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Modern Operating System 1_1
- 2. 最近のコンピュータシステム 全体として複雑 • 1個以上のプロセッサ • メインメモリ • ディスク • キーボード • ネットワークインタフェース • 入出力デバイス 全ての構成要素に注意しながらのプログラミングは大変困難 2
- 4. オペレーティングシステム • カーネルモードまたはスーパーバイザモードで 実行されるソフトウェア – ハードウェア保護機構によって ユーザの改ざんから保護されている • ユーザモードで実行されるプログラムも OS に含まれるかどうかは議論の余地がある 4
- 5. 拡張マシンとしての オペレーティングシステム • ハードウェアの詳細を単純で適切な 概念として提供するプログラム – フロッピーディスクが修正周波数変調で記録 されているかどうかは知ったこっちゃない • OS はハードウェアを扱いやすい 拡張マシン(仮想マシン)の役割になる 5
- 6. リソースマネージャとしての オペレーティングシステム • 複雑なシステムの各構成要素全てを管理 – プロセッサ、メモリ、I/Oデバイスを競合使用する 多くのプログラムに整然と割り当てる – 複数ユーザで利用するリソースを管理・保護する • 時分割方式 – (シングルコア・シングルスレッド)CPU、プリンタ • 空間分割方式 – メモリ、ハードディスク等 6
- 7. オペレーティングシステムの歴史 • 世界初のデジタルコンピュータ – Charles Babbage(1792-1871) 「解析エンジン」 – OS なし – 当時の技術では完成しなかった – お金がなかった 7
- 8. オペレーティングシステムの歴史 第一世代: 真空管と配線盤 • ENIAC – サイクル時間が秒単位 – 巨大(何万もの真空管) • OS なし • 配線板を組み直してプログラムする – パンチカードの導入 8
- 9. オペレーティングシステムの歴史 第二世代: トランジスタとバッチシステム • 「メインフレーム」 1. プログラムを(紙に)書く 2. カードにパンチする 3. 持っていく 4. コーヒーを飲む • バッチシステムの採用 9 IBM 1401 IBM 7094 プログラマ カード プリント 入力テープ 出力テープ By ArnoldReinhold (Own work) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons
- 10. オペレーティングシステムの歴史 第三世代: IC とマルチプログラミング • System/360 – 1401と7094のように 異なっていた製造ラインを統一 – アーキテクチャと命令セットは同じ – あるマシンで書かれたプログラムは ファミリの全マシンで実行可能 →全マシンで実行可能でなければならない – 科学計算も商用分野の計算もできる 10 Bundesarchiv, B 145 Bild-F038812-0014 / Schaack, Lothar / CC-BY-SA 3.0 [CC BY-SA 3.0 de (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/de/deed.en)], via Wikimedia Commons
- 11. オペレーティングシステムの歴史 第三世代: IC とマルチプログラミング • マルチプログラミング – 入出力中に他のジョブが CPU を使用できる – OS/360 はメモリ中に共存する複数ジョブを 独立して安全に管理保護するハードウェアを持つ • バッチ処理主体 – 「応答時間を速くしたい」 →時分割方式へ 11
- 12. オペレーティングシステムの歴史 第三世代: IC とマルチプログラミング • CTSS: Compatible Time Sharing System – 時分割システムの最初の重要なシステム – MIT – 7094 を改良 – 普及せず • MULTICS: MULTiplexed Information and Computing Service – 成功したが普及せず – MIT、ベル研究所、GE – Intel 386 より若干高性能 12
- 13. オペレーティングシステムの歴史 第三世代: IC とマルチプログラミング • DEC PDP-1 – ミニコンピュータ – 18 bit/word – 12万ドル(安い) – PDP-11 で頂点を迎える 13 By Stefan_Kögl (Own work) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) or CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)], via Wikimedia Commons PDP-11/40 By Matthew Hutchinson (http://www.flickr.com/photos/hiddenloop/307119987/) [CC BY 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/2.0)], via Wikimedia Commons PDP-1
