オペレーティングシステム

情報システム概論 I 

                                       筑波大学 システム情報工学研究科 
                                       コンピュータサイエンス専攻, 電子・情報工学系
                                       新城 靖
                                       <yas@is.tsukuba.ac.jp>

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復習

ハードウェアの構成要素
情報の符合化
記憶のための部品の種類・性質

図? ハードウェアの構成要素

目標

キーボードからの入力がプロセスに届くまでどのような要素動くのか理解する。

オペレーティングシステムとは

上巻「第1章 UNIXって何」、Unix Super Text 下巻「第42 章オペレーティングシステム」、「第43章デバイス」参考。

コンピュータを構成する「もの」

ハードウェア
- CPU, メモリ, ハードディスク、キーボード、マウス、ディスプレイ、ネットワーク
ソフトウェア
- アプリケーション・ソフトウェア
  - ＷＷＷブラウザ
  - 電子メール・リーダ
  - ワードプロセッサ
  - ゲーム
- システム・ソフトウェア
  - オペレーティング・システム
  - プログラミング言語処理系
  - ネットワーク・プロトコル通信プログラム
  - データベース

ソフトウェアは究極的には（有用な）０１０１のビット並び。目に見えない。

オペレーティング・システム(operating system)とは

ハードウェアとアプリケーション・ソフトウェアの間の橋渡しをするシステムソフトウェア。

オペレーティング・システムの機能。

ユーザやアプリケーション・ソフトウェアから見て、ハードウェアを直接操作するよりも、便利な実行環境を提供する。
もともとのハードウェアにはそのような機能はないが、コンピュータを操作する時に有用な、ファイルやプロセスといった基本的なもの（オブジェクト）やプロセス間通信機能があたかも存在するかのごとくみせかせる。
ユーザ間やアプリケーション・ソフトウェア間のデータの交換や協調動作を助ける。
ハードウェアを効率的に動作させる。ユーザ間やアプリケーション間でハードウェアを共有させる。
プログラマに、開発用の便利な道具を提供する。

オペレーティング・システムの種類

Unix
- Solaris, Irix, HPUX, AIX
- Linux
- FreeBSD, NetBSD, OpenBSD, ...
- MacOSX
MS-DOS, MS-Windows 95/98/2000/XP/Vista
MacOS9
OS/360
Simbian
Tron

コンピュータが使える＝＝オペレーティング・システムが使える。同じハードウェアに違うＯＳが動いていたら・・・。

オペレーティング・システム役割

基本的なユーザ・インタフェースの提供
実行環境の提供
開発環境の提供
コミュニティの形成: 助け合いの輪
(哲学)

基本的なユーザ・インタフェースの提供

文字によるコマンド（キーボードと文字端末）
グラフィカル・ユーザ・インタフェース(graphical user interface)

実行環境

アプリケーション・ソフトウェアが動作するための基本的な仕組み。

ハードウェアの抽象化・仮想化、間接的な提供
自分以外の他のプログラム

機能

ファイル・システム
仮想記憶: 実際に積んでいるメモリよりも大きなプログラムを利用するための仕掛け
プログラムが協調して動作する仕組み、プロセス間通信、ネットワーク通信
ユーザの識別
保護: バグを含むプログラムや悪意を持ったプログラムが動作していても、システム全体が動き続けるたり、他のプログラムが実行し続けることができる。
構成要素の置き換え、拡張可能性

開発環境

新しいソフトウェアを作るための道具の集合。

コンパイラ
デバッガ
makeコマンド
Eclipse

オペレーティング・システムの構成要素

カーネル
サーバ
シェル
コマンド群
各種ライブラリ関数

図? オペレーティング・システムの構成要素

カーネル

ハードウェアを制御するオペレーティング・システムの中心部。ハードディスク、キーボード、ネットワーク。
基本的なオブジェクト、機能の提供
- ファイル
- プロセス
- プロセス間通信

