オペレーティングシステム 2014

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1 オペレーティングシステム 2018/4/12 木曜 2 限 2 年前期 海谷治彦 1

2 目次 前置き 1.1 OSとは? 1.2 役割 1.3 提供する機能 1.4 管理する資源 1.5 利用形態 1.6 主なOS 2

3 オペレーティングシステム Operating System (OS) Windows 10, 8, 7, XP... UNIX Linux OS X (MacOS) Android ios... 3

4 授業の目的 ユーザー視点で OS とは何かを理解しよう. アプリケーション開発のプログラマ等もユーザーの一種とみなす. OS の内部機能を理解しよう. ある意味,OS 開発者視点といえます. 実際にOSを開発してもらうわけではないですが. 4

5 教科書 参考ページ 教科書は特に指定してません. 適宜, 以下のページからスライドを提供します. dotcampus も使います. 5

6 オフィスアワーについて 原則, 毎週木曜日 3 限 場所 6 号館 214 号室 事前にメール等で連絡してくれると, 大変, 助かります. 6

7 特に重要な前提知識 情報科学リテラシー 基本的なコンピュータの知識と PC の使い方 プログラミング I OS では特に C 言語は重要です 計算機システム基礎 コンピュータ ハードウェアの基礎知識 情報科学概論 基本的なデータ構造とアルゴリズム 7

8 基本, シラバス通りです. 1 回 OS の役割 授業計画 2 回 OS のユーザーインタフェース 適宜, 新しい話題をいれていきたいと思います. 例えば,VirtualBox, Vmware 等の仮想化技術. クラウド系の話題. 使い方というのも少しやりたいと思います. 環境変数とかコマンドとか. プログラミングを伴う演習を行うかもしれません. 出席代わりに毎回, 単文によるアンケートを出してもらいます. 試験はやります. 8

9 アンケート ほぼ毎回, 授業の最後の頃 ~ 数十分程度の間に提出してもらいます. 出席がわりです 100 文字程度. その授業で上手く理解できなかった部分, 疑問もしくは意見等を 100 文字程度で書いてください. もし, 全て理解できたのであれば, 授業の中で興味を持った話題を 100 文字程度で書いてください. 9

10 例 TSS によって複数の人間が一台のコンピュータを同時に利用できるとある. しかし, 何故, 人間にとってストレス無くコンピュータが応答するのかがわからなかった. (76 文字 ) OS を介してタッチパネル等のハードウェア資源を利用しなければいけない理由がわからなかった. アプリケーションで直接にハードウェアにアクセスしたほうが効率的ではないかと思う. (85 文字 ) 10

11 悪い例 わからないところがわかりません. わからないところは無いし, 興味も持ちませんでした. 11

12 アンケートの出し方 dotcampus を用いる予定です. 12

13 1 回 OS の役割 13

14 1.1 OS とは 基盤ソフトウェア と呼ばれることもある. コンピュータを利用する際の最初の窓口となっている. プログラムを呼び出し, 入出力装置を操作する仲介となっている. 利用者は OS を使いたいのではなく, 音楽を聴いたり, 画を書いたり, 道を調べたり, 文書を作成したりしたい. アプリケーション ( アプリ ) 現実的に OS によって動くアプリが決まってくるので,OS の理解は重要となる. 14

15 情報科学で OS を学ぶ意義 情報の専門家なんですから, 最低限以上に OS を知っていないとマズいでしょう. OS はコンピュータ ( ハードウェア ) を一般化, 抽象化して扱うためのソフトウェアである. 実際はデータの羅列であるディスクの中身が, 木構造として扱える等. 抽象化とは何かを 具体的に 学ぶ良い教材である. 15

16 1.2 OS の役割 ハードウェアを容易に使うための仲介 コンピュータの効率的な運用 複数利用者間の情報共有 利用者に一貫した統一的な利用法を提供 16

17 ハード利用の仲介 ハードの操作には電気的な処理が必要. 押されたキーボードの認識, タッチされたパネルの位置, カメラがスキャンした画像. 画面に文字や図を描画, 音が出る. アプリ毎にそのような処理をプログラミングしていたらプログラマの身が持たない. よって,OSが仲介役としてハードとアプリの間に入って, より平易にアプリからハードを扱えるようにできるようにした. 17

18 単一アプリの動作 処理手順を記述した プログラム が メモリ に読み込まれる. メモリは背番号 ( アドレスと呼ばれる ) のついた単純なデータの列 CPU と呼ばれる計算する装置がプログラムを前から順番に読んで行く. CPUは必要に応じて 計算をする. 途中結果のデータをメモリに書きこむ. 入出力装置 ( 画面やカメラ ) からデータを送受する. 18

19 プログラム途中結果等アプリ実行の流れ アプリのプログラムがメモリに読み込まれる. 計算に必要なメモリも確保される.( 途中計算結果の保持のため ) CPUがプログラムを順に読んで, 計算をする. 必要ならば, ファイル等にアクセスする. CPU ファイル等 メモリ 19

