Win 1.0 到 Win 7 Windows 操作系统二十六年-2

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Win7之家:微软对Windows 7的多核心处理能力进行优化改进

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双核,四核和多核处理器在现在已经不是什么新鲜的名词了,但是各种软件和系统对于多核心处理器的支持依然不够完善.不过在下一个版本的Windows系统平台中,多核心的支持肯定会更加完善,微软首席战略官Craig
Mundie最近讨论了这一话题.


他认为,Win32从来就没有被设计为一个设计高度并行,异步处理的系统,但他承认需要调节各个级别堆栈中不同任务,不同层次的平衡,这一改进将在下一个版本的Windows中体现出来.这意味着Windows
7的多核心计算和优化分配能力将更强,Windows
7作为一个桌面系统将对8个或者更多CPU处理器的核心做好准备.

在 1988 年开始,微软在研发 Windows 2.0
的时候,同时也在寻找新的道路,盖茨一直渴望研发一个可以运行在大多数处理器上,并具有
Unix 系统上的多种强大功能的、运行在 PC
机上的全新的操作系统。这或许是对比 Unix 和 Windows
下得到的结果的影响。盖茨对 Unix 和 Windows
都很了解,盖茨曾开发过一个叫做 Xenix 的 Unix 操作系统。

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IBM OS/2 2.0,1992年

在1988年10月31日,比尔·盖茨做了一个现在来看非常重要的决定:雇用一群以David
Cutler为首的来自DEC的员工,Cutler领导开发了DEC
VMS系统。很快他们加入了和IBM合作的OS/2 2.0开发,OS/2
2.0是一个纯32位的操作系统,它大概就是盖茨梦想中的强大的高端桌面操作系统,而Windows
2.0/3.0则算是低端的桌面操作系统。然而后来在开发方向上的分歧,最后两家终于分道扬镳。

合作决裂之前,微软本来负责OS/2
3.0的开发,在决裂之后,这些来自原DEC的人马开始专心制作盖茨梦想中的操作系统,新的操作系统部分基于OS/2
3.0,同时还带有DEC VMS的因素,这个操作系统被命名为Windows NT,NT就是New
Technology新技术的意思。从现在来看,在名字中出现New这个单词不算是一个好主意,因为新旧总是相对的,昔日的新到了现代就很难称之为新。因此现在沿袭Windows
NT架构的系统都已经不再使用Windows NT这个名字,而是千奇百怪,无所不有。

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Microsoft Windows NT 3.1,1993年,一直到现在,发展了16年

为此什么称之为NT呢?Windows
NT采用了全新的设计思想,这牵涉到操作系统内核上的理念。在80年代前,主流的操作系统,要么是属于原始的没有内核的产品,要么属于单内核产品,到了80年代,学术界开始流行一种微内核的风潮,出现了如Mach(1985年)这样的经典微内核操作系统。典型的单内核系统则有各种Unix和类Unix。

在一个分层设计的操作系统中,为其他组件提供最基本的系统功能的部件就叫做内核。单内核就是单个大的进程映像中集成了操作系统中所有基础功能,而微内核就是在内核中仅集成了经过挑选的、基本的功能,其它的操作系统功能构建在其上——用户应用程序再构建其上。微内核的设计可以让系统变得更模块化,带来可移植性和新功能开发上的好处,此外操作系统层次更明晰,维护也会更加方便。

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微内核架构:Windows NT架构图,适合3.1~3.51版本

新葡萄京官网,谈到了内核之后,必须介绍一下特权等级(Privilege Level)和双模式(Dual
Mode)的概念,操作系统必须安全地在多个程序间共享资源。资源不能让应用程序随意访问而必须由操作系统进行管理,它需要具有特殊的权限,因此在一些处理器上,设计了多种指令等级,不同的等级可以运行的指令并不相同。在80386处理器上,除了以前提到的各种改变之外,还有一个重要的改进就是在保护模式下引进了特权等级的概念:一共四个,从Ring
0到Ring 3,特权依次下降。Ring
0是被用于运行操作系统最核心的部分:内核,Ring 1和Ring
2用于不那么关键的部分:操作系统服务,Ring
3则用于应用程序。然而实际上很多当时的RISC处理器都只有两个特权等级,所以大多数操作系统包括Windows
NT都只使用了两个等级,即Ring 0和Ring 3,如下图所示。

Windows
NT之前的Windows由于并不支持这个设计,任意程序都可以直接操作硬件并破坏其它软件,系统十分脆弱。运行在两种特权等级下的系统模型就叫做双模式(Dual
Mode),分别是用户模式(User Mode)和监察者模式(Monitor
Mode)或者系统模式(System Mode ),后者通常叫做核心模式(Kernel
Mode)。基于种种强大的特性,很多比较高级的操作系统都构建在386之上。


