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ためひとたておか
5 years ago
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1 情報システム論第 7 週ソフトウェアシステム Operating System (part I) 根來均

2 ソフトウェア (Software) とはプログラムと同義もしくは各種プログラムの総称ソフトウェアは記憶装置上などに電子的にのみ (0/1 で記録された情報として ) 存在するソフトウェアに対して物理的に存在する CPU 等の各種装置をハードウェア Hardware と呼ぶ例えばソフトを購入すると CD-ROM 等にそのソフト ( プログラム ) が入っているが CD-ROM 自体はハードウェアの一部 ( メディア ) でありそれはソフトではない

3 ソフトウェアの分類システムソフトウェア基本ソフトウェア ( 広義の OS) 近年 OS の一部化しつつあるミドルウェア制御プログラム ( 狭義の OS) 汎用言語プロセッササービスプログラム GUI 制御グラフィック処理アプリケーション ( 応用 ) ソフトウェア共通応用ソフトウェア個別応用ソフトウェア通信管理 DBMS 等々出典 : 情報処理開発協会他

4 OS (Operating System) ハードウェアの物理的特性を極力隠してユーザ ( 利用者 ) やアプリケーションからコンピュータが利用しやすいサービスを提供するソフトウェア OS だけでは ( 動くが ) 何も役に立たない (cf. ソフトがなければ ( コンピュータは ) ただの箱 ) アプリケーションユーザ OS ハードウェア OS の役割の概念図 ( ハードウェア固有の仕様を吸収する役割を果たす )

5 主な ( 狭義の ) OS の仕事プロセス管理 ( タスク管理 ) CPU での各作業の実行時間の割当など記憶管理メインメモリや仮想記憶領域の領域の管理保護補助記憶装置上の領域ファイルシステムユーザ管理入出力管理入出力装置と I/O コントローラの管理ネットワーク管理保護とセキュリティ

代表的な ( パソコン )OS Microsoft: Windows Windows 10 (v6.4) XP (v5.

6 代表的な ( パソコン )OS Microsoft: Windows Windows 10 (v6.4) XP (v5.1) のサポートが切れ 7 に移行タブレット感覚の 8/8.1 (6.2/6.3) と統合した 10 Apple: Mac OSX El Capitan (v10.11) タブレット環境の ios(iphone, ipad) と共通した直感的なユーザーインターフェイスを継承ネットワーク資源クラウド (icloud) との連携強化 cf. Google Linux Red Hat 系 Fedora Core : 実験的に新しい機能等を追加 Cent OS : サーバー用, 商用の Red Hat に対するサポートなしの無料版 Debian 系 Ubuntu : 一般向けシェアでは Smart Phone, Tablet 用の OS が台頭

7 OS の系図.. Microsoft 社 (MS-DOS)... (Windows 3.1) - Windows 95 ME Apple 社 Mac ( サーバー用... NT -) XP Vista 8 10 (BSD UNIX -) OSX X(10) UNIX (BSD... ).. SUN OS 4 (AT...) FreeBSD... Solaris... Linux Redhat 系 Fedora, CentOS, Debian 系 Ubuntu,.. Google 社 Android.. ios

8 プロセス ( タスク ) 管理実行処理の単位 (OS により定義は多少異なる ) タスク (Task)/ ジョブ (Job) ユーザが実行するプログラム処理の単位ジョブは TSS (Time Sharing System, 後述 ) のような大型計算機環境で用いられることが多いプロセス (Process) 計算機から見た処理の単位で計算機が CPU 時間やメモリなどの資源を割り当てる単位 1 つの CPU は同時に 2 つ以上のプロセスを処理出来ないスレッド (Thread) プロセスをさらに分割した CPU の処理時間が割り当てられる処理単位メモリ等の領域は別のスレッド処理中もそのままでありスレッドが変わってもオーバーヘッドが少ない

9 プロセスの確認 Windows Ctrl-Alt-Delete で表示 Unix (MacOSX) top コマンドで表示

10 マルチタスクとマルチスレッドの例マルチタスクマルチスレッド音楽を聞きながらインターネットやメイルをするブラウザ ( 1 プロセス ) で複数のページを見たりファイルをダウンロードする

複数のプロセスに分けるという方法もある例 )fork (UNIX) 1 つの CPU (1 コア ) しか持たないマシンで複数のスレッド ( またはプロセス

11 Single/Dual-Core マシンを用いたスレッドプログラミングの実例より複数の CPU もしくは (CPU) コアを持ったマシンの性能を発揮させるためには処理が並行して行われるような特別な仕組み ( プログラミング ) が必要複数のスレッド (Thread) に分ける例 )pthread (UNIX) 他にも複数のプロセスに分けるという方法もある例 )fork (UNIX) 1 つの CPU (1 コア ) しか持たないマシンで複数のスレッド ( またはプロセス ) に分けて処理をしても並行処理されているように見えるが並行処理しない場合とトータルの実行時間はほとんど変わらない ( 若干遅くなる可能性さえあるオーバーヘッド )

