情報通信制御 情報通信工学科　3年 森村　知弘

本講義の取り扱うテーマ OS（オペレーティング・システム）の基本的な働き OSが管理するもの

授業計画 回 項目 第1回 OSの基本概念 第8回 入出力装置 第2回 プロセス管理 第9回 プロセス間通信 第3回 CPU管理と 例外処理 第10回 排他制御 試験 第4回 仮想メモリとメモリ階層 第11回 ネットワーク管理、通信制御 課題 第5回 メモリ管理（１） 第12回 セキュリティ制御 第6回 メモリ管理（２） 第13回 OSの動向 第7回 データ管理とファイルシステム

第1回目の授業内容 OSの基本概要 計算処理の仕組み OSとは？ OSの基本構成要素 OSの歴史

計算機システムの構成 処理装置（ハードウェア） データセット（パラメータなど） プログラム（指示書）

ハードウェアに仕事をさせるには… ハードウェアに対する指示書（プログラム）が必要 仕事の内容、処理手順の定義 例） 洗濯機 例）　洗濯機 洗濯機の仕様（ハードウェアの仕様） 機能 洗濯の手順 注水　→　洗濯　→　すすぎ　→　脱水

ハードウェアとソフトウェア ハードウェア ソフトウェア 仕様（機能） ある入力に対して、ある出力をする ハードウェアに入力を与えて制御する ハードウェアモニタープログラム BIOS（Basic　I/O　System）

計算機システムの構成 計算処理 プログラム データ 主記憶 メイン プロセッサ HDD 入出力装置 周辺装置

処理の仕組み（アドレスマッピング） メインプロセッサ（CPU,MPU）は、ア ドレスを指定することによって各デバ イスを制御する 　各デバイスは、1次元のアドレス（番地） にマッピングされる 　メインプロセッサ（CPU,MPU）は、ア ドレスを指定することによって各デバ イスを制御する ０ｘ００００００００ システムROM領域 システム制御領域 割り込み制御領域 メインプロセッサ （CPU） ０ｘ０１００００００ 周辺装置制御領域 ０ｘ１０００００００ メインメモリ領域

計算機上での処理 主記憶 CPU PC 実行ユニット 周辺機器 制御ユニット プログラム デコーダ 命令フェッチ load データ 命令の実行 store 周辺機器 制御

プリミティブな計算機システム ソフトウェア環境としては、最低限必要なデバイスコントロールのためのプログラムと、システムを起動するためのプログラム（IPL：Initial Program Loader)のみ 処理させたいプログラムをユーザが逐一、計算機システムに組み込む 厳密には、ユーザが主記憶装置にプログラムをロードする メモリ管理、データ保全はユーザがその都度行う 　処理効率（スループット）が悪い 　ユーザの負担が大きい OSの誕生

オペレーティング・システムとは Operating System (OS) OSが生まれた当初の目的 OSの現在の目的 ハードウェアを管理、運用するための基本プログラム群 cf. kernel ユーザがそれまで行ってきたジョブ管理、メモリ管理を自動で行う よく利用する共通の機能を一括して提供 OSが生まれた当初の目的 コンピュータ・システム（計算機システム）を最大限に効率よく運用すること。 OSの現在の目的 マン-マシン・インタフェースに重点

オペレーティング・システムの役割 広義のOSの役割 狭義のOSの役割 コンピュータ・システムに接続されている資源の有効利用 人間とコンピュータ・システムとのインタフェース コンピュータ・システムの変更や新機能の追加手段 狭義のOSの役割 計算資源の有効利用

OSの目的 応答時間の短縮 処理効率（スループット）の向上 ハードウェアの有効活用 データの保全 開発環境（高級言語）の提供 ターンアラウンドタイム（仕事を依頼してから結果を出すまでの時間） 処理効率（スループット）の向上 ハードウェアの有効活用 データの保全 開発環境（高級言語）の提供 コンパイラ、アセンブラ 操作性（ユーザインタフェース）の向上 マシンの多重化と仮想化 　リソースの共有 　相互排除

マシンの多重化（仮想化） 物理的に１つしかないマシン環境を複数のユーザに透過的に扱えるようにすること 実際には、 マルチユーザ マルチタスク 単一しかない計算資源（例えばCPUなど）を共有する 共有のさせ方としては 時分割（Time Sharing) 空間分割(Space Sharing)

コンピュータの処理形態 バッチ処理(batch processing) 対話処理（interactive processing） job(ジョブ）を一時的にためて（ためるものをqueueという)静的に順番どおりに処理を行う 一つのジョブの処理時間が短い 柔軟性に欠ける（投入したjobの変更は不可能） 対話処理（interactive processing） ユーザがその都度ごとに処理を指示する（動的） 一つのジョブの処理効率は悪いが、複数個のジョブ（システムトータル）のハードウェア利用効率は高い 柔軟性がある プロンプト、コマンド リアルタイム処理 ターンアラウンドタイムの制限が厳しい 例）オンライントランザクション、ロボット制御、姿勢制御、自動操縦、ストリーミング