Ring 0~Ring 3:80386处理器引入的四层特权等级架构

特权模式也让真正的多任务功能成为了可能:处理器的定时器每隔一段时间就会产生一个中断,操作系统内核通过管理这个中断来获得不断的对系统的控制权,并根据特定的策略来调度多个程序的执行。Windows
NT实现了基于优先级的抢先式多任务,操作系统可以随时中断其它程序的运行;而Windows
1.x/2.x/3.x只能实现协同多任务,也就是说一个程序愿意放出控制权的时候,其他程序才能继续执行,操作系统也一样。微内核设计给Windows
NT带来了更好的灵活性和健壮性。

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Windows NT 3.1的界面和Windows 3.x的界面很相像

基于可移植性和健壮性的要求,Windows
NT还引入了新的内核模式驱动程序体系,它在实际的硬件上放加入了一层叫做硬件抽象层(Hardware
Abstraction
Layer)的东西,或许它也可以认为是内核的一部分,这取决于你怎么定义。硬件抽象层建立在驱动程序和实际的硬件之间,为驱动程序隐藏了硬件的不同,这样就可以编制出跨处理器(比如Intel
x86和DEC Alpha、IBM
PowerPC等)、源代码兼容的设备驱动程序,每一种硬件体系都有着不同的HAL版本,这部分需要针对不同的架构针对编写。这些依赖于具体硬件的部分使用了汇编语言来编写。在硬件抽象层之上,就是设备无关的部分了,在不同的体系之间进行移植至需要重新编译。

总的来说,Windows
NT是一个全新的、基于微内核的、模块化分层的纯32位操作系统,符合了盖茨当年的想法:强大、健壮,可移植,功能齐全。Windows
NT很快获得了学术界的认可。

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Microsoft Windows NT Advanced Server 3.1,1993年

Windows NT发布后的第二年,微软发布了开发代号为Daytona的Windows NT
3.5,从这个版本开始,微软把NT操作系统分为了工作站版本和服务器版本,它们在系统服务上有些不同,同时,内核的任务调度策略选择上也有不同的倾向。Windows
NT 3.5包括了新的开机画面和类似于Windows for Workgroups
3.x的用户界面,以及改进的OLE (对象链接环境) 技术。Windows
NT实质上是一个基于对象的操作系统,在内核内部,资源都按照Object对象为单位进行管理,管理对象的凭据叫做Handle句柄。Windows
NT部分代码采用了C++,由于性能方面的考虑,大部分代码仍然使用了C。设备相关以及性能关键的部分则是汇编。

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Windows NT Server 3.5,1994年

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Windows NT Workstation 3.5,1994年

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Microsoft Windows NT Server 3.51,1995年

微内核设计一切都很好,但是有一个主要的问题:性能,第一代微内核设计如Mach等都有这个问题,因此Windows
NT一统江山的时候还没能到来,微软在Windows
3.x的基础上继续开发,实际上,在开发Windows
NT的时候,微软就在酝酿着两条操作系统线的融合,首先是API,微软希望它能成为未来操作系统的基础:

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Win32 API,1991年1月

  显然Win32 API是一个32位的API,作为16位操作系统Windows
x.x的替代。Windows NT就使用了这个API并替代了之前计划中的OS/2
API。最初的Windows
NT面向服务器和工作站市场,在桌面系统上,微软希望能有一款不再依赖于MS-DOS、同样基于Win32
API的32位操作系统,于是代号为”Chicago” (芝加哥)
的操作系统被提上了开发日程,这就是后来的Windows 95:

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Microsoft Windows 95,1995年

1995年8月24日,Windows
95正式发行,这是一个里程碑式的作品,也是第一个以年份来命名的Windows,正式的版本号是4.0。为了实现对以往的兼容,Windows
95是一个16位/32位代码混合的单内核操作系统,大量的组件和新概念在Windows
95中被引入,如开始菜单和任务栏这样等。Windows
95还同样实现了抢占式多任务和多线程技术,虽然在16位程序仍然基于协同多任务调度。Windows
95还支持即插即用(Plug and
Play)技术和更丰富的多媒体程序,系统最低必须提供640×480分辨率和256色的支持。Windows
95迅速成为了一个流行的游戏/多媒体平台。

