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情報通信制御

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. 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 洗濯機の仕様（ハードウェアの仕様）

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Presentation Transcript

  1. 情報通信制御 情報通信工学科　3年 森村　知弘

  2. 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

  3. 授業計画

  4. 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

  5. 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）

  6. 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 • 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

  7. ハードウェアとソフトウェア • ハードウェア • 仕様（機能） • ある入力に対して、ある出力をする • ソフトウェア • 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（BasicI/OSystem）

  8. 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

  9. 処理の仕組み（アドレスマッピング） • 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

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

  11. 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

  12. オペレーティング・システムとは • Operating System (OS) • 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

  13. オペレーティング・システムの役割 • 広義の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

  14. OSの目的 • 応答時間の短縮 • 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

  15. 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 • マルチユーザ • マルチタスク • 実際には、 • 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)

  16. コンピュータの処理形態 • バッチ処理(batch 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

  17. 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 • 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）

  18. 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

  19. OSの歴史 • Batch System • 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

  20. 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

  21. 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…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… • OSの載っていないもの • 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

  22. ソフトウェアの階層構造 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 プログラム ウィンドウ システム コンパイラ システム プログラム コマンドインタープリタ OS APIなど カーネル BIOS ハードウェア

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

  24. プロセス間通信制御 プロセス管理 プログラム管理 領域管理 周辺入出力制御 通信制御 OSの提供する機能 実行管理 例外制御 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 障害管理 共通処理 アクセス制御 終了処理 入出力制御 メモリ管理 開始処理 割り込み制御

  25. OSの種類 • カーネル（OSの心臓部） • 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

  26. OSの2つの側面 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

  27. 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

  28. 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） • 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

  29. 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 • 例）　マルチタスクOSに必要なハードウェア • 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

  30. 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： 岩波講座ソフトウェア科学’’計算システム入門’’

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