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基本ソフトウェア (OS) ( 前回の続き ) システムの信頼性

基本情報技術概論 ( 第 10 回 )

埼玉大学 理工学研究科 堀山 貴史

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前回の復習

ユーザ

システムソフトウェ

ア

応用ソフトウェア

アプリケーション

基本ソフトウェア

（ＯＳ）

ハー

ドウェ

アミドル

ソフトウェア

・ 制御プログラム （ジョブ管理、タスク管理、記憶管理）

・ 言語プロセッサ （コンパイラ、アセンブラ、インタプリタ）

・ サービスプログラム （ユーザインタフェース）

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主記憶 (main memory, メモリ ) に、 プログラムとデータを置く

前回の復習 ( コンピュータの構成 )

出力装置入力装置

制御装置

補助記憶装置

CPU

演算装置

主記憶装置

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記憶の管理 主記憶に 複数のプログラム を置きたい 主記憶よりも 大きなサイズのプログラム を扱い

たい

実記憶管理 プログラムから、実際の主記憶 ( の大きさや番地 )

が見える スワッピング方式 / オーバーレイ方式

仮想記憶管理 プログラムからは、仮想記憶が見える

OS が、仮想記憶と実記憶とを対応させる セグメント方式 / ページング方式

_________________

_________________

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実記憶管理（１）　スワッピング方式

主記憶に複数のプログラムを置きたい

プログラム Ｃ

ＯＳ

プログラム Ｂプログラム Ａ

主記憶装置

スワップアウト

実行に関係のないプログラムを、

主記憶から待避させる

新しいプログラムを実行したい

1. スワップ アウト

2. 空き領域 に ロード 補助記憶装置

プログラム Ｄ

プログラム Ｅ

________________

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実記憶管理（１）　スワッピング方式

主記憶に複数のプログラムを置きたい

ＯＳプログラム Ａ

主記憶装置 補助記憶装置

スワップイン

スワップアウトされていた

プログラムを主記憶に戻す

プログラム Ｅ

主記憶に空きがなければ、

他のプログラムをスワップアウト

スワップ イン＿＿＿

プログラム Ｄ

実行を再開したい

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実記憶管理（２）　オーバーレイ方式

主記憶よりも大きなサイズのプログラムを扱いたい

実行するプログラムを、セグメントに分ける （ OS ではなく） プログラム自身が ロードのタイミングを

指定

セグメント Ｃ セグメント Ｄ

セグメント Ｂセグメント Ａ

主記憶装置

ルートセグメント

ルート

Ａ Ｂ

Ｃ Ｄ

必要な最大サイズ

※ ＡとＢ、ＣとＤは同時に使わない

________________

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用語： フラグメンテーション ( 断片化 )

OS が記憶領域の割当てと開放を繰り返す

　　　　　　　　→ こま切れの未使用領域 ( 断片 )

