我的名字叫Andrey Artemyev，我在Windows 10的核心领域在Microsoft工作，我以前在Windows 10x（WCOS），XBox，Windows Phone和Microsoft Edge上工作。 我通常想出于教育目的，以键盘输入和Windows 10为例说明计算机的工作方式。该系列文章主要是为技术专业的学生设计的。 我们将考虑在Notepad.exe中显示有关键盘按键信息的路径。 由于该主题的广泛性和跨学科性，因此文章中可能存在错误，评论中对此进行了报道。 由于Windows的发展速度，某些信息可能已过时。
我们对这个话题有多深入？
首先让我们讨论一下可以考虑使用计算机的级别。 每个级别都基于前一个级别。 让我们从头开始。
应用级别 。 所有用户应用程序都位于此处，这是浏览器，Microsoft Office，记事本以及IIS Web服务器，SQL Server，各种中间件（如Java和.Net）以及所有脚本语言（无论是Ruby，PHP还是Bat文件）。
操作系统级别 。 操作系统可以认为是：
- 资源管理器-内存，硬盘驱动器，打印机，屏幕，键盘，由计算机上运行的程序共享的有限资源。
- 虚拟机-文件是虚拟对象的一个很好的例子。 它表示磁盘上数据的抽象，用于处理磁盘的API，还添加了访问权限的概念。 除了文件之外，可能还有数据容器和完全不同的API的概念。 操作系统中有许多这样的虚拟对象。
- 平台-操作系统提供用于构建程序的软件模型和原语。 例如，Windows驱动程序框架允许您快速开发驱动程序，Windows中的Windows用于构建复杂的用户界面。 DLL-提供用于通过插件扩展程序功能的模型，以及用于通过键盘陷阱实现屏幕阅读器的机制（请参阅LowLevelKeyboard挂钩）。
操作系统分为层和组件。 通常，Windows 10的体系结构如下所示。 我们稍后会详细讨论。
计算机体系结构级别 。 它由具有特定外形尺寸的主板，内置在称为芯片集和端口的微电路中的内置功能表示，通过连接图形卡，网卡，附加的随机存取存储器（RAM），硬盘驱动器，键盘等，您可以扩展计算机的功能。端口会影响计算机的速度和功能，这将决定计算机的用途，它是每秒处理数千个请求的服务器，用于Internet的平板电脑还是带有多个视频的游戏PC 附庸风雅 操作系统抽象了主板的功能。
这些微电路如下图所示，是一台微型计算机，可执行用于低级任务的简单程序，例如，从键盘读取数据并进一步传输数据，以便最终到达处理器。 通常，它们被实现为模拟非可编程微电路或可在C中编程的微控制器。
母板可以看作是微电路的集落，它们通过总线相互通信，并通过它们从连接的设备到处理器的数据相互通信，反之亦然。 芯片组是一种计算机神经系统。 主板上的所有芯片最初都是为了相互配合而创建的。 其中一些可能具有特殊功能，例如计时器或BIOS设置存储。 其中最重要的也许是具有内置程序（固件，BIOS，UEFI）的程序，该程序在通电后立即开始运行。 她找到了带有Windows引导加载程序的硬盘并将其控制权转移给该硬盘驱动器，这又启动了OS可执行文件，该文件可以称为Windows10.exe，实际上是NtOsKrnl.exe。 通过硬件制造商和操作系统之间的协议，BIOS知道要查找的内容。
您可以在主板周围组装手机，游戏机，服务器站或智能设备。 在下面的图片中，主板的常见外形尺寸。
微体系结构级别由处理器（CPU）表示，这是主板的核心，需要整个芯片组来为CPU提供服务。 处理器是计算机中的计算机，它是功能更强大，更高级的微控制器，不需要固件，因为当线程调度程序更改处理器的上下文时，命令流是实时的。 处理器的功能分为子系统，例如，涉及数学和逻辑运算的组件，数学协处理器和缓存。 其中一些曾经是主板上的单独芯片，但是现在它们已成为CPU的一部分，例如，中断控制器和称为北桥的芯片，从而提高了工作速度。
微体系结构与
体系结构不同 。 CPU的所有功能都分为可协同工作的组件。 这些组件及其相互作用是微体系结构。 在下面的流程图中，它们由彩色的矩形和正方形表示。