- 14. オペレーティングシステムの歴史 第四世代: パソコン IBM「OS くれよ」 Bill Gates「CP/M を持ってる Digital Research に聞いてみ」 IBM「CP/M(Control Program for Microcomputer) くれよ」 Digital Research「無理」 (Bill Gates「5万ドルで DOS くれよ」) (Seattle Computer Products「ええで」) IBM「OS くれよ」 Bill Gates「DOS やるよ」 IBM「DOS 改善してよ」 Bill Gates「MS-DOS 開発するぞ」 14
- 15. オペレーティングシステムの歴史 第四世代: パソコン • MS-DOS – 80386, 80486上で流行る – 先進的な機能の多くは UNIX を引き継ぐ (Microsoft は設立当時 UNIX を売っていた) • Macintosh – Steve Jobs – GUI 15
- 16. オペレーティングシステムの歴史 第四世代: パソコン • Windows – Macintosh に影響を受ける – MS-DOS 上のグラフィカルな環境 • Windows 95, Windows 98 – MS-DOS はブート時と互換性を保つために使用 – 16bit のアセンブリ言語を含む 16
- 17. オペレーティングシステムの歴史 第四世代: パソコン • Windows NT (New Technology) – 完全な 32bit システム – Windows 2000 は NT 5.0 – Windows 10 は NT 10.0 • UNIX – X Window System をサポート 17
- 18. オペレーティングシステムの世界 メインフレーム用オペレーティングシステム • 大きなジョブを一度に処理 – バッチ処理 • 保険会社、営業報告 – トランザクション • 銀行、座席予約 – タイムシェアリング • 遠隔ユーザによるデータベース問い合わせ • 例: OS/390 18
- 19. オペレーティングシステムの世界 サーバ用オペレーティングシステム • ネットワークを介して複数ユーザに サービスを行う – ハードウェアリソース、ソフトウェアリソースの共有 – 印刷サービス – ファイルサービス – Web サービス • 例: UNIX, Windows 2000, Linux 19
- 21. オペレーティングシステムの世界 パソコン用オペレーティングシステム • ワープロ • スプレッドシート • インターネットアクセス • 例: Windows 98, Windows 2000, Macintosh OS, Linux 21
- 22. オペレーティングシステムの世界 リアルタイム用オペレーティングシステム • 時間が重要となるシステム – 例:車が組み立て段階に移ったら◯◯する • ハードリアルタイムシステム – 決められた時点で動作が必ず生じる必要がある • ソフトリアルタイムシステム – デッドラインを超えることが許容できるシステム • 例: VxWorks (航空・宇宙・防衛用途), QNX (BlackBerry のベース) 22
- 23. オペレーティングシステムの世界 組み込み用オペレーティングシステム • PDA • 例: PalmOS, Windows CE 23
- 26. コンピュータハードウェアの概要 プロセッサ • コンピュータの「頭脳」 1. 命令をメモリからフェッチ 2. デコード 3. 実行 4. 後続命令をフェッチ 26
- 27. コンピュータハードウェアの概要 プロセッサ • 変数と一時的な結果を格納するレジスタを持つ – 1ワードをメモリからレジスタに格納する命令 – 1ワードをレジスタからメモリに格納する命令 • プログラムカウンタ – 次にフェッチするべき命令が格納されている メモリアドレスを格納している • スタックポインタ – 現在使用しているスタックの先頭を指している 27
- 28. コンピュータハードウェアの概要 プロセッサ • プログラム状態語 – 比較命令実行後に設定される条件コードビット – CPU の優先度 – 実行モード(ユーザモードかカーネルモード) 28
- 29. コンピュータハードウェアの概要 プロセッサ • パイプライン方式 – フェッチ、デコード、実行の各ステージの処理を 異なったユニットで行う 29 フェッチ デコード 実行 フェッチ デコード 実行 フェッチ デコード 実行 命令1 命令2 命令3
- 30. コンピュータハードウェアの概要 プロセッサ • スーパースカラ – 実行ユニットが複数 • 整数演算用、浮動小数点演算用、論理演算用など – 1度に複数命令がフェッチされ保持バッファへ – 各実行ユニットは保持バッファに実行可能な 命令が無いか調べ、あれば実行 – プログラムは順序を乱して実行されることも ある 30
- 31. コンピュータハードウェアの概要 プロセッサ • システムコール – ユーザプログラムが OS からのサービスを受ける ために必要 – カーネルへのトラップ 31
