ARQUITECTURA MICROSOFT

ARQUITECTURA

Con el paso de los años se ha producido una evolución gradual de la estructura y capacidades de los Sistemas Operativos. Sin embargo, recientemente se ha introducido un cierto número de nuevos elementos de diseño en los nuevos Sistemas Operativos y en las nuevas versiones de los Sistemas Operativos existentes. Estos Sistemas Operativos modernos responden a nuevos desarrollos del hardwarey nuevas aplicaciones.

La arquitectura micronúcleo asigna solamente unas pocas funcionesesenciales al núcleo, incluyendo espacios de direcciones, comunicación entre procesos (IPC) y planificación básica. Otros servicios del Sistema Operativo los proporciona procesos, algunas veces llamados servidores, que se ejecutan en modo usuario y que el micronúcleo trata como a cualquier otra aplicación. Este enfoque desconecta el núcleo y el desarrollode servidores. Los servidores pueden estar diseñados para aplicaciones específicas o necesidades del entorno. El enfoque del micronúcleo simplifica la implementación, proporciona flexibilidad y se adapta bien para entornos distribuidos. En esencia, un micronúcleo interactúa de la misma forma con procesos servidores locales y remotos, facilitando la construcción de sistemas distribuidos.

VISION GENERAL DE LA ARQUITECTURA DE WINDOWS

Un Sistema Operativo serio, capaz de competir en el mercado con otros como Unix que ya tienen una posición privilegiada, en cuanto a resultados, debe tener una serie de características que le permitan ganarse ese lugar. Algunas de estas son:

•Que corra sobre múltiples arquitecturas de hardware y plataformas.

•Que sea compatible con aplicaciones hechas en plataformas anteriores, es decir que corrieran la mayoría de las aplicaciones existentes hechas sobre versiones anteriores a la actual, nos referimos en este caso particular a las de 16-bit de MS-DOS y MicrosoftWindows 3.1.

•Reúna los requisitos gubernamentales para POSIX (Portable Operating System Interface for Unix).

•Reúna los requisitos de la industria y del gobierno para la seguridad del Sistema Operativo.

•Sea fácilmente adaptable al mercado global soportando código Unicode.
•Sea un sistema que corra y balancee los procesos de forma paralela en varios procesadores a la vez.
•Sea un Sistema Operativo de memoria virtual.
Uno de los pasos más importantes que revolucionó los Sistemas Operativos de la Microsoft fue el diseño y creación de un Sistema Operativo extensible, portable, fiable, adaptable, robusto, seguro y compatible con sus versiones anteriores (Windows NT).

Y para ello crearon la siguiente arquitectura modular:

La cual está compuesta por una serie de componentes separados donde cada cual es responsable de sus funciones y brindan servicios a otros componentes. Esta arquitectura es del tipo cliente – servidor ya que los programas de aplicación son contemplados por el sistema operativo como si fueran clientes a los que hay que servir, y para lo cual viene equipado con distintas entidades servidoras.

Ya creado este diseño las demás versiones que le sucedieron a Windows NTfueron tomando esta arquitectura como base y le fueron adicionando nuevos componentes.

Uno de las características que Windows comparte con el resto de los Sistemas Operativos avanzados es la división de tareas del Sistema Operativo en múltiples categorías, las cuales están asociadas a los modos actuales soportados por los microprocesadores. Estos modos proporcionan a los programas que corren dentro de ellos diferentes niveles de privilegios para acceder al hardware o a otros programas que están corriendo en el sistema. Windows usa un modo privilegiado (Kernel) y un modo no privilegiado (Usuario).

Uno de los objetivos fundamentales del diseño fue el tener un núcleo tan pequeño como fuera posible, en el que estuvieran integrados módulos que dieran respuesta a aquellas llamadas al sistema que necesariamente se tuvieran que ejecutar en modo privilegiado (modo kernel). El resto de las llamadas se expulsarían del núcleo hacia otras entidades que se ejecutarían en modo no privilegiado (modo usuario), y de esta manera el núcleo resultaría una base compacta, robusta y estable.
El Modo Usuario es un modo menos privilegiado de funcionamiento, sin el acceso directo al hardware. El código que corre en este modo sólo actúa en su propio espacio de dirección. Este usa las APIs (System Application Program Interfaces) para pedir los servicios del sistema.
El Modo Kernel es un modo muy privilegiado de funcionamiento, donde el código tiene el acceso directo a todo el hardware y toda la memoria, incluso a los espacios de dirección de todos los procesos del modo usuario. La parte de WINDOWS que corre en el modo Kernel se llama Ejecutor de Windows, que no es más que un conjunto de servicios disponibles a todos los componentes del Sistema Operativo, donde cada grupode servicios es manipulado por componentes que son totalmente independientes (entre ellos el Núcleo) entre sí y se comunican a través de interfaces bien definidas.


