[Basic 7] OS の基本 / 割り込み / システムコール / メモリ管理

前回の情報の訂正
● 特権ポート番号 (Privileged ports) は 255 未満ではなく、1024 未満、でした
○ https://stackoverflow.com/questions/10182798/why-are-ports-below-1024-privileged
○ https://unix.stackexchange.com/questions/16564/why-are-the-first-1024-ports-restricted-to-the
-root-user-only
● SDN の分類などに関する説明が間違っていました
○ 正しくは、オーバーレイネットワークと呼ばれる分野があり、 SDN はその中の一つです。 P2P 通信
や、それに用いる DHT なども、オーバーレイネットワーク分野に分類されるようです

前回の情報の補足
● TCP と UDP の性質の差について補足
○ TCP: Stream 通信 … データは流れとして扱われる。分けて送っても、ひとかたまりで届く
○ UDP: Datagram 通信 … データの境界が保存。 10 バイトを 10 回送ったら、そのまま届く
● Mac OS X Yosemite (10.10) では Visual Studio for Mac が使えない
○ 確認が甘かったです、すみません。 El Capitan (10.11) 以降しかサポートされていないようでした。
実機がないのでテストできていないですが、 Mono は 10.7 以降に対応しているようなので、そちら
でお試しください
http://www.mono-project.com/download/stable/

第7回
オペレーティングシステム
1. OS の基本
2. 割り込みとシステムコール
3. メモリ管理
詳解 Linuxカーネル
Daniel P. Bovet, Marco Cesati (著)
ISBN: 9784873113135
画像は https://www.amazon.co.jp/dp/487311313X より引用

オペレーティングシステム (OS) の役割
● 異なるハードウェアを抽象化する
○ 現代のコンピュータには、多くのハードウェア資源や周辺装置 (NIC, GPU, etc…) が接続されてい
る。これらに共通する入出力方法を規定する必要がある
○ ハードウェア資源を実態よりも仮想的に多く見せ、各プログラムに資源の限界を気にする必要をな
くす
● 複数のプログラムを走れるようにする
○ 専用の計算だけを行う機械としてでなく、任意のプログラムを目的に応じて切り替えられるようにす
る
○ 複数のプログラムを同時に走らせられるようにする

OS が具体的に提供する機能
● マルチタスク機能の提供
○ プロセスのライフサイクルの管理
○ 異なるプロセスの時間多重切り替え
○ プロセス間通信
● メモリ資源の管理
○ カーネル空間とユーザ空間の切り分け
○ 仮想記憶領域 / メモリ保護
● ハードウェアとのやり取り
○ 割り込み処理
● ファイルシステム
● ユーザインタフェース (シェル) キーボードマウス NIC USB …
デバイスドライバ
システムコールインタフェース
システムサービス, シェル等
ユーザアプリケーション
メモリ管理
ネットワーク制御
ハードウェア管理
プロセス管理
…

特権モード (カーネルモード)
システムの重要な部分について、ユーザ
アプリケーションが、故意または誤って
メモリ上の状態を書き換えることを防ぐ
ため、特権モードで動作する
ユーザモードのプログラムは、特権モード
のプログラムが利用するメモリ領域に
アクセスすることはできない
CPU は、特権モードとユーザモードとの
区別を管理するキーボードマウス NIC USB …
デバイスドライバ
システムコールインタフェース
システムサービス, シェル等
ユーザアプリケーション
メモリ管理
ネットワーク制御
ハードウェア管理
プロセス管理
…

モノリシック / マイクロカーネル
OS の中心的な役割をするソフトウェア群をカーネルと呼ぶ。カーネルの構成の仕方は
大きく以下のようにわけられる
● モノリシックカーネル (Monolithic Kernel)
OS の機能がひとつの巨大なプログラムとして構成され、カーネルのメモリ空間で動作するもの
(例: Linux)
● マイクロカーネル (Micro Kernel)
メモリ管理やプロセス管理などの最低限をカーネルモードに残し、残りの部分はシステムサー
ビスとして動作させ、アプリケーションとプロセス間通信を行うもの
● ハイブリッドカーネル
上記の折衷 (例: Windows, macOS)

