このページでは、OSの全体像と、カーネル・デバイスドライバ・ファイルシステムなどの制御プログラム、カーネルモードとユーザモード、カーネルの作り方の違いがわかります。
- 一言で言うと：
- OS（オペレーティングシステム）が「どんな部品でできていて、どう分担して、どうやって自分の身を守っているか」という話。ソフトウェア分野全体の入口。
OSの全体像（基本ソフトウェア）→ 中核の3部品（制御プログラム）→ OSを守る2つのモード（カーネルモードとユーザモード）→ カーネルの作り方2種
覚え方の軸
- OSは「広い」と「狭い」の2つの意味がある：
- 広義のOS＝制御プログラム＋言語プロセッサ＋サービスプログラム。狭義のOS＝制御プログラムだけ
- 制御プログラムは3部品：
- 頭脳（カーネル）、手足（デバイスドライバ）、本棚（ファイルシステム）
- カーネルの仕事は「〇〇管理」で並べる：
- ジョブ管理、タスク管理、記憶管理、割込み管理、入出力管理 ＋ システムコール
- 「大きな単位 → 小さな単位」：
- ジョブ（利用者から見た仕事）→ ジョブステップ → タスク（CPUを割り当てる単位）
- 守りの仕組みは「特権があるか」で分ける：
- カーネルモード（何でもできる）⇔ ユーザモード（危ない命令はできない → システムコールで頼む）
基本ソフトウェアの構成：OSは3つでできている
- 広義のOS（基本ソフトウェア）：
- 広い視野でとらえたときの基本ソフトウェア
- 制御プログラム（狭義のOS）を中核に、言語プロセッサとサービスプログラムで構成される
- OS：
- オペレーティングシステム
- 言語プロセッサ：
- プログラムを翻訳するソフトウェア（詳しくは後の「言語処理ツール」）
- サービスプログラム：
- ユーティリティともいう
- 業種や業務に関係なく必要になる処理を行う、実用的なソフトウェア
- 例：
- テキストエディタ、分類併合プログラム、ソートプログラム、ファイル変換プログラム
制御プログラム：OSの本体
- 制御プログラムの3部品：
- カーネル、デバイスドライバ、ファイルシステム
- 応用プログラム → 制御プログラム（カーネル・ファイルシステム・デバイスドライバ）→ 入出力装置、という位置関係
- ファイルシステム：
- 記憶装置の中にファイルを記録する仕組み
- 応用プログラムに、統一的なファイル入出力インタフェースを提供する
- カーネル（kernel）：
- 主記憶装置に常駐する制御プログラムのモジュール群
- スーパバイザプログラムともいう
- スケジューリングや資源の割振りなど、すべてのプログラムの実行を制御する。OSの中核
- 主な機能：
- ジョブ管理、タスク管理、記憶管理、割込み管理、入出力管理、応用プログラムへのシステムコールサービス
- ジョブ：
- 利用者から見た仕事の単位。コンピュータで実行される、ひとまとまりの処理
- 構成：
- ジョブ → 1つ以上のジョブステップ → ジョブステップはタスク（またはプロセス）でできている
- ジョブ管理：
- ジョブとジョブステップの実行を監視・制御する
- 機能：
- JCL（ジョブ制御言語）を介してジョブを連続的にスムーズに処理する
- スプーリング
- 複数ジョブのスケジューリング
- 補足：
- ジョブは、ジョブスケジューラを構成するリーダ → イニシエータ → ターミネータ → ライタの順に処理される
- スプーリング：
- 遅い入出力処理と、プログラムの実行を切り離す機能（例：印刷データをいったんディスクにためて、CPUは先に次の仕事をする）
- スループット（単位時間あたりの仕事量）の向上に役立つ
- タスク管理：
- CPUの割当て単位であるタスクを管理する
- 同時に動く複数のタスクに、CPU効率を考えた順番でCPU時間を与える（CPUの有効活用）。詳しくは後述
- 記憶管理：
- プログラムを実行するアドレス空間を管理し、有効活用する。詳しくは後述
- デバイスドライバ：
- 入出力装置を直接操作・管理するプログラム
- 装置に依存した処理をするので、装置の種類ごとに用意される。1つのデバイスドライバで1台または複数台の装置を制御する
- カーネルと入出力装置の間のインタフェース
- 流れ：
- 応用プログラムの入出力要求をカーネルが受け取る → カーネルはデバイスドライバに処理を頼み、すぐに次の処理（他のタスク）にとりかかる
- 補足：
- デバイスドライバをカーネルに組み込むと、新しいデバイスを追加するたびにカーネルのリコンパイルが必要になり、柔軟性に欠ける。そのため、カーネルから独立させている
- プラグアンドプレイ（Plug and Play）：
- 新しい周辺装置の接続を検知して、デバイスドライバの組込みや各種設定を自動で行う機能
カーネルモードとユーザモード：OSを壊されないための2つのモード
- 目的：
- あるプログラムが誤ってOSを壊すのを防ぐため、CPUには2つの実行モードがある
- ユーザモード：
- ユーザプログラムの実行を許すモード
- 入出力命令などの特殊命令は実行できない
- カーネルモード（特権モード）：
- カーネルだけが実行できるモード
- 入出力命令などの特殊命令（特権命令）を実行できる
- システムコール（スーパバイザコール：SVC）：
- ユーザプログラムが、カーネルに処理を頼むための呼出し
- 例：
- ファイルを読み書きしたいとき、ユーザモードでは入出力命令を実行できないので、システムコールを呼ぶ → カーネルは要求の内容とパーミッションを確認してから処理を実行する
- 例え：
- お客さん（ユーザプログラム）は金庫を直接開けられないので、窓口（システムコール）で銀行員（カーネル）に頼む。銀行員は本人確認（パーミッション）をしてから金庫を開ける
- パーミッション：
- あるデータに対する、読み・書き・実行の権限
マイクロカーネルとモノリシックカーネル
| 種類 | カーネルに持たせる機能 | 長所 | 短所 |
|---|---|---|---|
| マイクロカーネル | タスク管理や記憶管理など必要最小限だけ。他の機能はサーバプロセスとして、必要なときに呼び出す | カーネルが小さい。機能ごとに変更しやすい | サービスを実行するたびにプロセスの切替えが多くなる |
| モノリシックカーネル | OSのほとんどすべての機能（monolithic＝一枚岩的な） | プロセスの切替えが少ない（処理が高速） | カーネルサイズが大きく、主記憶を有効に使えない。特定の機能だけを変えるのが難しい |
混同しやすいペア
- 広義のOS（制御プログラム＋言語プロセッサ＋サービスプログラム）／狭義のOS（制御プログラムだけ）
- カーネル（OSの中核。スーパバイザプログラム）／デバイスドライバ（装置ごとの操作プログラム。カーネルから独立）
- ジョブ（利用者から見た仕事）／タスク（CPUを割り当てる単位）
- カーネルモード（特権モード。特殊命令OK）／ユーザモード（特殊命令NG → システムコールで頼む）
- マイクロカーネル（最小限。変更しやすいが切替えが多い）／モノリシックカーネル（全部入り。速いが大きく変えにくい）
- スプーリング（遅い入出力と実行を切り離す）／プラグアンドプレイ（装置の追加を自動で設定する）