MODO KERNEL

1.1 – CAPA DE ABSTRACCIÓN DE HARDWARE (HAL).

Conocido por sus siglas en inglés HAL (Hardware Abstraction Layer) es una interfaz entre el hardware y el resto del Sistema Operativo, está implementada como una biblioteca de enlace dinámico (dll) y es responsable de proteger el resto del sistema de las especificaciones del hardware, tales como controladores de interrupción e interfaces de entrada/salida. Esta abstracción hace al sistema más portable ya que el resto del sistema no tiene que preocuparse sobre que plataforma está corriendo. Cada plataforma en que el sistema corre necesita un HAL específico. El diseño intenta que cuando Windows sea portado a una nueva arquitectura de procesador, el HAL sea reescrito para el nuevo procesador, pero el resto del sistema simplemente debe ser recompilado.
Aunque la meta de Windows es que todas las llamadas relacionas con el hardware sean a través del HAL, la realidad es que un número pequeño de llamadas de los drivers y del Kernel bordean al HAL e interactúan directamente con el hardware.

1.2 – MICROKERNEL

Es el responsable de todas las acciones que se realizan sobre le sistema y casi todas las funciones del sistema pasan a través de él.

El diseño de este componente asigna muchas de las funciones normalmente asignadas al Kernel en los Sistemas Operativos tradicionales a un grupo de programas llamado Ejecutor de Windows, del cual el microkernel es parte, corre en el modo privilegiado y ambos (el ejecutor y el microkernel) se comunican a través de primitivas del sistema operativo a bajo nivel.
El microkernel está situado en el corazónde Windows, trabaja muy estrechamente con el HAL (Nivel de Abstracción de Hardware), este planifica la ejecución de hilos y manipula las interrupciones y excepciones de procesos. El papel de este es mantener a los procesadores lo mas ocupado posible. En sentido general este se encarga de las funciones más básicas de todo el SO, como son:
•Ejecución de subprocesos.
•Sincronización multiprocesador.
•Manejo de las interrupciones de hardware.

1.3 – EL ADMINISTRADOR DE OBJETOS.

El Administrador de Objetos (Object Manager) es usado para crear, modificar y eliminar objetos ( tipos de datos abstractos que son usados para representar recursos del Sistema Operativo) usados por todos los sistemas que conforman el Ejecutor de Windows. Este también proporciona información sobre el estado de los objetos a todo el Sistema Operativo.

Este también se asegura que los objetos no consuman muchos recursos (por lo regular la memoria), manteniendo cuotas para los diferentes tipos de objetos.
A modo de resumen el Administrador de Objetos se encarga de crear, destruir y gestionar todos los objetos del Ejecutor de Windows.

1.4 – EL EJECUTOR DE WINDOWS.

El Ejecutor de Windows se encarga de las tareas importantes, las que son de vital importancia para el sistema completo, ya que el microkernel está casi siempre demasiado ocupado para dirigirse directamente.
Este componente trabaja estrechamente con el Administrador de Objetos. Cada vez que un usuario intenta acceder a un objeto el Administrador de Objetos crea un manipulador para acceder a este y llama al SRM para determinar el nivel de acceso concedido por el manipulador. El SRM usa información contenida en la ficha de acceso del usuario y lo compara con la lista de control de accesos sobre el objeto para ver si al usuario debe concederse el nivel de acceso pedido. De esta forma el SRM tiene el control de la seguridad de acceso de todos los objetos en el sistema. Una definición clara es que el Ejecutor de Windows provee los fundamentos del sistema operativo que serán suministradas a todas las aplicaciones que corren sobre el sistema. Este incluye servicios como la Administración de Objetos, de Memoria virtual, de Entrada-Salida y de Procesos.

1.5 – EL ADMINISTRADOR DE PROCESOS.

El Administrador de Procesos (Process Manager) es el responsable de crear, quitar y modificar los estados de todos los procesos e hilos. Este también proporciona información sobre el estado de procesos e hilos al resto del sistema.


1.6 – EL ADMINISTRADOR DE MEMORIA VIRTUAL.

El Administrador de Memoria Virtual (Virtual Memory Manager o VMM) proporciona la gestión de memoria virtual del sistema. La memoria virtual es un esquema que permite usar los recursos del disco en lugar de la memoria física del sistema moviendo las páginas al disco cuando estas no están siendo usadas y recuperándolas cuando se les necesitan. Este es un segmento integral de Windows el cual asigna espacios de direcciones de 32 bit a cada proceso sin preocuparse de la cantidad de memoria física del sistema.


