計算機システムのソフトウェア・アーキテクチャ

システム・プログラムＩ

                                       電子・情報工学系
                                       新城 靖
                                       <yas@is.tsukuba.ac.jp>

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■印刷配布資料

ＷＷＷ、ネットワーク・ニュース、電子メール

■コンピュータ・システムの構成

ハードウェア
ソフトウェア
- 応用プログラム
- システム・プログラム
  エディタ、コンパイラ、アセンブラ、リンケージ・エディタ、インタプリタ
- オペレーティング・システム

オペレーティング・システムの構成

カーネル
シェル
コマンド
サーバ
システム・コールとライブラリ（ＡＰＩ(Application Programming Interface)）

言語を覚えただけでは、プログラムを書くことができない。

図1 システムの構成要素

■プログラムとプロセス

プロセスとは、一言で言えば、プログラムの実行時のイメージ。ここで、プログラムというのは、ＣＰＵが実行できる機械命令の集まり（実行形式、ロード・モジュール）のことである。

１つのプログラムを同時に２個動かすことを考えるとプログラムとプロセスの違いがはっきりする。プロセス(process)は、プロセッサ(processor,CPU)と関係ある。

プロセスには、「利用者の代理」として計算機の中に入り込むものという側面がある。

プロセスの操作

生成（作成）
消滅（削除、終了と強制終了）
切り替え
(プロセス間通信)

シェルにプログラムのロード・モジュールが入っているファイルの名前を打ち込むと、プロセスが作られ、そのプログラムが読み込まれ、実行される。プロセスは、終了させないといつまでも動いている性質がある。終了するためには、終了させる手順を踏む。

UNIXでプロセスを観察するには、ps コマンドを使う。

----------------------------------------------------------------------
% ps 
   PID TTY     TIME CMD
  5815 ttyq1   0:00 tcsh
  5830 ttyq1   0:00 emacs
  5841 ttyq1   0:00 ps
% ps -f 
     UID   PID  PPID  C    STIME TTY     TIME CMD
     yas  5815  5814  1 21:40:00 ttyq1   0:00 -tcsh
     yas  5830  5815  0 21:41:25 ttyq1   0:00 mule -nw
     yas  5842  5815  3 21:42:20 ttyq1   0:00 ps -f
% ps -u $USER 
   PID TTY     TIME CMD
  5838 pts/2   0:00 tcsh
  5815 pts/1   0:00 tcsh
  5830 pts/1   0:00 emacs
  5843 pts/1   0:00 ps
% 
----------------------------------------------------------------------

■プログラムのコンパイルと実行

３種類のプログラム

ソース・プログラム
目的プログラム（オブジェクト・プログラム）
実行形式（ロードモジュール）

コンパイルから実行までに必要なプログラム

エディタ
コンパイラ
リンカ（リンケージ・エディタ）
ローダ(loader)

図2 ソース・プログラムから実行形式まで

cc -c で実行されるプログラム

cpp(the C language preprocessor): プリプロセッサ（前処理プログラム、マクロプロセッサ)
ccom(C Compiler): Ｃコンパイラ本体
as(Assembler): アセンブラ

assembly language で書かれたプログラムを assembler でオブジェクト・プログラムに変換する。

図3 cc -c が実行するプログラム

コンパイルの観察。

◆cc


----------------------------------------------------------------------
% nl -ba today.c 
     1  #define TODAY   "Tuesday"
     2  main()
     3  {
     4          printf("Today is %s.\n",TODAY );
     5  }
% cc today.c 
% ./a.out 
Today is Tuesday.
% 
----------------------------------------------------------------------

◆cc -v


----------------------------------------------------------------------
% cc -v today.c 
/usr/lib/cfe -D_MIPS_FPSET=16 -D_MIPS_ISA=2 -D_ABIO32=1 -D_MIPS_SIM=_ABIO32 -D_M
IPS_SZINT=32 -D_MIPS_SZLONG=32 -D_MIPS_SZPTR=32 -D__EXTENSIONS__ -DLANGUAGE_C -D
_LANGUAGE_C -D__INLINE_INTRINSICS -Dsgi -D__sgi -Dunix -Dmips -Dhost_mips -D__un
ix -D__host_mips -D_SVR4_SOURCE -D_MODERN_C -D_SGI_SOURCE -D_PIC -D__DSO__ -DSYS
TYPE_SVR4 -D_SYSTYPE_SVR4 -D_LONGLONG -D__mips=2 -I -D_MIPSEB -DMIPSEB -D__STDC_
_=1 -I/usr/include today.c -Xv -D_CFE -Amachine(mips) -Asystem(unix) -call_share
d -G 0 -std -XS/tmp/ctmsta001TP -mips2 -EB -Xg0 -O1 > /tmp/ctmfa001TP
cfe: main /usr/lib/cfe phase time: 0.03u 0.04s 0:00.1 100%
/usr/lib/ugen -v -G 0 -pic2 -mips2 -EB -g0 -O1 /tmp/ctmfa001TP -o /tmp/ctmca001T
P -t /tmp/ctmsta001TP -temp /tmp/ctmgta001TP
ugen: main
/usr/lib/ugen phase time: 0.01u 0.04s 0:00.1 100%
/usr/lib/as1 -t5_ll_sc_bug -elf -pic2 -v -G 0 -p0 -mips2 -EB -g0 -O1 /tmp/ctmca0
01TP -o today.o -t /tmp/ctmsta001TP
as1: main
/usr/lib/as1 phase time: 0.00u 0.02s 0:00.1 25%
/usr/lib/ld -elf -_SYSTYPE_SVR4 -require_dynamic_link _rld_new_interface -no_unr
esolved -Wx,-G 0 -mips2 -call_shared -g0 -KPIC -L/usr/lib/ -nocount /usr/lib/crt
1.o -count today.o -nocount -lc /usr/lib/crtn.o
/usr/lib/ld phase time: 0.02u 0.04s 0:00.1 67%
% 
----------------------------------------------------------------------