シェル

カーネルを取り囲んでいる殻。

図? シェルの位置づけ(リング)

図? シェルの位置づけ(層)

シェルの種類

Unixのコマンドインタプリタ (sh, csh, tsh, bash, zsh)
MacOSX Finder
Windows Explore
Xウインドウのウインドウマネジャ

Unix のコマンド用のシェルは、簡単なプログラミングにも使える。キーボードから打った命令をファイルに入れて置く。シェル・スクリプト。

Unix のシェルの特徴

標準入力、標準出力、標準エラーの設定
パイプによる結合
入出力の切り換え

人間との対話で、キーボードやマウスの入力を交通整理する。複数のプログラムが同時にキーボードからの入力を求めたらどうなるか。

基本コマンド群

本来はオペレーティング・システムで提供すべき機能を、カーネルやシェルではなく独立したプログラム（コマンド）として提供する。

組み込みコマンド(built-in command): シェル自身が実行する。cd, exit, set, umask など。
外部コマンド(external command): 独立した実行型式ファイルがある。

Unixでは、ディレクトリの一覧表、ファイルのコピー、ファイル名変更といった基本的な仕事も、ls, cp, mv といった外部コマンドにより実行される。

% which cd 
cd: shell built-in command.
% which ls 
/bin/ls
% ls -l /bin/ls 
-r-xr-xr-x   1 root  wheel  32460 Aug 22  2005 /bin/ls
% ls /bin 
[                       ksh                     rmdir
bash                    launchctl               setup-plt
cat                     link                    sh
chmod                   ln                      slatex
cp                      ls                      sleep
csh                     mkdir                   slideshow
date                    mred                    stty
dd                      mv                      swindle
df                      mzc                     sync
domainname              mzpp                    tcsh
drscheme                mzscheme                test
echo                    mztext                  tex2page
ed                      pax                     unlink
expr                    pdf-slatex              wait4path
games                   planet                  web-server
gmzc                    ps                      web-server-monitor
help-desk               pwd                     web-server-text
hostname                rcp                     zsh
kill                    rm                      zsh-4.2.3
%

/bin の他にも、コマンドを置く場所がある。PATH 環境変数に設定しておくと、シェルが自動的に探してくれる。

システム・コールとライブラリ

プログラマにとってのオペレーティング・システム。

システム・コール(system call): カーネル（システム）のプログラムを直接的に利用する。
ライブラリ(library): カーネルの機能を使わないもの、または、最終的にはカーネルの機能を使うが、より使いやすく便利にしたもの。

両方とも、Ｃ言語からは、関数呼出しの形で使える。 API (Application Programming Interface) とも言う。

システムコールの例：

open(), close(), read(), write()

ライブラリの例：

fopen(), fclose(), fread(), fwrite()
printf(), fgets(), getchar()

システムコールとライブラリの見分け方（Unix編）

マニュアルの２章にあればシステムコール。例: READ(2)
マニュアルの３章にあればライブラリ関数。例: PRINTF(3)

システム・コールは、トラップ命令（trap instruction）を含む。その部分は、アセンブリ言語。

ライブラリ関数は、大部分はＣ言語で書かれている。 printf() のソース・プログラムがある。

Ｃ言語で記述したプログラムは、文法さえあっていればコンパイルはできる。ライブラリ関数やシステムコールがないと動作しない。

リンク

ライブラリやシステム・コールは、コンパイルされてオブジェクト・コードの形で保存されている。実行形式を作る時に取り出され、アプリケーション・プログラマから作成したオブジェクト・コード（main()関数など）と結合（リンク）される。

静的リンク(static link): プログラム実行する前(実行形式を作成する時点)で、ライブラリ関数の呼出しをすべて機械語の手続き呼び出し命令に変換する。データへの参照を絶対番地に変換する。
動的リンク(dynamic link): プログラム実行中に必要に応じてリンクを行う。