20 簡易な例題 ~ 二値の平均 メモリ 100 番地の数値を読め 101 番地の数値を読め数値を合計せよ 数値を2で割れ 102 番地の数値を書け CPU

21 簡易な例題 ~ 二値の平均 メモリ 100 番地の数値を読め 101 番地の数値を読め数値を合計せよ 数値を2で割れ 102 番地の数値を書け CPU

22 簡易な例題 ~ 二値の平均 メモリ 100 番地の数値を読め 101 番地の数値を読め数値を合計せよ 数値を2で割れ 102 番地の数値を書け , 3 CPU

23 簡易な例題 ~ 二値の平均 メモリ 100 番地の数値を読め 101 番地の数値を読め数値を合計せよ 数値を2で割れ 102 番地の数値を書け CPU

24 簡易な例題 ~ 二値の平均 メモリ 100 番地の数値を読め 101 番地の数値を読め数値を合計せよ 数値を2で割れ 102 番地の数値を書け CPU

25 簡易な例題 ~ 二値の平均 メモリ 100 番地の数値を読め 101 番地の数値を読め数値を合計せよ 数値を2で割れ 102 番地の数値を書け CPU

26 プログラムの実際 番地の数値を読め 101 番地の数値を読め数値を合計せよ 数値を2で割れ 102 番地の数値を書け メモリ CPU

27 コンピュータの効率利用 一般にコンピュータは複数の仕事を同時にこなしている ( ように見える ). 音楽聴きながら, ツイートしながら, プログラミングする等 このような同時作業を行っていても, 利用者にストレスを感じさせないような管理を提供. 大昔はコンピュータが高価だったので, コンピュータの待機時間を最小化するということが重要だった. 27

28 情報共有 複数利用者が同時に参照 更新できるデータや情報の保存場所を提供. いわゆるファイルシステム 昔は OS を直接複数人が利用することで, ファイルシステムを共有していた. 今なら Web メール等によるウエブとメールの情報共有等. 今でこそ OS を介した直接の共有は少ないが, Web サービスやネットストレージ等の基盤を OS が与えている. Webのデータ等はファイルシステムに保存 Dropbox 等はファイルシステム間のデータ複製を実現. 28

29 一貫した統一利用法の提供 メーカーやハードウェアが異なっても, コンピュータの使い方がほぼ一緒になるための仕組み. 実際, メーカー毎にコンピュータのハードウェア部品は異なるが, それを意識することは OS が同じなら少ない. Mac 信者 や Windows 教 等の宗教戦争が起こってしまう所以. ios vs Android も プログラミングレベルは利用レベルより統一されている. POSIX 等の標準 29

30 1.3 OS が提供するインタフェース ユーザーインタフェース (UI) User Interface ( アプリケーション ) プログラミングインタフェース (API) Application Programming Interface 通信インタフェース Communication Interface 30

31 ユーザーインタフェース 人間とコンピュータが対話するための機構を提供する. 当然, 人間は打鍵, 画像, 音声等の物理的な現象しか認知 行使できない. キーボード, マウス, タッチパネル, 画面, スピーカー等を介して, 人間が何かすると, 何かが起こるように OS が管理してくれている. アプリ起動はもちろん, 操作中も, 実際は OS を介してハードウェアを利用している. 31

32 画面 カメラ タッチパネル マイク 32

33 例 タブレットで画面をタッチすれば風景を画面で見られる. カメラアプリの起動 マウスポインタがある領域内にある状態でマウスを押すと, 音楽が聞こえる. 音楽プレーヤーの起動 キーボードから文字を打つと, 打った文字が表示され, 編集 保存が可能な状態になる. テキストエディタの利用 33

34 API Application Programming Interface アプリケーションを開発する際,OSが管理する資源 ( 後述 ) を利用するための関数群をシステムコールと呼ぶ. ごく普通の計算 ( 例えば平方根の計算や並び替え等 ) を行う関数群とシステムコールをあわせて,APIと呼ぶ. 34

35 通信インタフェース 通信機器管理し通信規約 ( プトロコル ) を有することで, 他のコンピュータや機器と情報交換を可能とする. 詳細は11 回目くらい. 35

36 OS の機能 ( 役割 ) プロセス リソース管理 メモリ管理 デバイス管理 ファイル管理 ユーザー管理 それぞれ適宜来週から解説します. 36

37 1.4 OS が管理する資源 OS が管理する機器やプログラム群を 資源 と呼ぶ. コンピュータを操作することで, 処理ができるのは,OS がこれら資源を管理しているおかげ. ハードウェア資源 入出力装置群, デバイスとも呼ばれる. キーボード, マウス, ディスプレイ, マイク, スピーカー, タッチパネル, ネットワーク装置 (NIC) 等 ソフトウェア資源 アプリケーションプログラムやデータ 通常, ファイルシステム上に管理されている. 37

38 図

39 OS 管理のシナリオ例 利用者が画面をタッチする OS はカメラアプリが選択されたことを識別 OS によってアプリの実行が開始される アプリは OS にカメラ画像を要求する OS は CCD カメラをオンにして, 画像データをアプリに送る アプリは画像を画面に表示するように OS に依頼する. 画面にアプリの画が表示される. 39