- 33. コンピュータハードウェアの概要 メモリシステム • レジスタ – CPU と同じ材質で作られている – CPU と同程度に速い – 一般的には 32bit CPU では 32bit レジスタが32本 64bit CPU では 64bit レジスタが64本 33
- 35. コンピュータハードウェアの概要 メモリシステム • メインメモリ – RAM (Random Access Memory) とも呼ばれる – 『現在、主メモリの大きさは、数十〜数百MB』 35
- 36. • ハードディスク – 複数の金属円盤で構成され、 5400, 7200, 10800 rpm で回転する 36 コンピュータハードウェアの概要 メモリシステム
- 37. コンピュータハードウェアの概要 メモリシステム • 磁気テープ – 安い – 遅い 37
- 38. コンピュータハードウェアの概要 メモリシステム • ROM (Read Only Memory) – 不揮発性 • EEPROM (Electrically Erasable ROM) – 不揮発性 – R/W • CMOS (Complementary MOS) – 金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ – 揮発性、省電力 – 時計、起動回数 38
- 39. コンピュータハードウェアの概要 メモリシステム • 複数プログラムを一度にメモリに格納することは CPU の使用効率から望ましい 1. プログラム同士、あるいはプログラムからカーネル をどのように保護するか 2. どのように再割り当てを行うか • プログラムがコンパイル、リンクされる時点ではロード時の メモリ内の位置を知らない →全アドレスを調べ、ロード時にプログラムを再割当てする →実行中に再割当てする 39
- 40. コンピュータハードウェアの概要 入出力デバイス • コントローラとデバイス自身で構成される • コントローラはデバイス制御の 複雑さを OS に対して隠蔽する • コントローラに対応する デバイスドライバが必要 – OS ごとに異なる 40
- 41. コンピュータハードウェアの概要 入出力デバイス • ドライバはカーネルモードで動く • 新ドライバの実装方法 1. 新ドライバをカーネルと再リンクし立ち上げる 2. OS ファイル内にデバイス用のエントリを作り リブートする 3. リブートせず新たなドライバを受け付け インストールする 41
- 42. コンピュータハードウェアの概要 入出力デバイス • ビジーウェイト 1. プログラムがシステムコールを発行 2. OS が適切なドライバを呼び出す 3. ドライバは入出力を開始 4. デバイスが入出力を完了したかポーリングして待つ – デバイス処理完了まで CPU を浪費してしまう欠点 42
- 43. コンピュータハードウェアの概要 入出力デバイス • 割り込み 1. ドライバはコントローラにやるべき処理を書き込み、 コントローラはデバイスを起動する 2. 入出力を終了すると割り込みコントローラに バスの専用ラインを用いて通知する 3. 割り込みコントローラの割り込み受け付けが可能な場合、 CPU 上のあるピンに信号を送り通知する 4. 割り込みコントローラはデバイス番号をバス上に流す – CPU はデバイス番号から完了したデバイスを知ることができる 43
- 44. コンピュータハードウェアの概要 入出力デバイス • 割り込み – CPU が割り込みを受け付けると プログラムカウンタと プログラム状態語は カレントスタックに積まれ、 CPU がカーネルモードに切り替わる – 処理が終了したら中断した命令から再開 44
- 45. コンピュータハードウェアの概要 バス • ISA (Industrial Standard Architecture) – IBM PC/AT のバス – 動作速度 8.33MHz、2バイト同時転送 – 最高速度は16.67 MB/s • PCI (Peripheral Component Interconnect) – ISA の後継 – Intel が開発 – 動作速度 66MHz、8バイト同時転送 – 転送速度は528 MB/s 45
- 46. • IDE – ディスク、CD-ROM 向け • USB (Universal Serial Bus) – キーボードやマウスなどの低速の入出力デバイス向け – 4本の配線コネクタのうち2本は電源供給 – 全 USB デバイスは1つの USB デバイスドライバを共有 → 新たな USB デバイスを追加する際に 新たなドライバを実装する必要が無い 46 コンピュータハードウェアの概要 バス
- 47. コンピュータハードウェアの概要 バス • SCSI (Small Computer System Interface) – かなりのバンド幅を必要とするデバイス向け – 160 MB/s • IEEE 1394 – 50 MB/s 47
- 48. コンピュータハードウェアの概要 バス • プラグ・アンド・プレイ (plug and play) – システムが自動的に入出力デバイスの情報収集 を行い、割り込みレベルと入出力アドレスを決定 plug and pray 🙏 48