95年年底,微软发布了Windows 95 Service Release 1,第二年又推出了Windows
95 OEM Service Release 2(Windows 95 OSR2)
,开始正式支持FAT32文件系统,并开始捆绑Internet
Explorer,这个举动引起了互联网浏览器格局的变迁。Windows 95
OSR2还开始集成了Direct X
2.0,这个API在图形界面上将会变得越来越重要。由于Windows 95
OSR2的重要性,人们叫它为Windows 97。

在Windows 95获得了巨大的成功的同时,微软还在不停地改进Windows
NT,作为一个以GUI为根本的操作系统,图形性能是基础。在通常情况下,微内核的性能比单内核性能要低,因为单内核通过系统调用而微内核通过消息传递。虽然Windows
NT发布的时候采用了特别的方式改进了图形性能,如优化的消息传递协议LPC(Local
Procedure Call,本地过程调用,用来和RPC对应),并且还从中特别创造了Quick
LPC,通过事件对(Event Pair)这个特别的结构来加速CSR
subsystem(Win32子系统)的图形操作。然而微软感到还未足够,到了1996年发布的Windows
NT 4.0,微软将图形相关的部分从用户层放入了内核层:

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Windows NT 4.0架构图,带颜色的部分在之前的版本中原本属于CSR
subsystem的一部分;Windows NT 4.0之前,驱动程序也有一部分在用户层

在Windows NT系统中,所有的图形界面操作都和Win32子系统(上图是CSR
subsystem)相关,系统通过调用Win32子系统的GDI(Graphics Device
Interface,图形设备接口)API,然后GDI部件调用显卡驱动来实现图形操作,后一种调用比前一个调用频繁的多,因为一个简单的GDI命令需要和显卡驱动进行频繁的交流来完成。在Windows
NT 4.0之前,GDI和搭配的USER、WIndows管理器都在CSR
subsytem进程中,也就是在用户层,因此图形操作会需要频繁地在用户态和核心态之间切换,引起很多的系统开销。而在Windows
NT 4.0中,只有数量相对较少的GDI
API调用会导致用户态和核心态之间切换,因此图形性能得到了很明显的改进。如PowerPoint的性能就提升了15%-20%。在“便宜”的高端工作站上,Windows
NT 4.0开始和Unix竞争。

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Microsoft Windows NT Server 4.0,1996年

1996年6月29日,Windows NT 4.0正式发布,它看起来和Windows
95很像,同样集成了DirectX
2.0,并增加了许多服务应用程序,如以后越来越重要的微软Web服务器:IIS
(Internet Information Services,因特网信息服务) 工具。

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Microsoft Windows NT Workstation 4.0,1996年

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1995年发布的Intel Pentium
Pro高能奔腾处理器,根据当时的测试表明,混合16位和32位代码的Windows
95在Pentium Pro平台上运行不佳,而运行纯32位的Windows
NT正好,表现非常强劲

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Windows NT 4.0 & IE 2.0

在Windows 95和Windows NT
4.0各自取得成功之后,微软开始考虑两条产品线融合的问题,这个要首先解决驱动的问题:Windows
9x系列使用的是VxD驱动模型,而Windows NT使用的是独特的Windows Driver
Model,或WDM,在更早的技术文档中也曾用过Win32 Driver Model这个名字。

1998年6月25日,微软推出了Windows 95的接班人Windows
98,它开始支持WDM驱动模型。Windows 98原开发代号为 “Memphis”
(孟菲斯),版本号是4.10.1998。Windows 98开始集成了Internet
Explorer(IE4.0)并因此惹上了官司……Windows 98还开始集成快速启动栏(Quick
Launch Bar)作为重要的界面元素,总的来说,Windows 98较Windows
95方便易用,并且增加了大量驱动程序并对系统代码进行了大量的完善,随后1999年6月10日发行的Windows
98 SE (Second Edition,第二版)更是号称最稳定的Windows
9x系统。笔者也使用了好长一段时间。

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Microsoft Windows 98,1998年

Windows 98 SE包括了一系列的更新,如Internet Explorer 5、Windows
NetMeeting 3、Internet连接共享、对DVD-ROM和对USB的支持,以及DirectX 6.1
API,使得Windows系统成为了绝佳的游戏平台。

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其时流行多媒体,1997年,Intel推出MMX技术提升了PC的多媒体体验 

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Windows 98界面

  在Windows 98 SE发布、推出的时候,长寿的Windows NT
4.0仍然在不停进行Service Pack升级之中,同时Windows NT
5.0也已经在进行开发(笔者使用过其测试版),不过由于一些非技术性的因素,向Windows
NT统一的大业仍未能完成,因此在2000年,微软分别放出了两个操作系统系列的继任版,Windows
98 SE的升级版本就是Windows Millennium
Edition(Windows千禧版),简称Windows
Me,发行日期是2000年9月14日,从4.9的系统版本号可以看出Windows
9x内核的命运。

