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Windows XP
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教學目標
了解 Windows XP 作業系統的特性 了解 Windows XP 的機制與架構
– 系統元件– 環境子系統– 檔案系統– 網路機制
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Windows XP 的特色
微核心架構 採用主從式架構來實作多個作業系統的特性,以
使用者模式的行程模擬各種作業系統環境 安全性 :
– 透過反覆檢視程式碼與自動化軟體分析測試, Windows XP 確保它的安全性超過美國政府認定的 C-2 安全分類。
可靠性 :– Windows XP 利用硬體的虛擬記憶體機制防止系統與應用程式受
到意外的破壞。同時 Windows XP 內建的 NTFS 檔案系統,可以在系統當機後自動復原。 Windows XP 並被美國政府評估具備C2 以上的安全等級。
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Windows XP 的特性 (2nd)
相容性 :– Windows XP 可執行相容 MS-DOS 、 Win16 、 OS/2 、 LAN Manager 、 IEEE
1003.1(POSIX) 、 Win32 的應用程式。並支援 FAT 、 HPFS 、 ISO9660 與NTFS 等檔案系統。
高性能 :– 在 Windows XP 內較高優先權的執行緒可以取得系統的執行權。
擴充性 :– Windows XP 使用階層式架構來實現擴充性的架構。
可攜性 :– Windows XP 系統的主要部分由 C 與 C++ 語言完成,程式碼本身具備可攜性。
國際性 :– Windows XP 設計成適合不同國家的人使用,經由國家語言支援 (NLS) API 可針
對不同地區內,提供不同的時間與貨幣表示方法。
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Windows XP 系統方塊圖
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硬體抽象層
硬體抽象層是一個隱藏硬體差異的軟體階層,可增加 Windows XP 的可攜性。
上層的軟體不必在乎抽象層內不同硬體操作的細節,增加系統的可攜性,並使得核心的維護管理簡單化
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Windows XP 核心的工作
核心分派程式與同步機制 執行緒和排班 軟體中斷 例外和中斷 電源失效復原
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核心分派程式與同步機制
沒有單獨的一個排班程式 排班機制分散在核心中跟排班相關的觸發機制來完成,
也就是核心分派程式 主要工作
– 執行緒的排班– 同步機制– 計時器管理– 軟體中斷(非同步與延遲程序呼叫)– 例外事件分派
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核心分派程式與同步機制 (2nd)
分派物件– 引發核心分派程式執行排班與分派動作的時機 – 包括事件物件 (event object) 、互斥物件 (mutex) 、
排斥物件 (mutant) 、號誌物件 (semaphore object) 、執行緒物件 (thread object) 、行程物件 (process object) 、計時器物件
具互斥功能的同步機制– 事件物件、互斥物件、號誌物件
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Windows XP 執行緒狀態轉移圖
剛產生 就緒
待命
執行中
等待
結束
過渡
被搶先下個要執行
分頁被移出
分頁回來了
重新啟動
執行結束被搶先或者
時間分量用完
等待事件等待結束
本文切換
初始化完成
等待結束
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排班
多層回饋佇列排班法– 即時級 (16~31) 、可變級 (1~15) 、系統級 (0)
提供硬性和軟性處理器偏好 降低執行優先權
– 可變級執行緒的可用時間分量( quantum )結束時 – 背景視窗 ( 並減少時間分量 )
提升執行優先權– 可變級執行緒由等待狀待恢復成就緒狀態時 – 前景視窗 ( 並增加時間分量 )
可搶先式排班,但不是硬性即時
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軟體中斷
延遲程序呼叫 (DPC) 非同步程序呼叫 (APC)
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延遲程序呼叫 (DPC)
核心要呼叫某個沒有即時性的系統呼叫,它可以將延緩程序呼叫 (deferred procedure call , DPC)物件放入佇列中,並產生 DPC 中斷
核心限定的中斷優先級 (IRQL)通常比延緩程序中斷優先級高,所以延遲程序呼叫被暫緩執行。當核心限定的中斷優先級降到比 DPC 中斷優先級小時, DPC 物件由佇列取出,並呼叫該沒有即時性的系統呼叫
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非同步程序呼叫 (APC)
執行緒呼叫同步系統呼叫時,執行緒必須等到系統呼叫結束後,才可繼續進行下一步驟。
呼叫非同步系統呼叫時,執行緒可以立即繼續執行下一步驟。 – 呼叫非同步系統呼叫時,會傳入一個非同步程序呼叫
(asynchronous procedure call , APC)給系統。– 當非同步系統呼叫服務結束時,執行緒將被中斷而自
