オペレーティングシステム (OSの機能と構造)

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1 オペレーティングシステム (OSの機能と構造)
2008年10月2日

2 演習候補日 通常の月木２時限目の他に月木4時限目 教科書を必ず持ってくること。
連絡先 酒居 居室: A468 メイル: 専門科目演習日程 部屋 A１０７・Ａ－ＷＳ（不定期なので直前の講義で連絡) 演習候補日 通常の月木２時限目の他に月木4時限目 教科書を必ず持ってくること。

3 コンピュータのハードウェア CPU メモリ システムデバイス（チップセット、スーパーI/O） 外部記憶装置（HDD、FDD、USBメモリ）
通信装置（イーサネット） 入力装置（キーボード、マウス、タブレット、カメラ） 表示装置（ビデオカードとディスプレイ）

4 [Intel, 2005]

5 ルネサス H8/3292 CPU RAM MROM Timer Serial ADC

6 制御プログラムとしてのOSのはじまり OSが無ければ… ハードウェアをすべて制御しなければならない。 異なるアプリケーションを使えない。
ファイル操作どころか、キー入力すらままならない。 異なるアプリケーションを使えない。 共通のインターフェースがないから。 ハードウェア構成を変えられない。 プログラムの改造しかないけど、それは困難。 共通の下地を作れば… 制御プログラムとしてのOSのはじまり

7 OSの位置付け ユーザー アプリケーションソフトウェア 共通のインターフェースを提供 オペレーティングシステム 抽象化 ハードウェア

8 OSの基本概念(2ページ) CPUの抽象化 メモリの抽象化 デバイスの抽象化 ネットワークの抽象化 → 仮想計算機を提供 プロセスとスレッド
仮想記憶 デバイスの抽象化 ファイルシステム ネットワークの抽象化 ソケット 　　　　　　　→　仮想計算機を提供

9 OSの構成(13ページ) カーネル 管理コマンド ユーザーインターフェース デバイスドライバ(割込み・入出力・タイマ管理) 記憶管理
プロセス管理(生成・消滅・スケジュール) 同期と通信制御 ファイルシステム 管理コマンド 利用者管理 ユーザーインターフェース

10 タスクとジョブ タスクはコンピュータからみた仕事の単位 ジョブは人間からみて目的のある一区切りの仕事 シングルタスクOS マルチタスクOS
シングルジョブ シングルタスクOSでもマルチタスクOSでも処理できる マルチジョブ マルチタスクOSでないと処理できない

11 プロセスはプロセッサを抽象化 プロセスどおしは互いに影響を及ぼさないほうがよい デバイスはカーネルの管理下に置きたい

12 OSの構成法(18ページ) 情報隠蔽 方針と機構の分離 階層化 モジュール化あるいはカプセル化 スケジューラとディスパッチャ
ページ管理とページング 階層化

13 情報隠蔽の例 struct file_operations { struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int); ssize_t (*read) (struct file *, char *, size_t, loff_t *); ssize_t (*write) (struct file *, const char *, size_t, loff_t *); int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *); int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *); int (*open) (struct inode *, struct file *); int (*flush) (struct file *); int (*release) (struct inode *, struct file *); int (*fsync) (struct file *, struct dentry *, int datasync); int (*fasync) (int, struct file *, int); int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *); ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*writev) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t *); ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int); unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long,unsigned long); };

14 ユーザープログラムからシステムコールによりカーネル内の処理を呼ぶ。 カーネル内部はモジュール化されている。
モノリシックカーネル(20ページ) ユーザープログラムからシステムコールによりカーネル内の処理を呼ぶ。 カーネル内部はモジュール化されている。 ひとつのプログラムとしてリンクされている。 不要なものまで含んでいるため、巨大になる。 モジュール間は関数呼び出しである。 オーバーヘッドが少ない。 デバイスドライバの変更≒カーネルの再構成 最近は Loadable Kernel Module という機構がある。 DLLと同じように、動的にオブジェクトファイルをリンクする

15 モジュールはシステムサーバーとして実装。
マイクロカーネル(21ページ) カーネルに実装される処理は必要最低限。 モジュールはシステムサーバーとして実装。 各機能は各々プロセスとして実現される。 モジュールが分離していてシステム設計が容易。 モジュール間はプロセス間通信である。 オーバーヘッドが多い。 デバイスドライバの変更≠カーネルの再構成 機能変更や拡張が容易。

16 タスクとユーザー マルチタスク・マルチユーザー マルチタスク・シングルユーザー シングルタスク・シングルユーザー
複数の人が同時に並行処理を行うことができる。 いわゆるUNIX系のOS。 マルチタスク・シングルユーザー 利用者という概念がない。並行処理はできる。 初期のWindows。組み込み用RTOS。 シングルタスク・シングルユーザー 利用者という概念がない。単一処理しかできない。 PC用ではWindowsより前、DOSなど。

17 初期化中 稼動状態 電源オン POST ブートストラップ IPL OS コマンド インタプリタ ユーザ・ タスク1 ユーザ・ タスク2
ハードウェアのリセット処理によりプロセッサが働き始める。つまり、リセットベクタで指定されたプログラムを実行する 初期化中 稼動状態 電源オン POST I/Oのチェック メモリチェック 初期化 ブートストラップ IPL OS IPLを読み込む コマンド インタプリタ OSを読み込み システムタスクとして稼動 ユーザ・ タスク1 ユーザ・ タスク2 OSの初期化終了後、コマンド・インタプリタを起動 ユーザーからのコマンドを処理する ユーザ・ タスクｎ