計算機システムのソフトウェア・アーキテクチャ

システム・プログラムＩ

                                       電子・情報工学系
                                       新城 靖
                                       <yas@is.tsukuba.ac.jp>

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■コンピュータ・システムの構成

ハードウェア
ソフトウェア
- 応用プログラム
- システム・プログラム
  エディタ、コンパイラ、アセンブラ、リンケージ・エディタ、インタプリタ
- オペレーティング・システム

オペレーティング・システムの構成

カーネル
シェル
コマンド
サーバ
システム・コールとライブラリ（ＡＰＩ(Application Programming Interface)）

言語を覚えただけでは、プログラムを書くことができない。

図1 システムの構成要素

■プログラムとプロセス

プロセスとは、一言で言えば、プログラムの実行時のイメージ。ここで、プログラムというのは、ＣＰＵが実行できる機械命令の集まり（実行形式、ロード・モジュール）のことである。

１つのプログラムを同時に２個動かすことを考えるとプログラムとプロセスの違いがはっきりする。プロセス(process)は、プロセッサ(processor,CPU)と関係ある。

プロセスには、「利用者の代理」として計算機の中に入り込むものという側面がある。

プロセスの操作

生成（作成）
消滅（削除、終了と強制終了）
切り替え
(プロセス間通信)

シェルにプログラムのロード・モジュールが入っているファイルの名前を打ち込むと、プロセスが作られ、そのプログラムが読み込まれ、実行される。プロセスは、終了させないといつまでも動いている性質がある。終了するためには、終了させる手順を踏む。

UNIXでプロセスを観察するには、ps コマンドを使う。

----------------------------------------------------------------------
% ps 
   PID TTY      TIME COMMAND
 14182 ttyp6    0:00 telnetd
 14183 ttyp6    0:00 tcsh
 20628 ttyp6    0:00 ps
 19681 ttyp6    0:01 xemacs
% ps -l 
  F S   UID   PID  PPID  C PRI NI     ADDR   SZ    WCHAN TTY      TIME COMD
  1 S     0 14182   169  0 154 20   8c35c0   17   2927a0 ttyp6    0:00 telnetd
  1 S  1231 14183 14182  1 168 20   8c3600  145 7ffe6000 ttyp6    0:00 tcsh
  1 R  1231 20630 14183  5 179 20   8da1c0   16          ttyp6    0:00 ps
 21 T  1231 19681 14183  0 178 20   8e96c0  377          ttyp6    0:01 xemacs
% ps -f 
     UID   PID  PPID  C    STIME TTY      TIME COMMAND
    root 14182   169  0 19:16:21 ttyp6    0:00 telnetd
     yas 14183 14182  0 19:16:22 ttyp6    0:00 -tcsh
     yas 19681 14183  0 21:13:39 ttyp6    0:01 emacs -nw
     yas 20635 14183  6 21:35:00 ttyp6    0:00 ps -f
% ps -u $USER 
   PID TTY      TIME COMMAND
  7222 ttysa    0:01 less
 14183 ttyp6    0:00 tcsh
  7221 ttysa    0:00 zcat
 20647 ttyp6    0:00 ps
  7214 ttysa    0:00 man
 19681 ttyp6    0:01 xemacs
  7220 ttysa    0:00 sh
  6962 ttysa    0:00 tcsh
  5508 ?        0:02 kterm
% 
----------------------------------------------------------------------

■プログラムのコンパイルと実行

３種類のプログラム

ソース・プログラム
目的プログラム（オブジェクト・プログラム）
実行形式（ロードモジュール）

コンパイルから実行までに必要なプログラム

エディタ
コンパイラ
リンカ（リンケージ・エディタ）
ローダ(loader)

図2 ソース・プログラムから実行形式まで

cc -c で実行されるプログラム

cpp(the C language preprocessor): プリプロセッサ（前処理プログラム、マクロプロセッサ)
ccom(C Compiler): Ｃコンパイラ本体
as(Assembler): アセンブラ