　　　　　　　　　　合計では十分な空き領域があるが、

　　　　　　　　　　こま切れのため、使えない

ＯＳ

主記憶装置

プログラム Ｅ

プログラム Ｄ

プログラム Ｆ？

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実記憶

仮想記憶

主記憶よりも大きなサイズのプログラムを扱いたい

OS が必要な所を必要に応じてロードしてくれると便利

OS が主記憶よりも大きなサイズの記憶空間を 仮想的に用意する　（仮想記憶という） プログラムは、実記憶 ( のサイズや番地 ) を気にしなく

てよい　　

分割 Ｄ

分割 ＣＯＳ分割 Ｂ分割 Ａ

分割 Ｃ分割 Ｅ

主記憶装置 補助記憶装置

プログラ

ムＯＳ が、必要に応じてロード

仮想記憶

分割 Ａ

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仮想記憶管理（１）　セグメント方式

セグメント … 論理的に意味のある、分割単位

プログラムをセグメントに分割して、 OS が管理

セグメントのサイズは、可変 （フラグメンテーションが起きる可能性あり）

________________

11

仮想記憶管理（２）　ページング方式

ページ … サイズ固定の分割単位

プログラムをページに分割して、 OS が管理

ページフォルト 必 要なページが、実記憶に配置されていない

ページ置き換え ページフォルトが発生したら 必 要ないページを補助記憶に待避 （ページアウ

ト） 必 要なページを主記憶にロード （ページイ

ン）_____________

________________

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ページ置き換えアルゴリズム F I FO

どのページを必要ないと判断するか F I FO … 最初に入ったページが、最初に出て

いく

割当てステップ

次の仮想ページの参照に対し、実記憶の状態は F I FO により どのように変化するか示しなさい。

(H18 年度 秋 改変 )

参照する仮想ペー

ジ実記憶の状態

123456

142151

111

-44

--2

First-In First-Out

参考： Belady の例外

実記憶の割当て量を増やすと、かえってページフォールトが増えることがある

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どのページを必要ないと判断するか LRU … 最も長く使われていないページを捨

てる ( 最後に参照されてからの時間が最も長いページ )

割当てステップ

次の仮想ページの参照に対し、実記憶の状態は LRU により どのように変化するか示しなさい。

(H18 年度 秋 改変 )

参照する仮想ペー

ジ実記憶の状態

123456

142151

111

-44

--2

ページ置き換えアルゴリズム LRULeast Recently Used

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用語： スラッシング

実記憶が極端に小さいと …

⇒ ページング （ページイン と ページアウト） が

頻繁に発生

⇒ 処理時間のほとんどがページング、 プログラム実行のスループットが極端に低下

用語：　参照の局所性

時間的局所性

今 参照されている箇所は、 近い将来 にも参照される可能性が高い

空間的局所性

今 参照されている箇所の 近くの場所 が、 参照される可能性が高い

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※ 仮想記憶やキャッシュは、 これらの局所性のおかげで有効に機能する

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ソフトウェアの基礎

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プログラミング言語 （プログラム言語）

汎用プログラミング言語 低レベル言語

機械語 （マシン語） … 01 で作った命令 （ CPU が解釈する）

アセンブリ言語 … 機械語の命令に名前をつけて分かり易くしたもの （機械語と１対１対応）

高級言語 （高レベル言語） … 計算機アーキテクチャに依存しない C 、 Fortran 等 （手続き型言語） …処理手順を順番に書いた手続きを　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 単位としてプロ

グラムを作る C++ 、 Java 等 （オブジェクト指向言語） …オブジェクト

を単位として 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　プログラムを作る LISP （関数型言語）、 Prolog （論理型言語）

スクリプト言語 Perl 、 Ruby 、 Postscript など

データと、それに対する操作（メソッ

ド）

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言語プロセッサ

コンピュータは機械語（ 01 の並び）しか実行できない

他の言語で書かれたプログラムは？

　　　言語プロセッサで、ソースプログラムを、 　　　機械語で書かれた目的プログラムに変換

アセンブラ … アセンブリ言語を機械語に１対１対応

コンパイラ … 高級言語を機械語に変換

インタプリタ … スクリプト言語を、コンパイルせずに

実行時に命令を１つずつ順番に解釈

（会話的実行に優れる）

用語集： プログラムの特徴

再配置可能 (relocatable) 主記憶のどこに配置しても、実行可能

例 ) 分岐先アドレスが ○○番地に固定 … 再配置可能ではない

　　　　　　 → 相対アドレス指定にする

再帰的 (recursive) 手続きの内部から自分自身を呼び出すことがで

きる

例 ) 階乗の計算 ４！ （つまり ４ ｘ ３ ｘ ２ ｘ １）

= ４ ｘ ３！19

________________

________________ 主記憶

プログラム

プログラム

f ( n ) ｛ if (n == 1) then 1 else n x f ( n – 1 ) ｝

用語集： プログラムの特徴 (2)