处理器体系结构实质上是一个文档，描述了它应具有的功能，以便与例如移动设备上使用的x86，x64或ARM体系结构相对应。 本文档描述了应支持哪些命令，寄存器分配和操作逻辑。 英特尔，AMD和Elbrus处理器的创建者可以根据需要实现此功能，并以命令，寄存器，标志，中断的形式向其中添加新功能，如果操作系统知道这些信息，则可以使用它。 就OOP而言，CPU体系结构是接口，而微体系结构是其实现。
逻辑电路 。 CPU框图中的彩色矩形由逻辑电路组成，这些逻辑电路对零和一的序列执行操作。 处理器以位（0和1）的形式查看所有数据和指令，根据公式，任何十进制数都可以表示为0和1的序列，但是特定的数字含义取决于上下文。 它可以是代码，数字，字母。 算术和逻辑单元（ALU）可以通过按位运算将两个数字相加。 加，减，乘和除的按位算法很早就为人所知；逻辑电路的开发人员只需有效地实现它们即可。
数字电路以零和一的水平处理数据，而模拟电路则依赖于对物理定律的利用。 它们执行简单的位操作，例如移位，AND，OR，XOR。 通过这些原语，可以实现更复杂的操作。 下图显示了通过晶体管实现的模拟AND运算符。 在电路的输出端，只有在两个输入触点（Bx1和Bx2）上都存在一个非零电压，否则为零伏。 C＃中的&&运算符的工作方式相同。 数字电路最终基于模拟。 逻辑电路中的物理逻辑元件不仅可以以电子方式实现，还可以以机械，液压，光学和其他方式实现。
放射性元素的水平 。 物理模拟电路依赖于实际利用物理定律的无线电元件。 这些大多是半导体，即 在某些条件下，他们可能会导电，但可能不会。 二极管仅在一个方向上传导电流，如果未焊接，将其变成180并焊接回去，则电流将不会通过。 仅当控制脚上有电压时，晶体管才会通过电流。 人类已经学会了使晶体管微观化，因此可以将其放置在成千上万的小板上。 在下图中，在电子显微镜下，半导体无线电元件和纳米晶体管旁边的常规晶体管。
物理定律的水平 。 最后，最低级别是半导体放射性元素中包含的物理定律级别。
我们将谈论很多有关OS级别的知识，而很少谈论计算机体系结构，微体系结构，模拟电路和无线电元件。 对于最后一部分，您应该了解所有这些如何一起工作。
操作系统基础
当我们在大学学习汇编语言时，许多学生都对诸如“内核和用户模式”之类的机灵语言感到震惊，在该模式下，真正知名的角色认证系统被隐藏在所有地方，在所有站点上至少都有一个“管理员”可以访问所有页面和“用户”具有受限访问权限。 同样，“核心”角色可以访问CPU的所有功能，“用户”角色可能不会导致所有处理器命令，也不会导致所有参数。 在此角色模型之上，操作系统基于客户端-服务器体系结构原理构建，其中服务器是实现OS功能的核心，客户端是用户程序。 在Web世界中，客户端和服务器在物理上是分开的-这是通过网络进行通信的两台不同的计算机。 在操作系统中，客户端和服务器位于同一台计算机和相同的硬件上。 服务器具有允许客户更改其状态的特定API，例如，Twitter API允许您创建帖子，登录并向移动客户端上载推文提要。 Windows具有Win API，由于任务范围更广，因此更加麻烦；如今，Windows具有大约330,000个API以及适用于UWP应用程序的API。 如果Twitter的概念对每个人（帖子，用户，提要）几乎都是清晰的，则OS的概念可能需要对其内部进行一些深化。 因此，如果不了解操作系统的内部结构，可能很难理解Windows API。
实际上，内核意味着三件事。 内核就像所有OS代码一样。 内核是负责操作系统机制的子系统，例如线程调度程序，上下文切换，中断处理，将虚拟内存交换到物理（内核），以及内核子系统以支持其他操作系统-CSRSS.exe（Windows），PSXSS.exe（POSIX）， OS2SS.exe（OS / 2）或WSL（Linux的Windows子系统）。 在这种情况下，第一个含义被理解-所有OS代码。当窗口出现在屏幕上时，数据结构将出现在OS的服务器部分（内核模式）中，该数据结构描述了此窗口-它在屏幕上的位置，大小，标题文本以及OS允许应用程序通过其响应事件的窗口功能。 由于操作系统中有许多子系统，因此可以有多个数据结构描述一个对象，例如，有关用户进程的信息位于组件中：
- 执行 -这是操作系统的逻辑。 该层检查哪些进程可以执行和不能执行。 该文件包含有关父进程，进程启动参数（进程环境块），关联的用户帐户以及进程exe文件名称的信息。
