Arquitetura do Windows NT

Arquitetura do Windows NT

• O Windows NT é uma família de sistemas operativos que começou a ser desenvolvida pela Microsoft em 1993.
• O Windows NT é uma arquitetura modular e organizada em camadas, o que facilita a portabilidade entre diferentes plataformas e aumenta a segurança e estabilidade.
• Os principais componentes do sistema operativo Windows NT são o modo utilizador e o modo kernel.

Modo Utilizador

• O modo utilizador é a camada onde as aplicações e alguns serviços do sistema operativo são executados.
• O modo utilizador é dividido em várias partes, incluindo:
  • Subsistemas de ambiente: Diferentes subsistemas que permitem compatibilidade com diferentes APIs e modelos de desenvolvimento, como o Windows API, POSIX e OS/2.
  • Subsistema de segurança: Gere a autenticação e permissões de acesso aos recursos do sistema através de entidades como o Local Security Authority (LSA) e o Security Reference Monitor (SRM).
  • Processos e threads: No modo utilizador, as aplicações são executadas em processos, que por sua vez podem ter um ou mais threads. Cada processo tem o seu próprio espaço de endereços, isolado dos outros processos, o que protege o sistema contra falhas de memória em cascata.

Modo Kernel

• O modo kernel tem acesso direto ao hardware e controla as operações críticas do sistema operativo.
• O kernel é o núcleo do sistema operativo e é dividido em vários componentes:
  • Kernel Executivo: Fornece serviços essenciais e gere os recursos do sistema. Inclui:
    • Gestor de processos: Gere a criação, inicialização e terminação de processos e threads.
    • Gestor de memória: Gere a alocação e libertação de memória para processos.
    • Gestor de entrada/saída (I/O Manager): Gerencia as comunicações com dispositivos de entrada/saída.
    • Gestor de objetos: Gerencia os objetos do sistema, como ficheiros, diretórios e outros recursos.
    • Gestor de ficheiros: Gerencia as operações de leitura, escrita e acesso a ficheiros e diretórios.
  • Kernel Núcleo (Microkernel): Responsável por tarefas como gestão de interrupções, escalonamento de threads, sincronização e operações de baixo nível.
  • Escalonador (Scheduler): Atribui tempo de CPU aos diferentes threads, utilizando um modelo de prioridade.
  • Gestão de interrupções (Interrupt Management): Lida com interrupções de hardware e garante que o sistema responde rápida e eficazmente a eventos como cliques do rato ou sinais de dispositivos.
  • Hardware Abstraction Layer (HAL): Abstrai as interações diretas com o hardware. Permite a portabilidade do Windows NT para diferentes arquiteturas de hardware, ocultando as diferenças entre as plataformas.

Interação entre Aplicações: LPC

• O LPC (Local Procedure Call) é um mecanismo de comunicação interprocessual (IPC) que permite a troca de mensagens entre processos no mesmo sistema.
• O LPC funciona através de um modelo cliente-servidor:
  • O servidor cria uma porta de comunicação.
  • O cliente conecta-se à porta para criar uma nova porta de comunicação para a troca de mensagens.
• O LPC suporta dois tipos de mensagens: mensagens curtas, que podem ser transmitidas diretamente através das portas, e mensagens grandes, para as quais é utilizada uma memória compartilhada ou outros mecanismos.
• O LPC oferece dois tipos de comunicação: síncrona, no qual o cliente espera pela resposta do servidor, e assíncrona, no qual o cliente continua a execução sem esperar pela resposta.
• O sistema gere a fila de mensagens trocadas entre o cliente e o servidor, garantindo a organização e a resposta esperada.

Escalonador

• O escalonador do Windows NT é preemptivo, atribuindo prioridade às threads com base em duas classes: tempo real e variável.
• Cada classe possui 16 níveis de prioridades, sendo que as threads de tempo real têm prioridade sobre as threads da classe variável.
• Todas as threads prontas para execução são mantidas em filas de acordo com a sua prioridade, dentro das classes.
• A atribuição das prioridades é diferente para cada classe. As threads de tempo real mantêm uma prioridade fixa durante a criação e permanecem na respectiva fila, enquanto que as threads da classe variável podem migrar entre as filas de prioridades.
• As threads da classe variável têm a sua prioridade determinada por dois parâmetros: um vinculado à própria thread e outro ao processo a que pertence.
• Quando uma thread é interrompida porque o seu tempo alocado (quantum) é consumido, o escalonador reduz a sua prioridade. Caso contrário, a prioridade da thread é aumentada.

Gestão de Memória

• O Windows NT implementa um modelo de memória virtual baseado num espaço linear de 32 bits, que permite que cada processo tenha a ilusão de dispor de um espaço de endereçamento de memória contínuo e privado, independentemente da quantidade de RAM física disponível.
• O espaço de endereçamento virtual é dividido entre o processo do utilizador (parte inferior) e o sistema operativo (parte superior), mas é possível atribuir 3 GB ao processo do utilizador and 1 GB ao sistema operativo.
• O modelo VLM (Very Large Memory) foi previsto para processadores de 64 bits, permitindo a alocação de até 28 GB de memória adicional.
• A alocação de memória é realizada em duas fases: primeiro, o processo reserva um certo número de páginas da memória virtual; em seguida, as páginas pré-alocadas são mapeadas a áreas efetivas de armazenamento à medida que o processo necessita de memória.
• As páginas podem ter três estados: livre (não utilizadas pelo processo), reservadas (alocadas a um processo mas não mapeadas no disco físico) e dedicadas (já mapeadas).
• O algoritmo de paginação é baseado por pedido com clustering. Ele carrega a página em falta, assim como algumas outras antes e depois desta, minimizando o número de acessos ao disco.