Window Server 经过多年的发展已经从最初功能十分有限的 32 位操作系统演化成了现在 的界面友好、管理方便、功能强大的操作系统家族，它之所以有这样大的发展，除了微软强 大的商业推动力量之外，Windows Server 本身的技术因素也是重要的原因，尤其是它自身的体 系结构所具有的可扩充性、可执行性、健壮性、兼容性和高效性，正是这些特性让 Windows Server 2003 不断得以进步。
1.5.1 Windows Server 2003 结构纵览
在讨论 Windows Server 2003 结构时，有两个词需要牢记：模块化和客户/服务器。
模块的意思是它内部分成许多小而独立的单元，每个单元的任务明确，定义清晰，模块 化是计算机编程追求的目标之一，操作系统也不例外。模块化代码更易于维护，因为它意图 清楚，并且整个代码段可被取代，而对要调用它的所有其他子程序不产生影响。
模块设计的概念与早期操作系统用到的分立设计方法相反。在分立设计中，操作系统运 行在特许处理器模式下，代码块提供多个功能，但缺乏清晰分工，这样虽然可以取得更小、
更紧凑的代码，但整个系统可移植性变差。
当人们听说 Windows Server 2003 是客户/服务器方式的操作系统时，他们通常认为这是指 Windows Server 2003 可用于客户/服务器数据库，或可用作网络系统。尽管 Windows Server 2003 是当作这种应用的明智选择，但从 Windows Server 2003 的结构来看，则并不确切，真正的含 义是指 Windows Server 2003 内部的各部分是以客户/服务器方式来进行通信的。说的更为规范 些，是指 Windows Server 2003 的模块成员是按照客户/服务器方式来设计开发的，如图 1-7 所 示。当其中某一个小块代码有需求时，它是作为客户的；而能满足该需求的代码则是服务器。
譬如要求在屏幕上画一幅图的用户程序就是个客户，它利用定义明确的消息向另一段代码发 出请求（在本例中可能是指 Win32 子系统）要求画图，此时 Win32 子系统就是服务器——这
样构成了客户/服务器。
图 1-7 客户/服务器操作系统的设计方案
1.5.2 用户模式与内核模式的比较
Windows Server 2003 与当今先进的操作系统一样，采用将操作系统任务多级化的处理方 案，这一点是和微处理器支持的实际模式相联系的。现在大多数微处理器支持的多重模式（有 时称为环）程序就在其间运行。这些模式给运行在其中的程序不同级别的特许权访问硬件，
并让其他一些程序在系统中运行。Windows Server 2003 采用特许模式和非特许模式，即通常 所说的内核模式和用户模式。运行在内核模式下的程序可直接访问硬件和系统中的软件资源。
在 Windows Server 2003 中只有操作系统的关键片段才允许在内核模式下运行，这样做是为了 保证系统的安全性和可靠性。Windows Server 2003 的内核包括微内核、硬件抽象层及设备驱 动程序，是 Windows Server 2003 中惟一能在微处理器特许内核模式下运行的部件。
所有不运行在内核模式下的程序都运行在用户模式下。大部分 Windows Server 2003 代码 以用户模式运行，包括环境子系统（如 Win32 子系统和 POSIX 子系统）和所有用户应用程序。
这些程序只能访问它们自己的 32 位地址和与系统其他部分的接口。这一切都是通过客户/服务 器实现的，这将在以后介绍。
对于 Windows Server 2003，设计者尽可能地使操作系统运行在用户模式下，这样有助于 确保系统可靠性和安全性。与此同时，当他们需要对基本部件修改时，也会变得简单。
1.5.3 Windows Server 2003 结构部件
为理解 Windows Server 2003 如何运行，以及为何如此运行，观察一下操作系统不同成分 及其接口是十分重要的。如今已对 Windows Server 2003 有了一些了解，让我们在深入一层进 行了解。图 1-8 显示了 Windows Server 2003 中各关键层及其逻辑联系。
Windows Server 2003 结构中的 4 个重要组成部分是：硬件抽象层（HAL）、微内核、Windows Server 2003 执行体、环境子系统。模块中的每一部分各司其职，Windows Server 2003 也就借此运行。
1.5.3.1 硬件抽象层
硬件抽象层（HAL）是硬件与操作系统其余部分的一个软件接口，它通过动态链接库
（DLL）实现，并负责屏蔽掉硬件特征对 Windows Server 2003 其余部分的影响，如中断控制 客户应用
程序
显示 内存和 I/O
管理 文件系统 网络
内核
用户模式 内核模式
和 I/O 接口。这种抽象使 Windows Server 2003 更易于移植，因为此时操作系统其余部分不必 再关心它所处的硬件平台是什么了。每个运行 Windows Server 2003 的硬件平台要有一特定的 HAL。这样设计的好处是，当 Windows Server 2003 移植到一种新型处理器结构上时，只需重 新为该新型处理器编写 HAL，而其余部分不需进行重新编译。这使 Windows Server 2003 的移 植极为容易。
图 1-8 Windows Server 2003 中各关键层及其逻辑联系
HAL 还提供了对称多处理（SMP）接口。Windows Server 2003 为每种处理器结构（Intel、