- 内核 -此处实现了诸如线程调度程序之类的OS机制。 它存储进程在用户和内核模式下花费的时间，线程所连接的处理器，进程线程的基本优先级。
- 窗口子系统 -有关用于在窗口中绘制的GDI对象的信息。 这些是诸如笔刷，笔等的图元。
- DirectX-与DirectX相关的所有内容：着色器，曲面，DX对象，GPU性能计数器，图形内存的内存设置。
- 由CSRSS.exe进程（客户端服务器运行时子系统）表示的Windows子系统 。 Windows以前支持OS POSIX（进程PSXSS.exe）和OS / 2（OS2SS.exe）。 在那些日子里，使Windows成为同一子系统的想法来了，但是这很慢，因此很快CSRSS.exe的一部分被转移到win32k.sys，该文件现在分为多个文件-win32k.sys，win32kbase.sys和win32kfull.sys。 有关过程组数据，关闭级别，会话数据等的信息存储在此处。
对POSIX和OS / 2的支持更可能是正式的，因为要从这些OS转移程序，您必须找到源代码并以特殊方式对其进行编译，以获取一个exe文件，在其中将对OS API的所有调用都重定向到PSXdll.dll（NETAPI.DLL和OS / 2的DOSCALLS.DLL和Windows应用程序的User32.dll），是Windows API的精简包装。 某些API的状态存储在PSXSS.exe子系统（OS2SS.exe）的过程中。 由于并非所有API都可以映射为1到1，因此该程序运行不稳定。 Windows 10中增加了对Linux的支持，它以完全不同的方式工作。 Linux子系统以内核模式托管，Linux子系统和Linux子系统之间的差异与不同内部版本之间的差异大致相同。 特别是对于WSL，引入了一种新型的过程-PICO过程。
什么是成分？ 这是逻辑分组的功能。 组件可以称为OOP类，dll，文件夹，具有公共前缀，名称空间，体系结构层的功能集。有关客户端服务器分区的更多信息
客户端和服务器的分离是使用CPU的内置功能，内存共享和软件检查来实现的。
设备制造商与OS的开发人员合作，因此，处理器具有考虑到操作系统创建者的需求而创建的机制。 在所有现代处理器中，都实现了用户角色机制，其中用户被理解为当前的可执行代码。 在Web应用程序中，已登录用户的角色存储在变量中，除了友好名称Admin或User外，还具有此角色的ID，该角色通常在授权过程中使用，因为比较数字比字符串更快，更容易。 在处理器中，当前用户的角色存储在一个名为“安全环”的字段中，而不是“ CurrentUser.Role.Id”中。 在大多数处理器中，此字段采用从0到3的四个值。Windows使用0表示“内核模式”，因为它是特权级别最高的模式，而该值的最大值是“用户模式”，因为它是受限制最多的角色。 由于0和1、2和3之间的差异可以忽略，因此不使用其余角色。 这些角色限制了可以寻址的内存页面，您不能调用某些指令，也不能使用某些参数调用它们。 使用I / O端口技术与键盘等设备交换数据也受到限制，但是十年来一直没有使用。 切换到内核模式是通过syscall命令进行的，该命令通过索引在指向Windows API的指针数组中找到要调用的函数。 在操作系统引导期间，指向此阵列的指针存储在特殊的处理器寄存器中。
我专门将CPU寄存器称为一个字段。 用C＃编写程序时，可以根据需要向类中添加任意多个字段，并为其指定友好的名称。 对于处理器和微控制器，字段称为寄存器。 在设计一块铁片时，您需要在此阶段已经了解需要多少个寄存器（字段），它们应具有的大小以及要为其分配的功能，以便在所有可能的和不可想象的情况下满足所有场合的需求。 想象一下，您需要使用类似于C＃的编程语言编写程序，该语言在类中具有16个预定义字段，并且您不能使用局部变量。 即 同一字段可用于存储登录用户，排序数组，临时数据或方法的结果。 这些字段的名称应尽可能通用，而不是tempData，funcResult，将使用奇怪的名称EAX，AH，AL，DX等。如果您使用C＃在x86架构上编写了处理器仿真器，则代码可能看起来像这样（DIV-除法，命令整数除法）：