動的リンクを行う時には、共有ライブラリ(shared library) を使い、メモリの節約をする。

Microsoft Windows では、システムコールとライブラリの区別が希薄。 Win32 API。3000以上。 Unix のシステムコールは、200程度。

サーバ

本来はオペレーティング・システムで提供すべき機能を、カーネルやシェルではなく独立したプログラムとして提供する。

コマンドとサーバの違い

サーバは、一般にシステムが起動時に実行開始したら終了しない。
複数のユーザの仕事を１つのプログラムでこなす。

Unix 用語では、デーモン(daemon)。

ウィンドウ・システム

ＧＵＩ(Graphical User Interface) を提供するためのプログラム群。オペレーティング・システムとは独立した存在として扱わることもあるが、目的や役割を考えるとオペレーティング・システムと共通。

例

X Window System
MacOSX Aqua

カーネルの仕事

「プロセス」という考え方の提供

プログラムとプロセスの違い。

プログラム: 動いてなくてもプログラム。ハードディスクや CD-ROM に入っていていることもある。
プロセス: カーネルの働きによりメモリに読み込まれている。 CPU が割り当てられたら実行できる。

１つのプログラムから複数のプロセスが作られることもある。１度に１つのプログラムだけをメモリに入れて実行していた時代もある。

ＣＰＵのスケジューリング: 実行可能なプロセスの中で、どのプロセスを実行するかを決める。
スケジューラ: スケジューリングを行うカーネルのモジュール
プロセス切換え、コンテキスト切換え: 実行するプロセスを切り換える
優先順位式スケジューリング(priority scheduling): 実行可能なプロセスの中で、一番優先順位が高いプロセスを実行する
巡回スケジューリング: プロセスは、決められた時間刻み(time slice)の間、ＣＰＵを使い、その時間を使い果たすと、次のプロセスを実行する。一巡したら、最初のプロセスにもどる。
時分割システム(Time Sharing System,TSS): 一度に多くのユーザが利用しているが、ある特定のユーザから見ると、常に自分一人でシステムを専有しているように見える。

Unix では、ps コマンド、top コマンドでプロセスの一覧が表示できる。

優先順位式スケジューリングでは、優先順位の決め方が重要。例。

対話的なプログラムを優先
マルチメディア系（音、ビデオ）を優先

メモリ管理

主記憶（main storage, メイン・メモリ）をどのようにプロセスに配分するかを決めること。

プロセスが要求する分を全て満たすことができない時にどうするか。

ページング(paging)

仮想記憶を実現するための１つの方法。

主記憶をページと呼ばれる固定長のブロックに分割する。
メモリが足りなくなると、プロセスが利用するデータの一部を二次記憶（ディスク）に追い出し(page out)、場所を確保する。空いた場所に、現在必要なデータを二次記憶から読み込む(page in)。

スワッピング(swapping)

メモリが足りなくなると、プロセス全体を二次記憶に追い出すスワップ・アウト(swap out)。
メモリに余裕ができるか、他のプロセスをスワップアウトして空きを作り、スワップインする。

図仮想記憶によるプログラム（プロセス）の実行

ファイル・システム

ディスク上に「ファイル」というデータを格納するソフトウェア的な入れ物を作ること。

ディレクトリ：ファイル名を保存するための特殊なファイル。ディレクトリの中に、さらにディレクトリを登録できる。全体では木構造の名前空間（name space）が作られる。階層化ディレクトリ構造とも言う。

プロセス間通信

プロセスとプロセスがデータをやり取りする。

パイプ
ＴＣＰ／ＩＰ
シグナル
疑似端末

デバイス・ドライバ(device driver)

ディスクやキーボード等のデバイス（周辺装置）を管理し、入出力を制御するモジュール。ハードウェアのメーカが供給するのが普通。

カーネルは、プロセスからのファイル入出力要求をディスク装置の入出力に、プロセスからのネットワーク通信の要求をネットワーク・インタフェース・カードの入出力要求に変換する。この時、ハードウェアを直接操作するのではくデバイス・ドライバと呼ばれるモジュールを呼び出して行う。

