Виртуальные машины в Windows
Стандартный режим работы Windows позволял пользователю запустить несколько сеансов DOS. Когда пользователь переключался на такой сеанс, процессор переходил в реальный режим работы и занимался выполнением соответствующей программы MS-DOS. Пока работала программа MS-DOS, все приложения Windows находились в "замороженном" состоянии.
Пользователь мог переключиться снова на одно из приложений Windows, при этом все запущенные ранее сеансы DOS переводились в неактивное состояние, а приложения Windows продолжали работать в псевдо-мультизадачном режиме (с использованием "добровольной" невытесняющей мультизадачности). При переключении на приложение Windows процессор переводился в защищенный режим.
Когда Windows запускается в расширенном режиме, создается одна системная виртуальная машина, в рамках которой работают все приложения Windows. Системная виртуальная машина работает в защищенном режиме. Для каждого запускаемого вновь сеанса DOS создается отдельная виртуальная машина, работающая в режиме виртуального процессора V86.
Каждая виртуальная машина имеет виртуальный процессор, набор регистров и собственное адресное пространство (свою локальную таблицу дескрипторов LDT).
Системная виртуальная машина (в рамках которой работают все приложения Windows), так же имеет свою таблицу LDT, причем только одну. Последнее означает, что все приложения Windows работают в одном адресном пространстве. Это обстоятельство облегчает обмен данными между приложениями, так как можно создать глобальный блок памяти, доступный любому приложению, однако сильно ухудшает защищенность приложений Windows друг от друга. И в самом деле, большинство ошибок в приложениях при своем проявлении приводят к необходимости перезапуска всей системы.
Виртуальные машины MS-DOS лучше защищены друг от друга, так их адресные пространства разделены. Создавая новую виртуальную машину MS-DOS, Windows сначала копирует в ее адресное пространство все драйверы и резидентные программы, загруженные до запуска Windows, а затем копирует туда запускаемую программу (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Структура памяти в виртуальной машине MS-DOS
Если запускается резидентная программа, то она удаляется из памяти при завершении работы данной виртуальной машины. Этот факт удобно использовать для отладки резидентных программ MS-DOS.
Для виртуальной машины MS-DOS эмулируются все необходимые ей прерывания DOS и BIOS, которые доступны в "чистом" MS-DOS. Дополнительно программа, запущенная в виртуальной машине MS-DOS, может использовать функции DPMI (DOS Protected Mode Interface). С помощью функций интерфейса DPMI программа может переключить процессор из режима виртуального процессора V86 в защищенный режим. При этом ей будет доступна вся виртуальная память, имеющаяся в системе.
Интерфейс DPMI был нами описан в 6 томе "Библиотеки системного программиста". Там же был приведен пример программы, переключающей процессор в защищенный режим из режима виртуального процессора V86.
Перед запуском системной виртуальной машины (т. е. перед запуском Windows) в младшую область памяти этой машины копируются драйверы и резидентные программы, загруженные в память до запуска Windows. Приложения Windows размещаются в области старших адресов выше границы 1 Мбайт (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Структура памяти системной виртуальной машины
Существует малоизвестная возможность загрузить резидентную программу MS-DOS только в системную виртуальную машину, не копируя ее в адресные пространства виртуальных машин MS-DOS. Для этого имя такой программы необходимо указать в файле с именем winstart.bat, который запускается перед стартом системной виртуальной машины.
Загруженная таким образом резидентная программа MS-DOS может впоследствии взаимодействовать косвенно или непосредственно с приложениями Windows или виртуальными драйверами.
С учетом всего сказанного выше, нетрудно сделать вывод, что организация взаимодействия и передачи данных между отдельными виртуальными машинами, работающими в различных адресных пространствах - далеко не простая задача. Программы MS-DOS или приложения Windows не могут просто заказать области памяти, доступные всем виртуальным машинам, так как использованная схема адресации памяти полностью исключает такую возможность.
В режиме виртуального процессора V86 программой MS-DOS непосредственно адресуется только первый мегабайт памяти. Это не вызывает затруднений при запуске нескольких виртуальных машин MS-DOS, так как размещение в памяти их адресных пространств выполняется на уровне страниц. Поэтому, хотя программа, работающая в такой виртуальной машине, адресуется к первому мегабайту своего адресного пространства, фактически происходит обращение к старшим адресам общей виртуальной памяти.
При переключении виртуальных машин в процессе мультизадачной работы происходит переключение адресных пространств, не связанное, однако, с копированием образа памяти виртуальной машины в область нижних адресов (как это происходит в стандартном режиме работы Windows). Следовательно, такое переключение выполняется быстро.
Что касается обработки прерываний, то она выполняется всегда в защищенном режиме. Соответствующая таблица прерываний IDT (Interrupt Descriptor Table) создается ядром Windows и никогда не изменяется непосредственно ни программами DOS, ни приложениями Windows.
Когда происходит аппаратное или программное прерывание, управление получает обработчик защищенного режима, расположенный в ядре Windows. В зависимости от номера прерывания и от того, какой виртуальной машиной вызвано программное прерывание, оно отображается либо на соответствующий виртуальный драйвер, либо на обработчик виртуальной машины MS-DOS. В последнем случае процессор переводится в режим виртуального процессора V86.
Часть пресловутого "ядра операционной системы Windows" в расширенном режиме работы загружается из файла win386.exe, который представляет из себя ни что иное, как набор виртуальных драйверов, работающих в нулевом кольце защиты в модели памяти FLAT (которой мы скоро займемся). Одной из важнейших функций win386.exe является запуск виртуальных машин и планирование распределения времени, выделяемого для их работы.
Система планирования состоит из двух компонент - первичного планировщика (primary scheduler) и планировщика времени (time slicer).С помощью приложения Control Panel пользователь может назначить приоритет от 1 до 10000, который учитывается планировщиком времени. Можно установить как фоновый, так и основной приоритеты. Приоритеты можно изменять динамически для любой запущенной виртуальной машины MS-DOS или определить в соответствующем pif-файле. С помощью пиктограммы "Enchanced" приложения Control Panel вы можете также установить фоновый и основной приоритеты для системной виртуальной машины (т. е. одновременно для всех запущенных приложений Windows).
Не существует никакого способа увеличить или уменьшить приоритет отдельного приложения Windows, так как все приложения работают в рамках одной виртуальной машины.
