本日の内容 コンピュータのしくみ ( 第 11 回 ) 9 章 オペレーティングシステム (OS) 中田明夫 ( 情報科学研究科 ) ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 1 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 2 復習 : コンピュータの構成 ソフトウェアとハードウェア 復習 : ハードウェアの構成 複数の構成要素からなる コンピュータ ハードウェア ソフトウェア ハードウェア ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 3 PU 入出力装置 データの格納 データの格納計算 データの格納表示... ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 4 ソフトウェアの構成 プログラムは 2 つのカテゴリに分けられる ソフトウェア システムアプリケーションプログラムプログラム OS の位置付け 図 9.1 アプリケーションプログラム ワープロ 表計算 組み込みシステムプログラム Web ブラウザ コンパイラ エディタなど システムプログラム コマンドインタプリタ ウィンドウシステム オペレーティングシステム (OS) ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 5 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 6 1
もし OS がなかったら プログラム作成する際 ハードウェアについての詳細な知識が必要 キーボード マウスからの入力 ディスプレイへの出力 ディスクへの読み書き 接続している機種に応じた使い方を知る必要 プログラム作成が困難に 1.( プログラマにとって ) ハードウェアをプログラムから使いやすくする ( プログラムの中で ) ディスプレイに 1 文字出力したい OS に対して ディスプレイに 1 文字出力してくれ と命令 機能の 仮想化 実際にハードウェアを使う部分は OSの中で デバイスドライバ と呼ばれるプログラムが担当 異なるハードウェアで同じプログラムが利用可能 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 7 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 8 2.( 一般利用者に対して ) プログラムとデータ ( ファイル ) を操作する手段を与える というプログラムを実行せよ というファイルを入力としてというプログラムを実行し 結果をというファイルに出力せよ などの命令を受け付ける 命令の方法 :OSの種類によって異なる キーボードからコマンド文字列を打ち込む (MSOS) マウスでアイコンをクリックする (Windows) など 3.( 一般に複数の利用者に対して ) 同時に計算機資源を分け与え 適切に管理する 資源 (resource): 計算能力 計算時間 記憶装置 各種入出力機器など プログラムがプリンタで印刷している間 プログラム は円周率を計算 プログラムがプリンタを使い終わるまで プログラムはプリンタを使えない 資源の排他制御 プログラムがプリンタを使っている間 PUは暇なのでプログラムがPUを使って計算できる スケジューリング ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 9 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 10 アプリケーションプログラムの例 言語による例 機械に依存しない main() { int i, a; /* i と a は整数を格納する. */ i = 10; /* 10 が i へ格納される.*/ a= 0; /* 0 が a へ格納される.*/ while (i 0) { /* { 内を i 0 である限り繰り返す */ a = a + i; /* a 中のデータを a+i で置き換える */ i = i 1; /* i 中のデータを i 1 で置き換える. */ printf( %d n,a); /* a 中のデータを出力 */ ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 11 アプリケーションプログラムの例 Pascal 言語による例 Program Heron(input, output); var a,b,c,s,ss: real; begin writeln( 3 辺の長さを入力してください ); write( a= ); readln(a); write( b= ); readln(b); write( c= ); readln(c); s:=(a+b+c)/2; ss:=sqrt(s*(sa)*(sb)*(sc)); writeln( 面積 =, ss:5:3); end ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 12 2