12 タスクプロセススレッドの概念と OS 依存性 user 1 マルチユーザ環境 program 1 マルチタスク program 2 ある瞬間瞬間では1つのCPU は一つのプロセス ( スレッド ) しか処理していない! CPU の割当時間 process 1 thread1 thread2 thread3 process 2 thread4 マルチプロセスマルチタスク process 3 thread5 user 2 program 3 process 4 process 5 thread6 thread7 thread8

CPU の割当時間 (2 CPU の場合 ) process 1 thread1 thread2 thread3 process 2

13 タスクプロセススレッドの概念と OS 依存性 user 1 マルチユーザ環境 program 1 マルチタスク program 2 ある瞬間瞬間では1つのCPU は一つのプロセス ( スレッド ) しか処理していない! CPU の割当時間 (2 CPU の場合 ) process 1 thread1 thread2 thread3 process 2 thread4 マルチプロセスマルチタスク process 3 thread5 OS に大きく依存 user 2 program 3 process 4 process 5 thread6 thread7 thread8

14 プロセスの状態遷移 CPU を使用している状態与えられた CPU 時間を使い切った場合や優先度の高いプロセスが発生した場合実行状態 (running state) 入出力要求が出た場合 (CPU を明け渡す ) 実行可能状態 (ready state) すぐに実行可能な状態待機状態 (wait state) 入出力の終了を待っている状態

15 プロセスのスケジューリング到着順方式実行要求が出た順に逐次 ( 終了まで ) 処理するラウンドロビン方式各プロセスを順に同じ長さだけ処理する優先順方式現在の OS のほとんどがこれらを併用プロセスに優先順位を付け優先度が高いプロセスを優先的に処理する多重待ち行列方式 ( フィードバック待ち行列方式 ) 初めての実行ほど高い優先順位を付けて ( 短時間 ) 処理する処理時間順方式

タスクの種類シングルタスク (single task) 1 つのプロセスがその終了まで CPU を独占するノンプリエンプティブマルチタスク (non-preemptive multitasking) 疑似マルチタスク協調性マルチタスク CPU 時間を分割し複数のプロセスが実行可能であるが実行中のプロセスが OS に制御を戻さない限り占有し続ける Windows 3.

16 タスクの種類シングルタスク (single task) 1 つのプロセスがその終了まで CPU を独占するノンプリエンプティブマルチタスク (non-preemptive multitasking) 疑似マルチタスク協調性マルチタスク CPU 時間を分割し複数のプロセスが実行可能であるが実行中のプロセスが OS に制御を戻さない限り占有し続ける Windows 3.x, (Windows 95/98/ME 16bit 処理部 ), Mac OS 9 プリエンプティブマルチタスク (preemptive multitasking) OS がある時間間隔で実行中のプロセスに割込みをかけて強制的に他のプロセスに移行する UNIX 系, (Windows 95/98/ME 32bit 処理部 ), Windows NT/2000/ XP, Mac OS X 非力な CPU の時代強力な CPU の時代 ( 参考 ) TSS (Time Sharing System) : ( 大型 ) 計算機が非常に高額だった頃複数のユーザが ( あたかも ) 同時に使えるよう CPU の利用時間を細かく割り当てた (Time Slice) システム

17 マルチ OS の時代マルチユーザ OS 複数のユーザが ( 同時に )1 つの計算機を共有する事が出来る OS Windows も MacOS も XP, X から本格的なマルチユーザ環境にマルチタスク OS 複数のプロセスを同時に行える OS マルチプロセッサ OS 複数の CPU で並行処理出来る OS Windows は 2 CPU まで (Windows 7 でも Home, Premium は 1 CPU, Professional, Ultimate で 2 CPU ただし core は複数サポート ) UNIX 系は非常に多数の CPU で処理が可能

18 割込み制御外部割込み入出力装置からの処理終了通知電源異常等の異常割込み通知などソフトウェア割込み ( スーパバイザコール SVC) プログラムが OS の機能 ( システムコール ) を利用した割込み例外割込みゼロによる除算やオーバフローアンダーフローアドレス指定のエラーなどによる割込み ( 参考 ) リアルタイム OS (real-time operating system): 処理をリアルタイムで行う事を重視した OS ( 産業機械を制御する計算機の OS に多い ITRON や VxWORKS などがある )

19 情報処理試験など出題される関連事項排他制御セマフォデッドロック

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PowerPoint Presentation コンピュータ科学 II 担当 : 武田敦志 http://takeda.cs.tohoku gakuin.ac.jp/ 今日の話オペレーティングシステムコンピュータを利用するための基本ソフトオペレーティングシステムの役割プロセスの管理主記憶の管理出入力の管理ファイルの管理タイムシェアリングシステム仮想記憶排他制御ディレクトリ構造