コンピュータが起動するまで
1. 電源が投入される。メモリはまだ空。CPU は ROM
(不揮発性メモリ) 上の BIOS を起動
2. 各機器のテスト (POST) を実施。ブートローダー
が保存されているデバイスを検索
3. ハードディスク上に MBR が見つかったら、その
コードを実行し、アクティブパーティションの
ブートセクタ (IPL) にさらに制御を移す
参考: https://wiki.osdev.org/MBR_(x86)
4. 最終的に OS のコードがメモリに読み込まれ、特権モードで実行される
https://en.wikipedia.org/wiki/BIOS
より引用

マスタブートレコード
IBM PC/AT 互換機からの従来のアーキテクチャ
ではハードディスクなどの補助記憶装置の先頭に
MBR と呼ばれる領域がある
アクティブなパーティションを検索し、そのブート
セクタをメモリに読みこんで、さらに二段階目の
ブートを行う
参考: https://technet.microsoft.com/library/cc976786.aspx
ブートストラップコー
ド領域
(446 バイト)
第1 パーティション
終端記号 (0x55AA)
0x000
0x1BE
0x1CE
0x1DE
0x1EE
0x1FE
0x200
パーティションテーブル
(記憶装置上の区切りに関する
情報が格納されている)

その他の現代的な起動方式
● Preboot Execution Environment (PXE)
ネットワーク経由で OS を読み込んで起動する方法。NIC がブート機能を担う。
DHCP で IP を割り当ててもらい、指定された TFTP サーバから OS のイメージを
ダウンロードして、制御を移転する
● Unified Extensible Firmware Interface (UEFI)
BIOS に代わる、現在最新のコンピュータの多くが用いるブートローダー。記憶装
置の大容量化、周辺装置の高度化に伴い、起動前処理もカスタマイズできるように
する要請から生まれた

OS の役割: プロセス管理
プログラムを実行する単位として、OS はプロセスという単位で管理する。稼働できるプ
ロセスは、スケジューラによって短時間 (クオンタム) ごとに切り替えられながら、順番に
実行される
プロセス A プロセス B プロセス C
オペレーティングシステム

OS の役割: メモリ管理
メモリは、コンピュータの開始時は空 (どの番地にも値が
書き込まれていない状態) であるが、OS の起動やプログ
ラムの起動とともに、メモリが順番に割り当てられていく
OS はメモリについて次のような処理を行う
● アプリケーションからのメモリ割り当て要求に応える
● 割り当てられていない領域へのアクセスを取り締まる
● メモリが不足した場合に、補助記憶装置にメモリの一部
を退避させる
アプリ 1 領域
空き
カーネル
領域
アプリ 2 領域
アプリ 3 領域
ストレージ

OS の役割: ファイルシステム
アプリケーションは、情報を補助記憶装置にいれることで永続化させる。OS はこれらへ
のインタフェースを提供する
● ファイルの作成、読み書き、削除
● アクセス権限の管理
また、記憶装置の機器の種別に依存せずに
これらの操作を透過的に提供する
bin/
boot
bash
cat
chmod
⋮
⋮

OS の役割: ネットワーク
前回までに話した TCP / IP などの通信は、現代のコンピュータが当然必要な機能とし
て、OS の一部として実装されている。次のような操作が透過的に行える
● NIC の管理
● IP, TCP, UDP, DNS, DHCP などの基本的なプロトコルのサポート
● ソケット通信の提供

OS 界隈の歴史
1969 年に AT&T ベル研究所にてケン・トンプソン、デニス・リッチーらが開発したオペ
レーティングシステム。のちに同氏らが C 言語を開発し、ほぼ全面的に C 言語で書き
直す。1980 年後半には、カリフォルニア大学バークレー校から Unix の派生となる
BSD がリリース
1983 年に、リチャード・ストールマンが GNU プロジェクトを創設。エディタや多くのソフト
ウェアがフリーソフトウェアライセンスにて開発される
1988 年に、IEEE が各種 OS が備えるべき共通仕様として POSIX を策定
1990 年に、リーナス・トーバルズが Unix と互換性をもちつつ、GPL のもと完全にフリー
な OS として Linux をリリース