アプリケーションプログラムの実行 最終的には 0 1 の列に変換 main() { int i, a; i = 10; a= 0; while (i 0) { a = a + i; i = i 1; printf( %d n,a); 高級言語 () コンパイラ MOV #10 R0 MOV #0 R1 : R0 R1 R0 N... アセンブリ言語 アセンブラ 0001010111000000 0000000000001010 0001010111000001 0000000000000000 0110000000000001 0000101011000000 0000001011111101... 機械語 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 13 OS のサービス OS が提供するサービス 入出力 ファイル管理 管理 プロセス管理など プロセス (process): プログラムの実行 同じプログラムに対して異なる実行 : ファイルを編集中のワープロプログラムW プロセス2: ファイルを編集中のワープロプログラムW ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 14 OS のサービス ( 続き ) プログラムに対して ユーザによるデータの入出力 キーボードからの入力 エンターキーを押すまでの一行が取り込まれる 訂正操作 ディスプレイへの出力 文字列の表示 システムコール ( プログラムから OS に対するリクエスト ) によって利用可能 OS のサービス ( 続き ) OS へのリクエスト システムコールと呼ばれる特別な命令による プログラム中から呼び出せる write, readln, printf もシステムコールを使って実現される ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 15 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 16 OS のサービス ( 続き ) ユーザに対して ユーザの指示によるアプリケーションプログラムの起動 アイコンのクリック マウス等のポインティングデバイスにより指示を与える UI:raphical User Interface UI:haracter User Interface 決められた手続きによる各種プログラムの起動 ログイン用プログラムなど 使用形態 スピードの差 人間の動作 周辺機器の動作 計算機内部の動作の速度の差は非常に大きい これをどう埋めるかが大問題 図 9.2 参照 人間のキーイン :100 ミリ秒 / 文字 プリンタなど :100ミリ秒/ 文字 磁気ディスク :1ミリ秒/ 文字 1 命令の実行 :1ナノ秒/ 命令 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 17 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 18 3
一括処理 ( バッチ処理 ) 順番にプログラムを実行 ジョブ : プログラム実行に必要な一連の処理 遊休時間が非常に多くなる 入出力を行っている間 PUは遊んでいる マルチプログラミング方式の採用 多数のプログラムをに配置して切替えて実行 1 つのプログラムの入出力中に 他のプログラムが PU を利用する ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 19 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 20 バッチ処理 : ユーザからみるとサービスは悪い TSS(Time Sharing System) 多数のユーザが (1 台の ) 計算機と会話的に仕事ができるようにした 基本的なアイデア あるジョブを q 時間 ( タイムスライス ) 実行すると いったん実行を中断して他のジョブを実行する 実行中断 タイムスライスを使ってしまったとき 入出力が必要になってその完了を待たなければならないとき より緊急度の高いジョブが発生したとき 現在では複数のタスクを 並行して実行するために 同様の技術を利用 ( マルチタスク OS) 一つしかない PU を 仮想的に複数あるように見せる技術 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 21 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 22 実時間システム ジョブの処理に時間制約があるようなシステム オンライン システム 多くの端末が通信回線で接続された状態で動作するシステム ( 中央集権的 ) TM, 座席予約システムなど 計算機ネットワーク 分散的 オンラインシステムとは異なる 組み込み使用 家電製品 自動車などに組み込まれて表面からは見えない形で用いられる ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 23 主記憶 ( ) 管理 OS の重要な機能の一つ 割り当て 各プロセスに対して プログラムとデータが入るだけの十分なを割り当てる 保護 OS 自身や他のプロセスが使っているを破壊しないように保護する 利用性の確保 のどの部分も自由に割り当て可能に 使い終わったは再利用可能な状態に ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 24 4
のどの番地がプログラムに割り当てられるか分からない プログラムのコンパイルには番地の情報が必要 プログラムが想定する番地 ( プログラム番地 ) から実際の上の番地 ( 番地 ) へ変換 一つの方法 : 基底レジスタを用いる ( 番地 )=( 基底レジスタ )+( プログラム番地 ) ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 25 基底レジスタだけでは 他のプロセスからの保護ができない 右図でプロセス がプログラム番地 3500 を使おうとすると 上限レジスタの導入 例 ) 上限レジスタを 1200 にする = プロセス はプログラム番地 1199 までしか使えない ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 26 TSS ではプロセスの実行を中断して他のプロセスを実行 実行中のプロセスに合わせて 基底レジスタ 上限レジスタの値を変更 基底レジスタ 上限レジスタによる方式の欠点 プログラムとデータのサイズの総和が容量を越える場合は実行不可能 プロセスの実行中はの一部のみ利用 未使用部分を補助記憶 ( ディスク ) に退避すれば プログラム データサイズが容量を越えても実行可能 仮想記憶方式 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 