为了说明，我添加了内核模式检查。 如果发生零除错误，处理器将通过中断通知操作系统（引发事件）。 在引导时，操作系统为处理器提供指向指向中断向量的函数的一维指针数组，其中每个索引对应于某种事件，例如，被零除。 OS知道运行它的处理器的体系结构，因此可以在数组中安排功能指针。 CPU调用此函数，并且操作系统具有自己的代码。 例如，Windows在注册表中查看是否已安装调试器，并显示一条消息，指出已发生错误，并且可以运行调试器以查看发生错误的位置。 中断之所以称为中断，是因为该中断会在程序的正常执行过程中进行干预，并使中断处理程序能够执行，并且只有在完成后，处理器才能返回程序执行状态。
中断不仅可以由处理器生成，而且可以由外部设备（键盘，鼠标）或程序代码生成。 线程调度程序设置了一个计时器，该计时器每隔一个时间间隔（默认情况下约为15ms，在Windows Server中为15ms以上）生成一个中断，以便根据内部算法分配另一个线程以供执行。 在Visual Studio中程序的逐步执行还依赖于中断机制-在处理器上设置一个标志，该标志在每个命令之后都会引起Windows调试引擎处理并通过Visual Studio API通知的中断。
借助虚拟内存实现了内存共享。 我之前说过，操作系统是资源管理器和虚拟机。 1 RAM 32 Windows 4 , .. 1, 4. ( ). . 4096 (4), :
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- Hyper-V Hypervisor — Windows . , Hyper-V , , .
- HAL.dll — Hardware Abtraction Layer — — , , — Windows HAL.dll, . , , . , - ACPI.sys.
Advanced Configuration and Power Interface? 1996 UI, .
1996 ACPI, , .. . ACPI , CD drive, .. .
- Device Drivers — . *.sys, , . Process Explorer SysInternals .
- Kernel — Kernel Mode Execution Environment , , , , . .
- Executive — , - .
- Windowing & Graphics — DirectX .
- NtDll.dll — . dll , ( .. dll) . Nt Native, Native American. 即 API , . dll Nt (NtDestroyMenu). Win API User32.dll. NtDll.dll, Nt* (level of indirection) — subsystem dll User32.dll PSXdll.dll DOSCALLS.DLL Windows. NtDll.dll ( S ession M anagement S ub S ystem .exe , Win dows Init itialize .exe .), .
- SubSystem dlls — . Windows User32.dll. - API , Nt* NtDll.dll, CreateFile NtCreateFile).
- Environment Subsystems — CSRSS.exe, Windows. POSIX ( PSXSS.exe) OS/2 (OS2SS.exe). Windows Subsystem for Linux -.
- System Processes — , LSASS.exe (Local Security Authority SubSystem) .
- Service Processes — Windows ( Plug and Play Manager) *.exe . SvcHost.exe , *.dll-. SvcHost'.
- User Processes — . — , , . .
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