計算機システム概論

1. 計算機システム概論 コンピュータアーキテクチャの基本について学ぶ 前半部分（中島先生）...主としてハードウェアに関するお話 後半部分（楫）...オペレーティングシステム（ＯＳ）について

2. 講義スケジュール • 教科書は指定しない • 楫担当分の講義資料（このPowerPointのファイル） http://apal.naist.jp/~kaji/lecture/ • 月曜２限，水曜１限 ５月 ６月 月 水 7 9 14 16 21 23 28 30 月 水 4 ✘ （木曜授業の実施のため） 試験

3. 本日の講義 オペレーティングシステムについて学ぶ 本日の講義内容： • オペレーティングシステム（OS）とは何か • OSの役割とは • OSが備えている機能について 本日は，あくまでも「概論」 次回以降の講義で，技術的な詳細について詳しく述べる

4. OSとは何か：OSのない計算機 昔のパソコン（マイコン）： • プログラムを実行するには，カセットテープからロード • 同時に一つのプログラムしかロードできない • メインメモリのどの部分を使用するか，強く意識 • 入出力装置へのアクセスも直接的 ハードウェアとプログラムが 直接的に結びついている シャープ MZ-80C，1980年発売，定価 268,000円 CPU: Z-80 (2MHz), 4KB ROM + 48KB RAM 写真出典 http://www.itoi.co.jp/attic/time3.html

5. ソフトウェア ハードウェアA OSがないと何が困るか ハードウェアとプログラムが直接的に結びついていると... • ハードウェアの性能を最大限に引き出せる • ハードウェアが変わると，ソフトが使えなくなる ソフトウェア ハードウェアB 日本電気 PC-8001 http://www.itoi.co.jp/attic/time41.html MZ-80C

6. OSのある世界 現在のパソコン： • プログラムの格納場所やロード方法は意識不要 • ハードウェアを直接駆動する必要もない • 複数のプログラムを安全・同時に実行可能 • 機器が多少変化しても，プログラムは共通利用可能 • ハードウェアの仕組みは，基本的に昔から変わっていない • 昔は人間が直接やっていたことを， オペレーティングシステム（ＯＳ）がサポートしてくれる • ＯＳは，裏方仕事を引き受ける特別なプログラム

7. ＯＳの役割 • ＯＳ：裏方仕事をひきうける特別なプログラム • システムを使いやすくする • 計算機資源を効率よく利用する • 複数のサービスを同時かつ安全に提供する etc... • 現在のＯＳ：非常に複雑で，多様な役割を負う • 昔はもっとシンプル： 歴史を追うことで，実像が見えてくる

8. 初期のコンピュータシステム • 草創期のコンピュータ： • パンチカードからプログラムやデータを入力 • プログラムは機械語で記述 • 出力は紙テープやラインプリンタ • 別プログラムに切り替えるには，システムリセット • プログラムの作成が面倒 • カードの取り扱いが大変 • プログラムの切り替えも面倒 パンチカード 高級言語，コンパイラ オペレーティングシステム

9. 第１世代のOS • 第１世代のOS（１９５０年代） • プロセッサの利用効率の向上が主目的 • バッチジョブの概念が登場 • バッチジョブ： プログラムの読込と起動，データ投入，出力結果の記録等， 一連の操作内容を一まとめにしたもの • ユーザがコンピュータを直接操作するのではなく， 「操作内容」だけを伝え，適当なタイミングでの処理を依頼する UNIVAC 1

10. 第１世代OSの処理の流れ • 第１世代OSが提供する機能 • バッチジョブの受付 ユーザから投入されたジョブを受け付ける • バッチジョブの切り替え ジョブ実行環境を初期化し，新しいジョブを開始する プロセッサ ＯＳ 結果出力 ジョブ切替 ジョブ受付

11. 第１世代OSの特徴 • 各ジョブが順番にプロセッサを占有する • ジョブの占有時間中に，プロセッサが遊んでしまうことも... • プロセッサのスピード　＞　入出力装置のスピード アクティブ プロセッサ アイドル 入出力装置 データ送受信 • プロセッサ処理と入出力操作を並列化する仕組みが出現 • オフライン入出力，バッファリング，スプーリングetc. • 補助的な仕組みと，メインのプロセッサとの調整が必要 ⇒ OSの仕事

12. プロセッサ 入出力 プロセッサ 入出力 プロセッサ スプール 入出力 プロセッサと入出力処理について • 直接駆動 • プロセッサが出力装置の速度に 歩調をあわせる • バッファリング（キュー） • 出力装置がデータを一時保管し， プロセッサの処理中に裏で作業 • 一時保管場所（バッファ）が使用中 ならば，プロセッサは待機 • スプーリング • バッファを，高速大容量の磁気ディスクで実現 • 入出力の順序やタイミングの調整が可能

13. 第２世代のOS • 第１世代ＯＳ：各ジョブが順番にプロセッサを占有する • 柔軟性の欠如...「急ぎの仕事」に対応できない • 応答性の悪さ...プログラムミスの発見が遅れる • 第２世代のOS（１９６０年代前半） • ユーザの利便性を改善することが強く意識される • 「複数のプログラムが同時並行的に実行」 ...されているように見せる仕組みの実現 ユーザは，「自分が計算機を占有している」ように使える GE-200

14. タイムシェアリングシステム タイムシェアリングシステム（TSS, 時分割処理） • プロセッサが，複数のプログラムを少しずつ実行する • 短い時間（タイムスライス）で，プログラムを切替える 遂次処理 時分割処理 時間経過 時間経過 • トータルの実行時間は変わらない （切替オーバヘッドのため，効率は若干低下） • ユーザの利便性は向上 ⇒ 生産性の著しい向上 将棋の多面指し

15. 実際の計算機 仮想計算機 TSSと仮想計算機 • 時分割処理は，ユーザが計算機を独占しているように「錯覚」させるための仕組み • 各ユーザに「独立した仮想計算機」を提供している • 他ユーザのプログラムの影響を受けないように... • ユーザのミスがシステム全体に影響しないように...

