaces de entrada/salida, los controladores de interrupciones y los procesadores múltiples.

Sin embargo, a pesar de su propósito y lugar designado dentro de la arquitectura, la capa HAL no se sitúa completamente por debajo del núcleo, como el núcleo se sitúa por debajo del Ejecutivo: todas las implementaciones conocidas de HAL dependen en cierta medida del núcleo, o incluso del Ejecutivo. En la práctica, esto significa que las variantes del núcleo y de la capa HAL vienen en conjuntos coincidentes diseñados específicamente para funcionar conjuntamente.

En particular, la abstracción de hardware no implica la abstracción del conjunto de instrucciones, que generalmente se engloba dentro del concepto más amplio de portabilidad . La abstracción del conjunto de instrucciones, cuando es necesaria (por ejemplo, para gestionar las diversas revisiones del conjunto de instrucciones x86 o para emular un coprocesador matemático faltante), la realiza el núcleo o mediante virtualización de hardware .

El HAL se implementa en hal.dll. ^{[ 30 ]} El HAL implementa una serie de funciones que se implementan de diferentes maneras en diferentes plataformas de hardware, lo que en este contexto se refiere principalmente al chipset . Otros componentes del sistema operativo pueden entonces llamar a estas funciones de la misma manera en todas las plataformas, sin tener en cuenta la implementación real.

Por ejemplo, la respuesta a una interrupción es muy diferente en una máquina con un controlador de interrupciones programable avanzado (APIC) que en una que no lo tenga. La capa de abstracción de hardware (HAL) proporciona una única función para este propósito que funciona con todo tipo de interrupciones de diversos conjuntos de chips, de modo que los demás componentes no tienen que preocuparse por las diferencias.

El HAL se carga en el espacio de direcciones del kernel y se ejecuta en modo kernel, por lo que las rutinas del HAL no pueden ser llamadas directamente por las aplicaciones, y ninguna API en modo usuario se corresponde directamente con las rutinas del HAL. En cambio, el HAL proporciona servicios principalmente al ejecutivo y al kernel de Windows y a los controladores de dispositivos en modo kernel. Aunque los controladores para la mayoría del hardware están contenidos en otros archivos, generalmente de tipo .sys , algunos controladores principales se compilan en hal.dll.

Los controladores de dispositivos en modo kernel para dispositivos en buses como PCI y PCI Express llaman directamente a rutinas en la HAL para acceder a los puertos de E/S y los registros de sus dispositivos. Los controladores utilizan rutinas de la HAL porque las distintas plataformas pueden requerir implementaciones diferentes de estas operaciones. La HAL implementa las operaciones de forma adecuada para cada plataforma, de modo que el mismo archivo ejecutable del controlador puede utilizarse en todas las plataformas con la misma arquitectura de CPU , y el archivo fuente del controlador puede ser portable entre todas las arquitecturas.

En los sistemas x86 anteriores a Windows 8 , hay varios archivos HAL diferentes en el medio de instalación. El procedimiento de instalación de Windows determina cuáles son apropiados para la plataforma actual y los copia al disco duro, cambiándoles el nombre hal.dllsi es necesario. Entre los criterios para esta selección se encuentran: la presencia de una BIOS compatible con ACPI , la presencia de un APIC y si hay o no varios procesadores presentes y habilitados. (Los múltiples núcleos de una CPU multinúcleo , e incluso los "procesadores lógicos" implementados por una CPU con hyperthreading , cuentan como "procesadores" para este propósito). En las plataformas x86-64 e Itanium solo hay un HAL posible hal.dllpara cada arquitectura de CPU. En Windows 8 y posteriores, la versión x86 también tiene solo un HAL.

El HAL se fusiona (o enlaza estáticamente) en ntoskrnl.exe^{[ 31 ]} a partir de la versión 2004 de Windows 10, y la DLL solo sirve como un stub para la compatibilidad con versiones anteriores.