assembly language で書かれたプログラムを assembler でオブジェクト・プログラムに変換する。

図3 cc -c が実行するプログラム

コンパイルの観察。


----------------------------------------------------------------------
% nl -ba today.c 
     1  #define TODAY   "Tuesday"
     2
     3  main()
     4  {
     5          printf("Today is %s.\n",TODAY );
     6  }
% cc -v -c today.c 
cc: CCOPTS is not set.
/lib/cpp today.c /tmp/ctmAAAa23721 -$ -D__hp9000s800 -D__hppa -D__hpux -D__unix -D_PA_RISC1_0  
cc: Entering Preprocessor.
/lib/ccom /tmp/ctmAAAa23721 today.o -Oq00,al,ag,cn,Lm,sz,Ic,vo,lc,mf,Po,es,rs,sp,in,pi,fa,pe,Rr,Fl! -Ac 
% 
% cc -E today.c > today.i 
% nl -ba today.i 
     1  # 1 "today.c"
     2
     3
     4  main()
     5  {
     6          printf("Today is %s.\n","Tuesday" );
     7  }
% cc -S today.c 
% nl -ba today.s 
     1
     2          .SPACE  $TEXT$,SORT=8
     3          .SUBSPA $CODE$,QUAD=0,ALIGN=4,ACCESS=0x2c,CODE_ONLY,SORT=24
     4  main
     5          .PROC
     6          .CALLINFO CALLER,FRAME=16,SAVE_RP
     7          .ENTRY
     8          STW     %r2,-20(%r30)   ;offset 0x0
     9          LDO     64(%r30),%r30   ;offset 0x4
    10          ADDIL   LR'M$2-$global$,%r27    ;offset 0x8
    11          LDO     RR'M$2-$global$(%r1),%r26       ;offset 0xc
    12          ADDIL   LR'M$2-$global$+16,%r27 ;offset 0x10
    13          .CALL   ARGW0=GR,ARGW1=GR,RTNVAL=GR     ;in=25,26;out=28;
    14          BL      printf,%r2      ;offset 0x14
    15          LDO     RR'M$2-$global$+16(%r1),%r25    ;offset 0x18
    16          LDW     -84(%r30),%r2   ;offset 0x1c
    17          BV      %r0(%r2)        ;offset 0x20
    18          .EXIT
    19          LDO     -64(%r30),%r30  ;offset 0x24
    20          .PROCEND        ;out=28;
    21
    22
    23          .SPACE  $TEXT$
    24          .SUBSPA $CODE$
    25          .SPACE  $PRIVATE$,SORT=16
    26          .SUBSPA $DATA$,QUAD=1,ALIGN=8,ACCESS=0x1f,SORT=16
    27  M$2
    28          .ALIGN  8
    29          .STRINGZ        "Today is %s.\n"
    30          .BLOCKZ 2
    31          .STRINGZ        "Tuesday"
    32          .IMPORT $global$,DATA
    33          .SPACE  $TEXT$
    34          .SUBSPA $CODE$
    35          .EXPORT main,ENTRY,PRIV_LEV=3,RTNVAL=GR
    36          .IMPORT printf,CODE
    37          .END
% 
----------------------------------------------------------------------

リンクの観察

----------------------------------------------------------------------
% cc -c today.c 
% nm today.o 
Symbols from today.o:
Name                    Value   Scope  Type    Subspace
$global$            |          |undef |data   |
main                |         0|extern|entry  |$CODE$
M$2                 |1073741824|static|data   |$DATA$
printf              |          |undef |code   |
%
% cc -v -o today today.o 
cc: CCOPTS is not set.
cc: LPATH is not set.
/bin/ld /lib/crt0.o -u main -Fb /usr/lib/uccom -o today today.o -lc
cc: Entering Link editor.
% ls -l today 
-rwxr-xr-x   1 yas      lab        16384 Apr 14 21:44 today
% ./today 
Today is Tuesday.
% 
----------------------------------------------------------------------

■ライブラリ関数とシステム・コール

Ｃ言語でプログラムを作る時に、次の３つを使うことになる。

システム・コール。カーネル（システム）の機能を利用する。 man の２章に説明がある。UNIX独自。
ライブラリ関数。よく使われる共通のサブルーチン。プロセス内部のメモリの内容を書き換える。 man の３章に説明がある。ＯＳから独立しているものも中にはある。
マクロ定義。Ｃ言語の式や文、ライブラリ関数、システム・コールに展開される。

システム・コールの例

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

ライブラリ関数の例

fopen(),fclose(),fread(),fwrite(),printf(),scanf(),getchar(),putchar()

マクロ定義の例

getchar(),putchar(),stdin,stdout,stderr

ヘッダ・ファイル stdio.h の観察

----------------------------------------------------------------------
% egrep getchar /usr/include/stdio.h
     extern int getchar(void);
     extern int getchar();
#    define getchar()   getc(stdin)
% egrep putchar /usr/include/stdio.h
     extern int putchar(int);
     extern int putchar();
#    define putchar(__c)        putc((__c), stdout)
% egrep stdin /usr/include/stdio.h
#  define       stdin   (&__iob[0])
#    define getchar()   getc(stdin)
% 
----------------------------------------------------------------------

★練習問題

(1) ps コマンドでプロセスを観察しなさい。

(2) cc -v で、cc から実行されるプログラムを観察しなさい。

(3) nm で、オブジェクト・プログラムと実行形式のシンボルとそのアドレスを観察しなさい。

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Last updated: 1997/04/14 22:53:16

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