40 画面 カメラ タッチパネル 40

41 動作を時系列で表示 利用者 画面 カメラ 1: タッチ () 利用者が意識できるのはこの程度の範囲. 表示 41

42 タブレット内部での処理群 利用者 画面カメラ OS ファイルシステム 1: タッチ () 1.1: アプリ選択を識別 () アプリ <<create>> 1.1.2: 実行 () 1.1.1: アプリの読み出し () 2: カメラ画像要求 () 2.1: カメラ起動 () 2.2: 画像取得 () 3: 画像表示要求 () 3.1: 画像描画 () 42

43 何のアプリが呼ばれたか認識 利用者 画面カメラ OS 1: タッチ () 1.1: アプリ選択を識別 () 43

44 アプリが起動される 利用者 画面カメラ OS ファイルシステム 1: タッチ () 1.1: アプリ選択を識別 () アプリ <<create>> 1.1.2: 実行 () 1.1.1: アプリの読み出し () 44

45 カメラから画像を取得 利用者 画面カメラ OS ファイルシステム 1: タッチ () 1.1: アプリ選択を識別 () アプリ <<create>> 1.1.2: 実行 () 1.1.1: アプリの読み出し () 2: カメラ画像要求 () 2.1: カメラ起動 () 2.2: 画像取得 () 同じアプリが異なるスマホ ( 異なるカメラ ) で動くのはこのため. カメラの違いを OS が吸収してくれている. 45

46 画面に画を描く 利用者 画面カメラ OS ファイルシステム 1: タッチ () 1.1: アプリ選択を識別 () アプリ <<create>> 1.1.2: 実行 () 1.1.1: アプリの読み出し () 2: カメラ画像要求 () 2.1: カメラ起動 () 2.2: 画像取得 () 3: 画像表示要求 () 3.1: 画像描画 () 46

47 1.5 OS の利用形態 以下のような分類がされることがある バッチ処理 オンライン処理 時分割処理 (TSS) 個人使用 47

48 バッチ処理は何故必要 ( だった ) か? ( 大昔は ) 計算機利用料が高価だった. 大学全体で今のスマホにも劣る計算機が一台しかない. 30 年以上前の話 短期間で大量の処理をしなければならない. メガバンクの処理 センター試験の採点と集計 48

49 バッチ処理の概要 ( 図 1.6) 49

50 カード, ラインプリンタ 50

51 オンライン処理 現在のウエブサイトに個々人がブラウザでアクセスする形態に似ている. OS+ オンラインPG OS+ ウエブサーバー 端末 ブラウザ 現在ではほとんどウエブアプケーションに置き換えられているが, 残存するものもある. 駅窓口の端末 航空会社の端末 51

52 図

53 代表的な端末 VT100 53

54 Time Sharing System TSS 詳細は 7,8 回で再度, 解説する. コンピュータ ( 正確には 1 個の CPU) は, ある一瞬には 1 個の処理しかできない. しかし, 非常に短い時間 ( 数マイクロ秒 ) で処理を切り替えることにより, 人間からはコンピュータが複数, 同時処理しているように見える. マイクロ = 10-6 秒 この仕組みを利用して, 複数利用者が一台のコンピュータを同時利用する仕組み. 54

55 図

56 時分割の考え方 時間の流れ 利用者 1 利用者 2 CPU 利用時間 利用者 3 利用者 4 数マイクロ秒程度 56

57 57

58 実例 : 0.22 秒の間に 95 回も停止 中略 とある文書処理のアプリ 合計処理時間 0.1 秒経過時間 0.22 秒 回アプリは停止している 58

59 個人利用 Personal Computer/Computing (PC) スマートフォン タブレット 等, いまどきのコンピュータは個人利用を想定して作られているのは皆さんご存知の通り. 個人利用でさえ同時に複数のアプリを使うので,TSS の技術が用いられる. Windows のタスクマネージャーを見てみよう 59

60 1.6 主な OS Windows 系 Windows 7, 8... Windows 10 Mobile UNIX 系 BSD 系 UNIX Linux Android OS X (Mac OS) ios メインフレーム用 60

61 利用目的から分類すると いわゆる PC 向け Windows 7, 8... Linux OS X Mobile device 向け Windows 10 Mobile Android ios サーバー ( 含むクラウド ) Windows サーバー Linux UNIX (Solaris 等 ) 組み込み, ゲーム機器 PS4 は FreeBSD (UNIX) がベースらしい 61

62 Multics とクラウド Multics とは? 大昔の失敗したプロジェクト 情報処理を電気, ガス, 水道等と同様のインフラとして提供する. ある意味クラウドコンピューティングは Multics の再来 クラウドコンピューティングとは ネットワーク サーバー ストレージ アプリケーション サービスなどの構成可能なコンピューティングリソースの共用プールに対して 便利かつオンデマンドにアクセスでき 最小の管理労力またはサービスプロバイダ間の相互動作によって迅速に提供され利用できるという モデルのひとつである 略 [NIST の定義 ] 62

63 本日は以上 アンケートのほう, よろしくご提出ください 63