再入可能 (re-entrant) 複数のタスクによって同時に実行されても、　

　　　　　それぞれに正しい結果を返す

再使用可能 (re-usable) 逐次再使用可能ともいう 主記憶上の同じプログラムを、複数のタスクが

　　　　　　　１つずつ順番に実行できる 実行前か後に、データ領域を初期化する仕組みがあ

る 20

________________

________________

手続き部分タスク Ａ

タスク Ｂ

データ領域 Ａ

データ領域 Ｂ

データ領域（変数格納など）を分ける

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計算機システムの信頼性

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フォールト トレラント (fault tolerant) 一部が故障しても、本来の機能を維持する

例 ) 連続稼動が必要なシステム、 人命にかかわるシステム

フェイル セーフ (fail safe) 故障が発生した時に、安全を維持する

例 ) エレベータのブレーキ制御が故障したら、自然とブレーキがかかる

フェイル ソフト (fail soft) 故障が発生しても、 (機能が全面停止せずに ) 必 要最小 限の機能を維持する

例 ) 飛行機のエンジンが故障しても、滑空して緊急着陸する

用語集： 信頼性の高いシステム

___________

___________

___________

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用語： バスタブ曲線

時間

故障頻度

初期故障

　

→

偶発的な故障

　

→

消耗故障

　→

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システムの稼働率

平均故障間隔 (Mean Time Between Failure)

平均修理時間 (Mean Time To Repair)

稼働率 =

MTBF

MTBF + MTTR

稼動 故障

MTTR

MTBF

稼動 故障 ・・・

___________

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直列構成のシステム

稼働率 = Ａの稼働率 x Ｂの稼働率

例 ) 0.9 x 0.8 = 0.72

システム Ａ システム Ｂ

稼働率 0.9

稼働率 0.8

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並列構成のシステム

故障 = Ａが故障　∧　Ｂが故障

稼働率 = 1 - （ 1 - Ａの稼働率 ） x （ 1 - Ｂの稼働率 ）

例 ) 1 – (1 - 0.9) x (1 - 0.8) = 1 – 0.1 x 0.2 = 0.98

システム Ａ

システム Ｂ

稼働率 0.9稼働率 0.8

注：　稼動状態を全部考えても良い Ａ 稼動 Ｂ 稼動、Ａ 稼動 Ｂ 故障、Ａ 故障 Ｂ稼動 0.9 x 0.8 + 0.9 x 0.2 + 0.1 x 0.8 = 0.98

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直列と並列の混ざったシステム

部分ごとに、順番に稼働率を計算

Ｂ Ｃ

ＤＡ

28

練習問題： 直列と並列の混ざったシステム

以下のシステム全体としての稼働率はいくらか。ここで、 A ～ C の稼働率は、すべて 0.8 とす

る。A

BC

(H19 年度 秋 )

29

30

31

モジュール A ～ E を次の順で操作する。 操作終了時点で、 主記憶の空き領域は何か所存在す

るか。 ここで、主記憶は 500 kB 、初期状態では何もロー

ドされていない。また、モジュールは空き領域の 先頭からロードする。

[操作 ] A ロード → B ロード → C ロード → B 解放 → D ロード → A 解放 → E ロード

練習問題： フラグメンテーション ( 断片化 )

モジュール

大きさ (kB)

ABCDE

200100150 80 90

(H19 年度 春 改変 )

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この文面は、 TOKYO TECH OCW の利用条件を参考にしました

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配布場所 http://www.al.ics.saitama-u.ac.jp/horiyama/OCW/

この powerpoint ファイルの著作者 堀山 貴史　 2007-2009 horiyama@al.ics.saitama-

u.ac.jp 改変等を加えられた場合は、お名前等を追加してください

図の著作者 p. 2, 20

クリップアート : Microsoft Office Online / クリップアート

その他 堀山 貴史

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