動執行非同步程序呼叫。
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核心物件管理程式
物件導向的系統 所有的物件都會依照其物件型態實現一套虛擬函
示,以方便管理程式的管理和使用者模式下的程式操作 – create() 、 open() 、 close() 、 delete() 、 query_na
me() 、 parse() 、 security()
當核心物件的參考計數降為 0時,系統將刪除此核心物件,永久性的物件除外。
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虛擬記憶體管理程式
空間配置 記憶體的保留與交付 虛擬位址的轉換和分頁表的架構共用記憶體 分頁替換
– 工作集合模式
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虛擬記憶體的配置
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虛擬記憶體位址的轉換
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本地程序呼叫管理程式
各子系統間的訊息傳遞服務– 各個環境子系統、安全管理、網頁服務、網路檔案系統、隨插
即用 採用的技術
– 透過通訊埠的訊息佇列,將少量的訊息由一個行程複製到另一個行程。此種方法一次最多複製 256 個位元組。
– 透過共用記憶段物件傳送大量的訊息,將資料放在共用的段落,以避免大量的複製資料。
– 快速本地程序呼叫 (quick LPC) 透過一個減輕負擔的主機執行緒,一個提供共用記憶區的 64KB 分段物件與一個提供同步機制的事件配對物件 (event-pair object)傳遞資料
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本地程序呼叫示意圖
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環境子系統
MS-DOS 環境 Win16 環境 Win32 環境 POSIX 子系統 OS/2 子系統
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檔案系統
FAT12– 最大僅到 512MB
FAT16– 最大到 4GB
FAT32– 最大可以支援 32GB 的硬碟分割區
HPFS– IBM 位 OS/2 作業系統發展的檔案系統
NTFS– 微軟位 NT 作業系統發展的檔案系統
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跨距磁碟區示意圖
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等量磁碟區示意圖
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鏡射磁碟區示意圖
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同位磁碟區示意圖
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通訊協定
伺服器訊息區段 (server message-block , SMB) – 一種共同網際網路檔案系統 (Common Internet File
System , CIFS) NetBIOS
– 建立網路上兩個邏輯名稱之間的邏輯連結,以及支援SMB 對話時所需的可靠資料傳輸。
NetBEUI– IBM於 1985年發表的 NetBIOS 使用者擴充介面
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通訊協定 ( 續 )
TCP/IP– 目前廣泛使用在網際網路的通訊協定
點對點通道協定 (point-to-point tunneling protocol , PPTP)– 遠端伺服機器可以在傳送的資料內加以編碼,並支援多重通訊協定的虛擬私有網路 (virtual private networks , VPNs) 。
IPX– Novell 的 IPX資料服務,被廣泛的用於 PC 的區域網路上。
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通訊協定 ( 續 )
WebDAV– 網路分散創作暨版本協定是一種以 http為基礎的跨越
網路合作創作協定 AppleTalk
– AppleTalk通訊協定是 Apple公司制定的通訊協定,讓麥金塔電腦之間可以簡單地分享檔案。
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遠端程序呼叫示意圖
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網域
信任關係– 單向 (one-way trust): 若 A信任 B ,但無特別指定 B信任 A ,則 B 不信任 A 。
– 轉移 (transitive trust):轉移信任是雙向的,若 A信任B , B信任 C ,則 A 、 B 、 C彼此互相信任。
– 互相連結 (cross-link trust): 若 A 與 B常常互相連結,每次都要透過標準的信任認證,是非常耗費資源。所以 A 與 B此時可以建立互相連結的信任關係,直接認證另一節點。
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小結
Windows XP 支援多工的作業環境與多種的應用程式執行環境,包括 MS-DOS 、 Win16 、 Win32 與 POSIX 應用程式執行環境。
Windows XP 提供虛擬記憶體、整合式的快取、先佔式多工、國際化與安全的機制,充分利用硬體的特性與新技術,使得 Windows XP 成為個人電腦上一套先進的作業系統。