  和Windows 9x系列一样,Windows
Me的定位是家庭娱乐,主要升级了一些常用软件如Internet Explorer
5.5和Windows Media Player 7.0,同时还加入了System
Restore系统还原技术。Windows
Me还有一个比较重要的变化是去掉了实模式的DOS。从Windows
95开始实际上Windows
9x系列就已经不再需要DOS——只不过在启动的时候用到,并且通过提供实模式DOS来提供更好的兼容性。Windows
Me彻底摆脱了这个包袱,不过实际上……实模式DOS在维护时仍然很重要,因此这时出现了将实模式DOS加回去的方法。

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Microsoft Windows Millennium Edition,2000年

  在Windows Me发布的稍候,Windows NT
5.0版本发布了,不过其名字被改为了Windows 2000,从原定的Windows NT
5.0统一操作系统产品线可以看出它的重要性。Windows
2000于2000年2月17日正式推出,针对不同的用户群体共发布了4个版本:
Professional(专业版)、Server(服务器版)、Advanced
Server(高级服务器版)以及Datacenter
Server(数据中心服务器版)。其中,专业版其实定位和以前的工作站(Workstation)版本很接近,同时更靠近桌面应用,Windows
2000在Alpha测试时曾经还有一个代号Neptune的家庭版本,不过最终没有推出。Windows
2000带来了很多的新特性,如新的NTFS
5.0文件系统、EFS文件加密系统、分布式文件系统、Active
Directory活动目录等。重要的系统管理工具MMC管理控制台也被引入。Direct
X也被重写以适应Windows NT内核,从而使Windows
2000也成为了一个不错的游戏平台。

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Microsoft Windows 2000,2000年

在Windows Me算是还过得去的终结之后,Windows 9x单内核设计寿终,Windows
NT微内核架构终于统一了微软的操作系统设计,并带来了家用版NT架构Windows:Windows
XP,这是迄今为止最畅销的Windows操作系统。

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Microsoft Windows XP Professional,2001年

  Windows
XP于2001年8月24日正式发布,XP的意思是eXPerience(体验)的意思。Windows
XP的版本号是5.1(Windows NT
5.1),内核没什么大变动,不过界面比起Windows 2000来有了很大的变化,更适合家庭用户,Windows
XP继承并升级了Windows Me中的很多组件,如Media Player、Movie
Maker、Windows Messenger、帮助中心、系统还原等等,以及IE的升级版本IE
6.0和一个简单的Windows防火墙。在集中精力到同一个架构之后,微软以及IHV们有足够的精力为系统编写硬件驱动,因此Windows
XP发布时集成了大量的硬件驱动程序,使得其兼容性有了明显的进步。 

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Windows XP SP2,启动界面上Windows XP下方的字样被去掉了

  Windows XP是一个长命的版本,直到2009年的现在Windows
7出现之后仍然有不少用户坚持使用XP。XP最初只发行了两个版本:Professional专业版和Home
Edition家庭版,后来又相继推出了Media Center Edition媒体中心版、Tablet PC
Edition平板电脑版、Embedded嵌入版、Starter
Edition入门版以及为低端PC定制的Fundamentals for Legacy
PCs精简版等。此外,为了配合Intel Itanium 64位处理器,Windows
XP还有一个特别的64-Bit Edition,专门为Itanium安腾平台设计。

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Microsoft Windows XP 64-Bit Edition,2003年

  虽然统一使用了同样的Windows
NT架构,并把工作站版本的定位拿了过去,不过服务器版本仍然是一个单独的代码树,并最终形成了一个新的版本:Windows
Server 2003,虽然是对应Windows XP的服务端版本(Windows
XP被定位成一个Client客户端版本),不过它们的区别是挺大的。 Windows
Server 2003早期开发代号为Whistler Server,后来曾一度被改名为Windows .NET
Server(为了符合.NET Framework、Visual Studio .Net等一系列计划)。

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Microsoft Windows Server 2003,2003年

  Windows Server 2003于2003年3月28日问世,版本号为5.2。Windows Server
2003对Windows
2000中的各种部件作了较大的改进,功能和稳定性都有着实质性的飞跃。2005年,微软又推出了Windows
Server 2003 R2,包含了较多的功能升级。Windows Server 2003
R2也是我们IT168评测中心进行服务器评测时经常使用的一个操作系统之一。 