MIPS、Power PC 和 Alpha）都提供了两种 HAL，第 1 种 HAL 用于支持单个处理器；而第 2 种 HAL 用于支持多达 4 个处理器。硬件销售商还可提供其他的 HAL，实现对 Windows Server 2003 多达 32 个处理器的支持。
对计算机中每个实际的处理器，HAL 提供给微内核一个虚拟处理器，借此将处理器所有 的特殊特征隐藏起来，从而使得各个处理器对操作系统来说并无区别。举例来说，如果有两 套多处理器系统，其中之一是用 Intel Pentium 处理器；另一套是用 DEC Alpha AXP 处理器，
虽然每套系统上的 HAL 可能不同，但 HAL 提供给微内核的虚拟处理器则是完全一样的。在 SMP 系统中，HAL 为每个物理处理器向微内核提供一个虚拟处理器，再由微内核将其等效为 有 3 个处理器的 Intel Pentium 系统。
尽管 HAL 尽量减少硬件依赖性而提高 Windows Server 2003 的可移植性，事实上并不那么 简单! Windows Server 2003 设计师们将其对硬件依赖性降至最低这一努力，在将 TVT 移植到 新的平台所需的时间与精力已大为减少。（注：在 Windows Server 2003 最初开发阶段，所有初 始代码是按 Intel 的 I860 RISC 芯片而写的。然而由于 Intel 对该芯片支持减小，及其开发过程
硬件
硬件抽象层（HAL）
微内核 设备驱动程序 执行体
用户应用程序
Win32 子系统
Win32 子系统 OS/2 子系统
用户模式 内核模式
图形引擎
中遇到的设计问题而放弃了该芯片，而将开发重新转移到 MIPS 芯片。这也是 Windows Server 2003 操作系统良好移植性的有力证明）。
HAL 只能由 Server 2003 执行体直接访问，而用户程序永远无法直接进行调用。同时 HAL 也是 Windows Server 2003 系统中惟一被允许直接与硬件打交道的软件。这样做的好处是破坏 性程序无法向硬件进行有意或无意的信息写入，从而避免了系统冲突；同时禁止直接从硬件 读取信息，将有助于支持 Windows Server 2003 的安全模式。
尽管 Windows Server 2003 的目标是让所有的与硬件有关的调用都通过 HAL，但事实是少 量的设备驱动程序和内核调用绕过了 HAL，而直接与硬件打交道。
HAL 模式最大的副作用是导致 Windows Server 2003 与原有 DOS 和 Windows 版本的程序 不兼容，因为这些程序直接对硬件进行读写。但这种不兼容性只是 HAL 在为我们带来安全性 和易移植性的同时所收取的微小代价罢了。
1.5.3.2 微内核
Windows Server 2003 微内核（简称内核）的权力无边。内核负责处理系统的所有操作，
而且几乎是所有的系统功能都要经过内核。内核主要提供下列功能:线程安排和调度；陷井处 理和异常调度；中断处理和调度；多处理机同步；供执行体使用的基本内核对象（在某些情 况下可以导出到用户态）。
Windows Server 2003 的内核始终运行在核心态，代码短小紧凑，可移植性也很好。一般 来说，除了中断服务例程，正在运行的线程是不能抢先内核的。Windows Server 2003 的微内 核的本质意思是执行某个功能时所必须要的内核。（注：请勿混淆内核（或微内核）和内核模 式。尽管它们是有联系的，但不是同一回事儿。内核是指各个独立的代码片段，这些代码片 段组成操作系统的核心。内核模式是指处理器支持一种特许操作状态。在 Windows Server 2003 中，微内核运行在内核模式下）。
Windows Server 2003 中的微内核设计将许多操作分派给执行体，除了执行线程调度外，
几乎将所有的策略制定都留给了执行体。在内核以外的系统组件，处理它们的资源分配、安 全认证等都要执行体付出不可忽略的策略开销。为了降低这种开销，内核提供了一组严格定 义的、可预测的、使操作系统得以工作的基础设施，这为执行体的高级组件提供了必需的低 级功能接口。这一点充分体现了 Windows Server 2003 将策略与机制分离的设计思想。
内核通过一组被称作“内核对象”的简单对象帮助控制、处理并支持执行体对象的创建。
大多数执行体级别的对象都封装了一个或多个内核对象。如，一个称作“控制对象”的内核 对象集合为控制各种操作系统功能建立了语义。这个对象集合包括内核进程对象、异步过程 调用对象、延迟过程调用对象和几个由 I/O 系统使用的对象（如中断对象）。再如，另一个称 作“调度程序对象”的内核对象集合负责同步操作并影响线程调度。调度程序对象包括内核 线程、互斥体、事件、内核事件对、信号量、定时器和可等待定时器。执行体使用内核函数 创建内核对象的实例，使用它们构造更复杂的对象提供给用户态。
另外内核还处理处理器异常现象。当要求处理器进行某些不允许的操作，如向内存锁定 区写入或被 0 除时，就会产生异常。Windows Server 2003 内核的最后一个用处是支持掉电恢 复。如果 Windows Server 2003 系统装备了智能型不间断电源（UPS），则当电源掉电时，内核
另外内核还处理处理器异常现象。当要求处理器进行某些不允许的操作，如向内存锁定 区写入或被 0 除时，就会产生异常。Windows Server 2003 内核的最后一个用处是支持掉电恢 复。如果 Windows Server 2003 系统装备了智能型不间断电源（UPS），则当电源掉电时，内核