1.7 – EL MONITOR DE SEGURIDAD.

El Monitor de Seguridad (Security Reference Monitor o SRM) es el lecho de toda la seguridad dentro del sistema WINDOWS y es el responsable de hacer cumplir todas las políticas de seguridad en la computadora local.

Este componente trabaja conjuntamente con los subsistemas de tiempo de corrida, proceso de conexión al sistema (conocido como logon process) y control de la seguridad local (local security authority). Cuando un usuario intenta conectarse al sistema su identidad es verificada, el subsistema de proceso de conexión pide una ficha de acceso de seguridad (conocido por sus siglas en inglés SAT o security access token) del usuario. El SAT contiene una lista de los privilegios de usuarios y grupos. Este se usa como llave para ese usuario durante la sesión de conexión. Siempre que el usuario quiera hacer algo, el SAT es presentado y usado para determinar si el usuario puede realizar las acciones.


1.8 – EL ADMINISTRADOR DE ENTRADA-SALIDA.

El Administrador de Entrada-Salida (I/O Manager) es responsable de gestionar la comunicación entre los distintos drivers de dispositivo, para lo cual implementa una interfaz bien definida que permite el tratamiento de todos los drivers de una manera homogénea, sin que intervenga el cómo funciona específicamente cada uno. Tiene una serie de subcomponentes que son:

•Driver del Sistema de Archivos: este se encarga de establecer la comunicacióncon los drivers de los Sistemas de Ficheros, ya que el sistema permite la coexistencia de múltiples Sistemas de Archivos en diferentes particiones lógicas de la misma unidad física.
•El servidor y el redirector de red.
•Los drivers de dispositivo del sistema.
•El administrador de caches (Cache Manager): este se encarga de manipular la cache para todo el Sistema de Entrada y Salida.

MODO USUARIO

2.1 – SUBSISTEMAS DE AMBIENTE PROTEGIDO

Dos de los objetivos de WINDOWS son personalidad y compatibilidad. Esto ha sido logrado a través de los subsistemas de ambiente protegido.

La personalidad esencialmente significa que WINDOWS expone múltiples conjuntos de interfaces de programas de aplicación (APIs) y puede actuar eficazmente como si fuera un sistema operativo diferente. WINDOWS viene con una personalidad POSIX y OS/2 además de sus personalidades Win32, Win16 y DOS.
En WINDOWS, hay tres subsistemas de ambiente protegido:
•El subsistema de Win32
•El subsistema de POSIX
•El subsistema de OS/2

2.2 – EL SUBSISTEMA WIN32

La versión 2.0 de Windows PE es un subsistema Win32 mínimo con servicios limitados, basado en el kernel de Windows Vista y que se ejecuta en modo protegido.

Win32 es el subsistema nativo y primario de WINDOWS. Las bases para este subsistema es el conjunto de APIs de Win32. Muchos de estas API son extensiones directas de sus homólogas Win16.
Este subsistema actúa como un servidor para todos los otros subsistemas de ambiente soportados en WINDOWS, los que actúan como clientes y traducen sus llamadas API hacia las API apropiadas de Win32. El subsistema Win32 es responsable de toda la entrada y salida. Este posee el control de la pantalla, el teclado, y el ratón. Cuando otros subsistemas, como OS/2 o POSIX, necesitan beneficiarse de estos dispositivos, ellos piden los servicios al subsistema de Win32.


2.3 – EL SUBSISTEMA POSIX.

Microsoft prestó mucha atención a los diferentes estándares de sistemas abiertos cuando Windows NT estaba en vía de desarrollo. Ellos reconocieron el valor de soportar sistemas abiertos como un método para ganar aceptación de su nuevo sistema operativo avanzado dentro del mercado.

Uno de los estándares más frecuentemente citados soportados por Windows es el POSIX (Interfaz de Sistema operativo Portable Basado en Unix), el cual representa la interfaz del Sistema Operativo portable y fue desarrollado por el IEEE (Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica) como un método de proporcionar portabilidad a las aplicaciones hechas sobre plataformas UNIX. No obstante, POSIX se ha integrado en muchos sistemas no UNIX.

2.4 – EL SUBSISTEMA OS/2.

El subsistema de OS/2 está implementado como un subsistema de ambiente protegido, parecido al subsistema POSIX. Este traduce las llamadas API de OS/2 en llamadas a APIs de Win32 que son servidas por el subsistema de Win32.

El subsistema y sus aplicaciones corren en su propio espacio de memoria protegido de 32 bits y constituyen multitarea preventiva unas respecto a otras y respecto a otras aplicaciones que corren en el sistema.