デバイス・ドライバの外部仕様は、オペレーティング・システムごとにきめてある。その仕様に従ったデバイス・ドライバが用意されていれば、そのハードウェアが利用可能になる。

デバイス・ドライバの実体は、５個程度の関数。

キーボードからの入力がプロセスに届くまで

図? キーボードから readkey プロセスまで

注意: この図で、次のものは、オペレーティング・システムの要素ではない。

キーボード
コントローラ
端末アプリケーション
readkey の本体

バッファは、データを溜めるためのメモリ。

keyin.c

標準入力から1文字読み出すプログラム。 [readkey.c]

main()
{
    int c ;
    	c = getchar();
	printf("c == %d == 0x%x == [%c]\n",c,c,c );
}

実行例：「a(小文字)」と打ち、リターンを打った時。

% make readkey 
cc     readkey.c   -o readkey
% ./readkey 
a
c == 97 == 0x61 == [a]
%

c には、キーの ASCII コードが入る。 (キートップに印刷された文字が魔法の力で入るのではない。)

キーボード・ハードウェア

キーボードを押すと、電気回路の働きでデバイスのコントローラに信号が現れる。

キーの番号
キーを押したこと（離した時と離した時の両方が認識される）
（修飾キーの状態。）

修飾キーは、control, shift, alt など。他のキーといっしょに使う。

カーネルのデバイス・ドライバ

キーボードのデバイス・ドライバは、キーボードのコントローラからキーの情報を得る。カーネル内のメモリに保存する。

ウインドウ・システム

ウインドウ・システムは、カーネルからread() システムコールでキーの情報を読み出す。

ウインドウ・システムは、ウインドウ・マネジャの指示したアプリケーションにキーの情報を渡す。

この時、次のような情報を付加することがある。

キーの ASCII コード
時刻
修飾キーの状態
ウインドウの ID
キーが押された時のマウス・ポインタの位置

端末アプリケーション

端末アプリケーションは、ウインドウ・システムからキーの情報を得る。ウインドウのライブラリの働きにより、ASCII コードを得る。

カーネルの「疑似端末(pseudo tty)」という機能を通じて、キーの ASCII コードだけを端末の中で動いているプロセスに届ける。

疑似端末を使うと、１組の（ソフトウェアの働きにによる）デバイスでプロセス間の通信を行える。

/dev/ttya0
/dev/ptya0

片方のデバイスに、write() システム・コールで書き込むと、組になっている別のデバイスから read() システム・コールで読み出せる。

プロセスが現在利用している(疑似)端末は、tty コマンドで表示できる。

疑似端末の「中」

疑似端末の中では、次のプロセスが動いている。

シェル(tcsh)
readkey

シェルは、普段は疑似端末からキーボードの入力を読みこみ、解釈している。 readkey というプログラムを実行する時には、疑似端末からの入力を、自分ではなく、readkey が読み込むべきだと設定する。この設定により、キーは、 readkey のプロセスに送り届けられる。

getchar()

readkey は、main() 関数の中から getchar() ライブラリ関数を呼び出している。getchar() ライブラリ関数は、 read() システムコールを実行してとまっている。

端末アプリケーションが疑似端末に write() システム・コールでデータを書き込むと、read() システム・コールからリターンしてくる。

read() システム・コールでは複数のキーのデータが同時に取れることがある。 getchar() は、そのうちの１文字だけを返す。

逆方向

画面に出るのは、ほとんど逆順にデータが流れる。最期のハードウェアは、キーボードではなく、グラフィック・コントローラ。

カーネルではなく、ウインドウ・システムが直接コントローラを操作できるようになっている場合もある。

Last updated: 2008/01/30 15:34:14

Yasushi Shinjo / <yas@is.tsukuba.ac.jp>