7-2割り込みとシステムコール

割り込み (Interrupt)
計算機の動作上、実行中のプログラムを強制的に中断して、特定の処理を要求できる
機構を割り込みと呼ぶ。OS は割り込み時の処理を管理する
● ソフトウェア割り込み
○ システムコール呼び出し (スーパバイザコール)
○ プログラム割り込み (トラップ, 例外): ゼロ除算, オーバーフロー, ページフォールト, ブレークポイン
ト
● ハードウェア割り込み
○ 入出力割り込み: マウスやキーボードの入力、周辺機器の IO 完了
○ タイマ割り込み
○ マシンチェック割り込み: 機械異常などの信号

割り込みを利用するメリット
● 毎度チェックするのに代わり、必要な場合だけ呼び出してもらえる
○ 例外: 演算時の異常など
● 他のプログラム実行時にでも、緊急な対応ができる
○ マシン異常に関する場合
○ 死活監視に関する信号など
● 入出力のように長い待ち時間がある場合、終わるまでの間に他のタスクを処理でき
る

割り込み時の処理の流れ
割り込みハンドラ (aka 割り込みサービスルーチン, ISR) とよばれる特定のコードに飛
び、緊急で必要な処理を実行して、元のコードにもどる
1. 割り込み要求 (IRQ) を受けて特権モードへ移行
2. 割り込みベクタテーブルから ISR のアドレスを取得
3. 必要に応じて、実行中のレジスタ状態を保存
4. 割り込みへの対応処理
5. 場合によっては、後続処理を予定
6. レジスタ状態を復帰
7. ユーザモードで元のコードへ戻る
0x1000
…
…
…
…
0x7D
0x7E
0x7F
0x80
0x81
int 0x80
...
x86 プログラム
switch (eax) {
case 0x00:
...
}
割り込みハンドラ
割り込みベクタ

割り込み中の割り込み
割り込み中であっても、他の割り込みが発生する可能性がある。優先度が高い割り込み
であれば、割り込み処理中にもさらに中断をして、他の処理を継続する
割り込みを禁止する場合には IMR (割り込みマスクレジスタ) を編集する。一方、非マ
スカブル割り込み (NMI) では、最重要な割り込みなので、割り込み禁止にすることがで
きない
参考: http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.den0024a/ch10s05.html
割り込み
ハンドラ
A
割り込み
ハンドラ
B

システムコール
ユーザプログラムは、ユーザモードで実行される。以下のような操作を行うためには特
権レベルが必要。OS はシステムコールによってこれらの機能を提供
● プロセス管理 - fork / execve / wait / kill / _exit
● ファイル IO - open / pipe / close / write / read / dup / poll / select / link / unlink
● ソケット通信 - socket / connect / bind / listen / accept / send / recv
● デバイス管理 - ioctl
● 情報 - time / getpid
上記は一部の例。数百の API がある。Manpage Section 2 に載っている
システムコールの実行にも割り込みを利用する (たとえば x86 系アーキテクチャではeax レ
ジスタにシステムコール番号をセットし、0x80 番の割り込みを送る)

ページング方式
主記憶装置のアドレスを一定の大きさごとに区分し、ページと呼ばれる単位として管理
する方法。OS からプログラムごとに割り当てるメモリ領域の最小単位
Page 0x0000
Page 0x0001
Page 0x0002
0x00000000
0x00001000
0x00002000
0x00003000
カーネルが利用
Program A が利用
Program B が利用
メモリ上の配置

仮想記憶
メモリ資源の上限は主記憶装置の容量に支配される。多くのプログラムが動作できるよ
う補助記憶装置にメモリの一部を置き、メモリ空間を広げる
Page 0x0000
Page 0x0001
Page 0x0002
0x00000000
0x00001000
0x00002000
0x00003000
メモリ上の配置
ストレージ
Page 0x0100
Page 0x0101
Page 0x0102

