Arquitectura de Windows NT

La arquitectura de la familia de sistemas operativos de Windows NT se basa en dos capas, ( modo usuario y modo núcleo), con distintos módulos dentro de éstas capas.

La familia de los sistemas operativos Windows NT de Microsoft está constituida por versiones como Windows 10 (10.0), Windows 8.1 (6.3.9600), Windows 8 (6.2.9200), Windows 7 (6.1.7601), Windows Server 2008, Windows Vista (6.0.6002), Windows Server 2003, Windows XP (5.1.2600), Windows 2000 (5.0.3700) y Windows NT. Todos tienen multitarea apropiativa y son sistemas operativos reentrantes que han sido diseñados para trabajar tanto con computadoras con un sólo procesador como computadoras de multiprocesamiento simétrico que en inglés es el Symmetrical Multi Processor o SMP. Para procesar las peticiones de entrada/salida (en inglés Input/Output, I/O) acude a una dirección de paquetes de E/S que utiliza peticiones (IRPs) y E/S asíncrona. A partir de Windows XP, Microsoft comenzó a desarrollar sistemas operativos que soportaban 64-bits. Antes sus sistemas operativos estaban basados en un modelo de 32-bits.

La arquitectura de Windows NT es altamente modular y se basa en dos capas principales:

  • Modo usuario: Cuyos programas y subsistemas están limitados a los recursos del sistema a los que tienen acceso.
  • Modo núcleo: Tiene acceso total a la memoria del sistema y los dispositivos externos. Los núcleos de los sistemas operativos de esta línea son todos conocidos como núcleos híbridos, aunque hay que aclarar que este término está en discusión ya que este núcleo es esencialmente un núcleo monolítico que está estructurado al estilo de un micronúcleo. La arquitectura dentro del modo núcleo se compone de lo siguiente:[1]
  1. Un núcleo híbrido.
  2. Una Capa de Abstracción de Hardware (HAL).
  3. Controladores o drivers.
  4. Executive: Sobre el cual son implementados todos los servicios de alto nivel.

El modo núcleo de la línea de Windows NT está compuesto por subsistemas capaces de pasar peticiones de E/S a los controladores apropiados usando el gestor de E/S. Dos subsistemas crean la capa del modo usuario de Windows 2000: el subsistema de Entorno (ejecuta aplicaciones escritas para distintos tipos de sistemas operativos), y el subsistema Integral (maneja funciones específicas de sistema de parte del subsistema de Entorno). El modo núcleo en Windows 2000 tiene acceso total al hardware y a los recursos del sistema de la computadora. El modo núcleo impide a los servicios del modo usuario y las aplicaciones acceder a áreas críticas del sistema operativo a las que no deberían tener acceso.

El Executive se relaciona con todos los subsistemas del modo usuario. Se ocupa de la entrada/salida, la gestión de objetos, la seguridad y la gestión de procesos. El núcleo se sitúa entre la Capa de Abstracción de Hardware y el Executive para proporcionar sincronización multiprocesador, hilos y programación y envío de interrupciones, y envío de excepciones.

El núcleo también es responsable de la inicialización de los controladores de dispositivos al arrancar. Hay tres niveles de controladores en el modo núcleo: controladores de alto nivel, controladores intermedios y controladores de bajo nivel. El Modelo de controladores de Windows (en inglés Windows Driver Model, WDM) se encuentra en la capa intermedia y fue diseñado principalmente para mantener la compatibilidad en binario y en código fuente entre Windows 98 y Windows 2000. Los controladores de más bajo nivel también son un legado de los controladores de dispositivos de Windows NT que controlan directamente un dispositivo, o pueden ser un bus hardware PnP.

Modo Usuario

El modo usuario está formado por subsistemas que pueden pasar peticiones de E/S a los controladores apropiados del modo núcleo a través del gestor de E/S (que se encuentra en el modo núcleo). Dos subsistemas forman la capa del modo usuario de Windows 2000: el subsistema de Entorno y el subsistema Integral.

El subsistema de entorno fue diseñado para ejecutar aplicaciones escritas para distintos tipos de sistemas operativos. Ninguno de los subsistemas de entorno puede acceder directamente al hardware, y deben solicitar el acceso a los recursos de memoria a través del Gestor de Memoria Virtual que se ejecuta en modo núcleo. Además, las aplicaciones se ejecutan a menor prioridad que los procesos del núcleo. Actualmente hay tres subsistemas de entorno principales: un subsistema Win32, un subsistema OS/2 y un subsistema POSIX.

El subsistema de entorno Win32 puede ejecutar aplicaciones Windows de 32-bits. Contiene la consola además de soporte para ventanas de texto, apagado y manejo de errores graves para todos los demás subsistemas de entorno. También soporta Máquinas Virtuales de DOS (en inglés, Virtual DOS Machine, VDM), lo que permite ejecutar en Windows aplicaciones de MS-DOS y aplicaciones de 16-bits de Windows 3.x ( Win16). Hay una VDM específica que se ejecuta en su propio espacio de memoria y que emula un Intel 80486 ejecutando MS-DOS 5. Los programas Win16, sin embargo, se ejecutan en una VDM Win16. Cada programa, por defecto, se ejecuta en el mismo proceso, así que usa el mismo espacio de direcciones, y el VDM de Win16 proporciona a cada programa su propio hilo de ejecución para ejecutarse. Sin embargo, Windows 2000 permite a los usuarios ejecutar programas Win16 en una VDM de Win16 separada, lo que permite al programa ser una multitarea prioritaria cuando Windows 2000 ejecute el proceso VDM completo, que contiene únicamente una aplicación en ejecución. El subsistema de entorno de OS/2 soporta aplicaciones de 16-bits basadas en caracteres y emula OS/2 1.x, pero no permite ejecutar aplicaciones de 32-bits o con entorno gráfico como se hace en OS/2 2.x y posteriores. El subsistema de entorno de POSIX sólo soporta aplicaciones que cumplan estrictamente el estándard POSIX.1 o los estándards de ISO/ IEC asociados.

El subsistema integral se encarga de funciones específicas del sistema operativo de parte del subsistema de entorno. Se compone de un subsistema de seguridad, un servicio de terminal y un servicio de servidor. El subsistema de seguridad se ocupa de los recibos de seguridad, permite o deniega acceso a las cuentas de usuario basándose en los permisos de los recursos, gestiona las peticiones de comienzo de sesión e inicia la autenticación, y determina qué recursos de sistema necesitan ser auditados por Windows 2000. También se encarga del Directorio Activo (en inglés, Active Directory). El servicio de terminal es una API al redirector de red, que proporciona el acceso a la red a la computadora. El servicio de servidor es una API que permite a la computadora proporcionar servicios de red.

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