OSを利用する利点 コンピュータシステムの安全性を高める データ保全 マンーマシン・インターフェースの提供 計算資源の有効利用 動作レベル（システムモード/ユーザモード） データ保全 マンーマシン・インターフェースの提供 計算資源の有効利用 複数のユーザが利用できる環境（マルチユーザ） 複数の仕事を並行して行う環境（マルチタスク）

OSがないと… ユーザが直接ハードウェアを制御するプログラムを記述 → ハードウェアの安全性が低下 ユーザが直接ハードウェアを制御するプログラムを記述　→　ハードウェアの安全性が低下 ユーザによる逐一のジョブ投入 or バッチ処理 動的に処理を切り替えることができない システム構成の改変コストが高い マシンの多重化（仮想化）が困難 仮想記憶装置（HDDなど）の使用が困難 ユーザがメモリ管理 オーバーレイ方式　・・・　プログラマーがメモリ番地を考慮したプログラミング

OSの歴史 Batch System Multiprogramming System Time Sharing System (TSS) バッチ処理(sequential) アセンブラ、コンパイラの延長上のもの ローダ、常駐モニター Multiprogramming System 仮想計算機 OS/360 (IBM,1964) … System 360 Time Sharing System (TSS) 時分割 (Time Sharing) cf. 空間分割 CTSS（MIT, 1961), Multics(MIT, 1965), Unix(AT&T, 1969) Modern Operating System Real time OS 分散OS

身のまわりのOS PCのOS … Windows, Mac, Linux WSのOS　… Unix(Solaris, True 64, IRIX, AIX) TRON (東大） Mach（CMU)　…　マイクロカーネル, 分散OS

OSの載っているもの、載っていないもの 広義のOSの意味で… チャンネルひねると番組が変わる昔のTV 洗濯機 昔の携帯電話 自動販売機 昔のラジオ 昔のゲーム機 OSの載っているもの 最近のTV（メニュー画面がある） 最近の電子レンジ（インターネットからメニューをとってくる） i-mode のある携帯電話 組み込み機器用OS

ソフトウェアの階層構造 OS ハードウェア アプリケーション プログラム 文章処理 統計計算 データ ベース ゲーム ユーティリティ ウィンドウ システム コンパイラ システム プログラム OS コマンドインタープリタ APIなど カーネル BIOS ハードウェア

OSの提供する機能 実行管理 システム制御 入出力制御 ファイル制御 ジョブの管理 プロセススケジューリング 開始処理、終了処理 障害管理 データの保全

OSの提供する機能 実行管理 ファイル管理 システム制御 入出力制御 例外制御 プロセス管理 プロセス間通信制御 プログラム管理 ファイル操作処理 装置管理 ファイル管理 システム制御 ディレクトリ制御 領域管理 障害管理 共通処理 アクセス制御 終了処理 入出力制御 通信制御 周辺入出力制御 メモリ管理 開始処理 割り込み制御

OSの種類 カーネル（OSの心臓部） ユーザ環境 タスク環境 その他 モノリシックカーネル … 一枚岩の構成、柔軟性乏しい モノリシックカーネル　…　一枚岩の構成、柔軟性乏しい マイクロカーネル　…　最小限のコアに複数の細かいモジュールを組み込むことで構成が可変。柔軟性高いが、処理のオーバヘッドが大きい ユーザ環境 シングルユーザ マルチユーザ タスク環境 シングルタスク マルチタスク その他 分散処理OS ネットワークOS

OSの2つの側面 マン‐マシン・インタフェース OSに対してどのような形式で命令 を与えるかを規定する CPU(MPU)、メモリの管理 ユーザ側を 向いた顔 ハードウェア を向いた顔 　マン‐マシン・インタフェース OSに対してどのような形式で命令 を与えるかを規定する 　　　　　コマンド（cat,ls など） 　プログラム・インタフェース プログラム中でOSの機能を利用する手段を提供する 　　システム・コール 　ハードウェア資源の有効利用 　CPU(MPU)、メモリの管理 　入出力装置の制御 　新しいデバイスの追加 　

マン-マシン・インタフェース CUI （Character User Interface) コマンド入力方式（対話式） コマンドインタープリター、シェル GUI (Graphical User Interface) メニュー選択などのようにユーザの視覚に訴えるインタフェース X-Window

プログラムインタフェースと動作レベル プログラムインタフェースは動作レベルを持つ 特権モード（システム・モード） ユーザモード スーパバイザコール システムの資源を制限なく利用可能 ユーザモード 資源利用に制限がかかる

ハードウェアとOS OSの機能からハードウェアが決定される ハードウェアからOSの機能が決定される 入出力装置の割り込み インターバルタイマー メモリー管理ハードウェア etc. 例）　携帯電話にのるOSに必要な機能 実行管理 メモリ管理（ただし仮想メモリは除く） システム制御 入出力制御

参考図書 岩波書店 清水 謙多朗 著： 情報処理入門コース’’オペレーティングシステム’’ 岩波書店 所 真理雄 著： 岩波書店　清水　謙多朗　著：　 情報処理入門コース’’オペレーティングシステム’’ 岩波書店　所　真理雄　著： 岩波講座ソフトウェア科学’’計算システム入門’’