◆cc -E


----------------------------------------------------------------------
% cc -E today.c > today.i 
% nl -ba today.i 
     1  # 1 "today.c"
     2
     3  main()
     4  {
     5          printf("Today is %s.\n","Tuesday"  );
     6  }
% 
----------------------------------------------------------------------

◆cc -S


----------------------------------------------------------------------
% nl -ba today.s 
     1          .verstamp       7 20
     2          .option pic2
     3          .rdata
     4          .align  2
     5          .align  0
     6  $$5:
     7          .ascii  "Today is %s.\X0A\X00"
     8          .rdata
     9          .align  2
    10          .align  0
    11  $$6:
    12          .ascii  "Tuesday\X00"
    13          .text
    14          .align  2
    15          .file   2 "today.c"
    16          .globl  main
    17          .loc    2 3
    18   #   1  #define TODAY   "Tuesday"
    19   #   2  main()
    20   #   3  {
    21          .ent    main 2
    22  main:
    23          .option O1
    24          .set     noreorder
    25          .cpload $25
    26          .set     reorder
    27          subu    $sp, 32
    28          sw      $31, 28($sp)
    29          .cprestore      24
    30          .mask   0x90000000, -4
    31          .frame  $sp, 32, $31
    32          .loc    2 3
    33          .loc    2 4
    34   #   4          printf("Today is %s.\n",TODAY );
    35          la      $4, $$5
    36          la      $5, $$6
    37          .livereg        0x0C00000E,0x00000000
    38          jal     printf
    39          .loc    2 5
    40   #   5  }
    41          move    $2, $0
    42          .livereg        0x2000FF0E,0x00000FFF
    43          lw      $31, 28($sp)
    44          addu    $sp, 32
    45          j       $31
    46          .end    main
% 
----------------------------------------------------------------------

◆リンクの観察


----------------------------------------------------------------------
% cc -c today.c 
% nm today.o 


Symbols from today.o:

[Index]   Value        Size        Class    Type               Section    Name

[0]     |           0|            |File    |ref=4             |Text     | today.
c
[1]     |           0|            |Proc    |end=3 int         |Text     | main
[2]     |          68|            |End     |ref=1             |Text     | main
[3]     |           0|            |End     |ref=0             |Text     | today.
c
[4]     |           0|            |Proc    |ref=1             |Text     | main
[5]     |           0|            |Proc    |                  |Undefined| printf
[6]     |           0|            |Global  |                  |Undefined| _gp_di
sp
% cc -v -o today today.o 
/usr/lib/ld -elf -o today -_SYSTYPE_SVR4 -require_dynamic_link _rld_new_interfac
e -no_unresolved -Wx,-G 0 -mips2 -call_shared -g0 -KPIC -L/usr/lib/ -nocount /us
r/lib/crt1.o -count today.o -nocount -lc /usr/lib/crtn.o
/usr/lib/ld phase time: 0.02u 0.05s 0:00.1 88%
% 
----------------------------------------------------------------------

■ライブラリ関数とシステム・コール

Ｃ言語でプログラムを作る時に、次の３つを使うことになる。

システム・コール。カーネル（システム）の機能を利用する。 man の２章に説明がある。UNIX独自。
ライブラリ関数。よく使われる共通のサブルーチン。プロセス内部のメモリの内容を書き換える。 man の３章に説明がある。ＯＳから独立しているものも中にはある。
マクロ定義。Ｃ言語の式や文、ライブラリ関数、システム・コールに展開される。

システム・コールの例

open(),close(),read(),write()

ライブラリ関数の例

fopen(),fclose(),fread(),fwrite(),printf(),scanf(),getchar(),putchar()

マクロ定義の例

getchar(),putchar(),stdin,stdout,stderr

ヘッダ・ファイル stdio.h の観察

----------------------------------------------------------------------
% egrep getchar /usr/include/stdio.h 
extern int      getchar(void);
extern int      getchar_unlocked(void);
#define getchar()       getc_locked(stdin)
#define getchar_locked()        getc_locked(stdin)
#define getchar_unlocked()      getc_unlocked(stdin)
#define getchar()       getc(stdin)
#define getchar_unlocked()      getc_unlocked(stdin)
#define getchar()       getc(stdin)
% egrep stdin /usr/include/stdio.h 
#define stdin   (&__iob[0])
#define getchar()       getc_locked(stdin)
#define getchar_locked()        getc_locked(stdin)
#define getchar_unlocked()      getc_unlocked(stdin)
#define getchar()       getc(stdin)
#define getchar_unlocked()      getc_unlocked(stdin)
#define getchar()       getc(stdin)
% 
----------------------------------------------------------------------

★練習問題

★練習問題5 psコマンド

ps コマンドでプロセスを観察しなさい。

★練習問題6 ccコマンドの観察

cc -v で、cc から実行されるプログラムを観察しなさい。

★練習問題7 nmコマンドによる実行形式のシンボルテーブルの観察利用

nm で、オブジェクト・プログラムと実行形式のシンボルとそのアドレスを観察しなさい。

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Last updated: 1998/05/26 10:41:58

Yasushi Shinjo / <yas@is.tsukuba.ac.jp>