ページイン / ページアウト
仮想記憶を用いる場合、必要なデータが常にメモリ上にあるとは限らない。ページを補
助記憶装置に移すことをページアウトと呼び、主記憶装置に戻すことをページインと呼
ぶ。頻繁に起こるとパフォーマンス低下する (スラッシング)
Page 0x0100
Empty
Page 0x0210
0x00000000
0x00001000
0x00002000
0x00003000
ストレージ
Page 0x0101
Page 0x0200
Page 0x0201

ページフォールト
プログラムがアクセスしたいページが、必ずしもメモリ上にあるとも限らない。この場合、
アクセスすると CPU がページフォールトの割り込みを起こし、強制的にページインさせ
る
Page 0x0100
Empty
Page 0x0210
0x00000000
0x00001000
0x00002000
0x00003000
ストレージ
Page 0x0101
Page 0x0200
Page 0x0201
Page 0x0200 使いたい
プログラム
CPU
今ない！フォールト！
割り込み！

ページインのタイミング
● デマンドページング
プログラムがメモリの割り当て要求をだしても、実際に割り当てられたページが使わ
れるまでは主記憶装置に読み込まない
● プリページング
プログラムがあるページを読むという推測がされたら、実際に読み込み命令が発行
される前に、ページインさせてしまう

ページアウトのタイミング
どのページをページアウトさせるかという判断は、計算機のメモリアクセスに大きな影
響を与える。ページ置換アルゴリズムとも
● LRU (Least Recently Used)
最後に使われたのが一番古いページからページアウトしていく方法
● LFU (Least Frequently Used)
単位時間あたりの参照回数が最も少ないページをページアウトさせる方法
● FIFO (First-In First-Out)
最も古くページインしたものをページアウトさせる方法

仮想記憶方式を利用している場合のメモリアドレスは、実際にメモリから読み出す前に
変換が必要となる
仮想記憶のアドレス方式
制御装置
メモリ管理装置
アドレス変換キャッ
シュ (TLB)
CPU
ページ
テーブル
メモリ
0x0000000000123000
仮想メモリアドレス
0xABCD000123123000
実際のメモリアドレス

ページアクセス違反
プログラムが、自分に割り当てられていないページ (本来アクセスできないページ) を要
求すると、OS は不正なメモリアクセスと判断し、安全のために例外を発生させる (例:
SIGSEGV - セグメンテーション違反 )
Page 0x0000
Page 0x0001
Page 0x0002
0x00000000
0x00001000
0x00002000
0x00003000
Program A が利用
Program B が利用
ページ違反！

POSIX でのメモリ割り当て方法
プログラミングでメモリ割り当てを行う場合には
● void *malloc(size_t size);
● void free(void *ptr);
を用いて行う
OS は割り当てられるかの可否を確認して、ページを割り当てて、仮想メモリのポインタ
を返すことになる

第7回まとめ
1. OS の基本
● OS の役割: ハードウェアの抽象化, 任意の複数プログラムの実行
● 機能: マルチタスク, メモリ管理, ハードウェア管理, ファイルシステム, IO
● CPU レベル: 特権モード, ユーザモード
● モノリシック, マイクロカーネル
● ブート
2. 割り込みとシステムコール
● 割り込み: ソフトウェア割り込み, ハードウェア割り込み。割り込みベクタ
● システムコール: 特権モードでシステム操作をするためのAPI
3. メモリ管理
● ページング方式: 仮想記憶実現の手段。ページイン / アウト
● ページアクセス違反, ページフォールト

[Basic 7] OS の基本 / 割り込み / システムコール / メモリ管理

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to [Basic 7] OS の基本 / 割り込み / システムコール / メモリ管理

Similar to [Basic 7] OS の基本 / 割り込み / システムコール / メモリ管理 (20)

More from Yuto Takei

More from Yuto Takei (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (10)