16. プロセスの概念の登場 • 独立した仮想計算機： • 個別のプログラム • 個別の計算環境（メモリやレジスタ等） を保有している • プロセッサは，時分割で， 「各仮想計算機の動作をシミュレートする」 • 実行中の計算環境まで含めた仮想計算機をプロセスと呼ぶ

17. 第３世代のOS • 第２世代OS： • TSSにより，「仮想計算機」をユーザに提供 • 第３世代のOS（１９６０年代後半～７０年代前半） • 抽象性と汎用性の導入 • 仮想計算機： • 論理的な存在で，比較的自由に設計可能 • ハードウェアが違っても，同じ仮想計算機を... • ハードウェア上の制約からの脱却 ⇒　仮想記憶などの技術が確立

18. マイルストーン：IBM OS/360 • IBM System/360： • 1964年発売の汎用計算機ファミリー • 目的や用途に応じて，自由度の高い組合わせが可能 IBM System/360 IBMのWebページより • IBM OS/360： • IBM System/360で採用されたＯＳ • ハードウェアの差異を吸収し，高い汎用性を実現 • 仮想記憶等，当時として最新の技術を導入

19. 第４世代のOS 1970年代後半...コンピュータの小型化，利用者の小集団化 • コンピュータ単体の性能が「小粒」に • 大規模コンピュータ用の OS は「重すぎる」 • 機能をそぎ落とし，技術的に退化する動きも • 第４世代のOS（１９７０年代後半～現在？） • 自己完結するのではなく，「協調作業」を前提とする 仕組みの導入 • プロセス間通信 • ネットワーク対応 • ユーザインタフェイスの充実 Micro VAX 3900

20. プロセス間通信 • プロセス ＝ 仮想計算機 ＋ 実行中の計算環境 • 元々は，他のユーザの存在を意識させないための仕組み プロセス間通信の基本的な考え方 • 単純な機能を持つプロセスを，必要に応じて稼働させる • ある機能が必要なときは，それ専門のプロセスに照会する クライアント プロセス サーバ プロセス

21. プロセス間通信の拡張 プロセス間通信...一台のコンピュータ内に限定する必要はない • 「他のコンピュータで稼働しているプロセスとの通信」へ， 自然に拡張可能 • ファイルサーバ，プリンタサーバ，メールサーバ etc...

22. UNIX オペレーティングシステム • 元来はミニコン，ワークステーション用ＯＳ • 1970年代初頭に誕生，以降のＯＳに大きな影響を及ぼす • 機能のモジュール化 ⇒ 部品を付け足すように，OSの機能を拡張可能 • パイプ，ソケット等の概念 ⇒ シンプルで使いやすいプロセス間通信機能を提供 • 豊富なネットワーク機能 ⇒ インターネットの礎を築く • 高い移植性，優れたパフォーマンス • セキュリティ，安定性，堅牢性に優れた，完成度の高いＯＳ

23. UNIXの歴史 • 初期バージョンの開発は，AT&T （ベル研究所）が主体 • 独占禁止法の関係で，当初は比較的自由に配布可能 ⇒ 急速な普及，発展を遂げる • BSD UNIX...カリフォルニア大バークレー校 • AT&T版をベースに，大規模な機能改善を加えたもの • 豊富なネットワーク機能の実現 • AT&Tが分割され，UNIX の商用利用が可能に • 厳しいライセンス管理，不毛な法廷闘争 • 開発は停滞，オープンソース UNIXへ

24. オープンソースUNIX • UNIXと同様の機能，操作性を提供するＯＳ • ソースコードが公開されており，誰でも無料で利用可能 • GNU/Linux: GNU のソフトウェア群と Linux カーネル • カーネル：自動車のエンジン，に相当 • ソフトウェア群：自動車の他の部品，に相当 • FreeBSD, NetBSD etc... • 派生技術は，他のOS にも取り込まれている • Mac OS, Android ... Linus Torvalds

25. パソコン由来のOS 初期のパソコン... • 非常に機能が低く，OSによるオーバヘッドが無視できない • 極限まで機能を削ぎ落した「OSもどき」を採用 • MS-DOS ... Microsoft Disk Operating System • 当初は，基本的なファイル管理機能のみを提供 • 後に，UNIXライクな機能を追加 • Mac OS ... Apple社 Macintosh 向けのOS • 革新的なユーザインタフェースの提供 • 技術革新への対応遅れ⇒ UNIXベースの Mac OS X へ

26. 現在のＯＳ（１） 現在のＯＳ：これまでの技術を蓄積，多くの役割を背負っている • 計算資源の有効利用 • プロセッサを遊ばせない • ハードウェアの差異の吸収 • プログラムの再利用が可能となる • 論理的で使いやすい計算環境の提供 • プログラミングが楽になる • ユーザの負担を小さくする

27. 現在のＯＳ（２） • プロセスの独立性・安全性保障 • 他のユーザに邪魔されない計算環境を実現 • あるユーザのミスが，他のユーザやシステム全体に 影響しないような仕組みを実現 • 協調作業をサポートする仕組みの提供 • 同一計算機内でのプロセス間通信 • ネットワーク機能等，外部世界との架け橋

28. 本日のまとめ • OSとは何か • 歴史 • 役割 • 機能