27 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 28 見かけ 仮想記憶方式 ( 本来存在しないはずの ) 非常に大きな主記憶があるように見せる方式 内容の一部は補助記憶 ( ハードディスク ) におき OS が主記憶へアクセスしているかのように見せかける この機能を利用すると非常に大きな主記憶を使えるが 非常に遅くなることも多い 仮想 :virtual( 実質的な ) の訳 プロセスの使用領域 主記憶上補助記憶上 実体 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 29 ページング 各プロセスのプログラムおよびデータを同じ大きさのページに分割 を同じ大きさのページフレームに分割 ページフレームは任意のプロセスの1ページを保持可能 ページフレームにないページは補助記憶上に置く 補助記憶ページ テーブル プロセス2 ページ H H テーブル ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 30 5
ページング ( 続き ) プログラム番地から番地への変換 を用いる ページング ( 続き ) プロセスが上にないページを参照したいとき ページフォールト (page fault) と呼ばれる割り込みが発生し プロセスの実行は中断 OSは 必要なページをに読み込む もしページフレームが満杯なら 今上にあるどれかのページフレームの内容を 補助記憶に追放し 必要なページの内容と交換 次にページ を参照したい 上にない ページフォールト 補助記憶 H ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 31 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 32 ページング ( 続き ) どのページをに置き どのページを補助記憶に追い出すか? プロセスが現在参照中のページは当然に置く必要 これから最も長い間参照されないページを追い出すのが理想 プロセスの将来の動作は予測不能なので困難 3つの良く使われる戦略 : 最初にに置いたページから追い出す ( 先入れ先出し :irst In irst Out) IO 方式 最近最も長く未使用だったページを追い出す ( 最長未使用 :Least Recently Used) LRU 方式 直前に最も使用頻度が小さかったページを追い出す ( 最小利用頻度 :Least requently Used) LU 方式 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 33 演習問題 下図において が の順でページを参照するとき ページの追い出しの戦略をIO/LRU/LU 方式でそれぞれ行うとき のページフレームの内容はそれぞれどのように変化するか? 補助記憶 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 34 H H 演習問題の解答 ( 一部 ) 下図において プロセス 1 が の順でページを参照するとき ページの追い出しの戦略を IO 方式で行うとき のページフレームの内容はどのように変化するか? ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 35 演習問題の解答 ( 続き ) 下図において プロセス 1 が の順でページを参照するとき ページの追い出しの戦略を LRU 方式で行うとき のページフレームの内容はどのように変化するか? ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 36 6
演習問題の解答 ( 続き ) 下図において プロセス 1 が の順でページを参照するとき ページの追い出しの戦略を LU 方式で行うとき のページフレームの内容はどのように変化するか? ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 37 ファイルシステム プログラムやデータ ファイル (file) という形で補助記憶 ( ディスク ) に保持 ファイルシステム (file system): OS がファイルを管理するしくみ ファイルの作成 削除 ファイルを整理 検索する手段の提供 ディスク空間の管理 権限のないユーザからのファイルの保護 ハードウェアやソフトウェアの障害によるファイルの破損からの保護 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 38 ファイルシステム ( 続き ) 利用者によってファイルには名前がつけられる ファイルの名前のリスト : ディレクトリ (directory) に保持 Windowsなどではフォルダ (folder) と呼ばれる 利用者のためのディレクトリ : ユーザディレクトリ (user directory ディレクトリのリスト : 親ディレクトリに保持 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 39 ファイルシステム ( 続き ) 一般にディレクトリの親子関係は木構造で表現できる ディレクトリもファイルの一種とみなす ディレクトリの中には 通常ファイルと子ディレクトリを共に含むことが可能 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 40 その他の機能 OSに対する要求 計算機資源の効率的使用のための管理 仮想化 データの管理 通信管理 例外 異常処理 次回予告 次回の内容 10 章コンピュータとソフトウェア 高水準プログラム言語 コンパイラ インタプリタ デバッガ プログラムの実行 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 41 ( コンピュータのしくみ H17 第 11 回 ) 42 7