  在2005年,AMD推出了AMD64技术,走在了Intel的前面,为了配合硬件的发展,Windows
XP Professional x64
Edition版本出现了,x64专门指非IA64架构的AMD64和EM64T技术,实际上,这个系统就是Windows
Server 2003 x64 SP1,它们基于相同的代码树,因为推出的时候Windows Server
2003出了SP1,因此Windows XP Professional x64
Edition推出的时候就自带了SP1,没有不带SP的版本。顺便说一下,基于和Windows
Server 2003
x64相同的稳定性,而能支持更多的桌面应用程序特别是游戏,因此笔者使用了一段时间用来当游戏/工作两用机。

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Microsoft Windows XP Professional x64
Edition,2005年;图上的测试版本日期是2004年

Windows
Vista的开发代号为Longhorn,原定于2003年发布,然而由于微软雄心勃勃的改进计划,把越来越多的功能加入到了这个系统中,导致发布一拖再拖。为了能和Windows
XP/Windows Server
2003相隔太久,最终微软砍掉了不少功能,并于2005年11月30日发布给商业用户,于2006年1月30日发布给零售用户。Windows
Vista最大的改进是在其界面,Windows Aero
GUI集成了一个DWM桌面窗口管理器并改变了显示驱动的模型:从XPDM变成了WDDM。关于这个模型架构的变化可以察看这里:

垂直同步之谜
XP/Vista与3D性能测试

  全新的设计让Windows
Vista的界面看起来更加漂亮,不过代价是这个全新而不成熟的设计让系统性能比较明显地降低,因此Vista并没有受到广泛的好评,而没有流行起来。

  Vista相比XP,内核进行了更新以支持IO优先级和内存优先级,以及ReadyBoost等功能。在配置比较好的机器上,Vista表现不错,因此笔者从Vista
SP1开始就转向了Vista x64
SP1。由于此时一些用户的内存配置已经达到或者超过了4GB,64位Vista比起32位版本来反而要更流行。

谁限制了4GB内存
32位Vista大内存实战

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Microsoft Windows Vista,2005年

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Windows Vista Ultimate x64 SP2

  Windows Vista包括了很多新的功能,
包括先进的搜索和信息组织方式(不过笔者很讨厌Vista的搜索)、.Net
Framework 3.0 、侧边栏Windows Sidebar、Windows
Defender反间谍软件、KPG内核保护、令人诟病的UAC用户帐户控制功能和充分利用内存的ReadyBoost技术,以及软件升级版本:Internet
Explorer 7.0和Windows Media Player
11.0等,由于推出比Vista略迟,因此Windows Server
2008一出现就集成了SP1包。Windows Server
2008还首次提供了Hyper-V的虚拟化技术。

  从Windows
Vista开始,Windows的桌面版和服务器版使用的代码树开始融合——这样可以减少同时为两个不同的代码树进行维护的消耗。Windows
Vista对应的服务器版本被命名为Windows Server 2008。一开始的代号为Longhorn
Server。Windows Server
2008是一个首次提供了无GUI界面的Windows产品,这种界面叫做Server
Core。尽管这个形式和Windows的名字有些不对头,不过为了尽量提供更好的服务器性能,这是可以理解的。默认的Windows
Server 2008 GUI安装还仅用了Vista上具有的Aero效果。

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Microsoft Windows Server 2008,2008年

Vista与其上一代XP相比,提供了非常大的改进,然而一方面这些改进过于巨大,用户乃至相应软件厂商(如,DirectX
10应用开发商)一时无法完全接受,另一方面,由于特性的不完全具备,Vista的表现没有想象之中的那么好。到了Windows
7,包括操作系统本身、软件厂商和用户都已经做好了准备,因此反响比Vista更好也就不难理解了。

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Microsoft Window 7,2009年10月22日

  Windows 7它其实是Windows
Vista的改进版,从内部版本号6.1可以看出。Windows 7在Windows
Vista的基础上进行了大量的完善工作,也加入了不少新特性。

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Windows 6.1

  关于最近推出的Windows 7,最大的变化在于图形架构,如下所示:

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Windows 7核心图形架构

  因为新的图形架构,Windows
7的系统性性能有了明显的提升,根据我们的测试,提升达到了10%。我们已经有相当多的文章来说明这个问题:

企业专用操作系统
Windows 7企业版测试

比Vista更完善
Windows 7图形架构解析

性能提升10% Vista/7系统性能对比测试
 

  和Windows
7同时推出的服务器版本则名字没有太大的变化:因为大部分主要的变化都集中在图形界面上了,因此新的服务器版本就简单地称为Windows
Server 2008 R2,和之前版本不同的是,Windows Server 2008
R2只有64位的版本。

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Microsoft Windows Server 2008 R2,2009年10月22日

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