[オペレーティングシステム] 01. オペレーティングシステムとは何か

[割り込み処理過程]

1. I/Oデバイスが作業完了
2. デバイスコントローラが割り込み信号を発生
         |
         v
3. CPUが現在の作業を中断
4. 現在の状態（PC、レジスタ）をスタックに保存
         |
         v
5. 割り込みベクタを通じてISRアドレスを確認
6. ISR（Interrupt Service Routine）を実行
         |
         v
7. 保存された状態を復元
8. 中断された作業を再開

// 割り込みベクタテーブルの概念図
// 各割り込み番号に対応するISRアドレスを格納

typedef void (*isr_handler_t)(void);

isr_handler_t interrupt_vector_table[256];

// 割り込み番号 0: ゼロ除算例外
// 割り込み番号 1: デバッグ例外
// 割り込み番号 14: ページフォルト
// ...
// 割り込み番号 32~255: ユーザー定義（I/Oデバイスなど）

void handle_interrupt(int interrupt_number) {
    // 割り込みベクタからハンドラを探して実行
    isr_handler_t handler = interrupt_vector_table[interrupt_number];
    if (handler != NULL) {
        handler();
    }
}

[記憶装置の階層]

      高速 / 高価 / 小容量
        +-----------+
        | レジスタ    |    < 1ns
        +-----------+
        | キャッシュ(L1)|    ~1ns
        +-----------+
        | キャッシュ(L2)|    ~4ns
        +-----------+
        | キャッシュ(L3)|    ~10ns
        +-----------+
        | メインメモリ  |    ~100ns     （揮発性）
        +-----------+
        |   SSD     |    ~100us     （不揮発性）
        +-----------+
        |   HDD     |    ~10ms
        +-----------+
      低速 / 安価 / 大容量

[DMA動作過程]

CPU                     DMAコントローラ         メモリ
 |                           |                   |
 |-- DMA転送要求 ----------->|                   |
 |   (ソース, 宛先, サイズ)    |                   |
 |                           |--- データ転送 ----->|
 |                           |--- データ転送 ----->|
 |                           |--- データ転送 ----->|
 |<-- 転送完了割り込み -------|                   |
 |                           |                   |

[SMPアーキテクチャ]

  CPU 0        CPU 1        CPU 2
 [レジスタ]   [レジスタ]   [レジスタ]
 [キャッシュ]  [キャッシュ]  [キャッシュ]
    |             |             |
    +------+------+------+------+
           |             |
      [共有メモリ]    [I/Oシステム]

[マルチコアプロセッサ構造]

+--------------------------------------+
|           1つのCPUチップ               |
|  +--------+  +--------+  +--------+ |
|  | コア 0  |  | コア 1  |  | コア 2  | |
|  |[L1Cache]|  |[L1Cache]|  |[L1Cache]| |
|  +--------+  +--------+  +--------+ |
|         +----------+                  |
|         | L2キャッシュ|                  |
|         +----------+                  |
+--------------------------------------+
              |
         [メインメモリ]

[NUMAアーキテクチャ]

+------------------+   インターコネクト  +------------------+
|     ノード 0      |<================>|     ノード 1      |
| CPU 0  CPU 1    |                   | CPU 2  CPU 3    |
| [ローカルメモリ 0] |                   | [ローカルメモリ 1] |
+------------------+                   +------------------+

ローカルメモリアクセス: 高速 (~100ns)
リモートメモリアクセス: 低速 (~300ns)

[モード切り替え過程]

ユーザーモード                        カーネルモード
    |                                   |
    |-- システムコール呼び出し ---------->|
    |   (トラップ発生、モードビット 0)     |
    |                                   |-- システムコール処理
    |                                   |
    |<-- システムコール復帰 -------------|
    |   (モードビットを1に復元)           |
    |                                   |

// システムコールの例: ファイル読み取り
// ユーザープログラムからread()を呼び出す

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    char buffer[1024];

    // open()はシステムコールを通じてカーネルモードに切り替え
    int fd = open("data.txt", O_RDONLY);

    // read()もシステムコール - カーネルがI/Oを実行
    ssize_t bytes = read(fd, buffer, sizeof(buffer));

    printf("読み取りバイト数: %zd\n", bytes);
    close(fd);
    return 0;
}

[オペレーティングシステム核心概念のまとめ]

+------------------------------------------+
|          アプリケーションプログラム          |
+------------------------------------------+
|       オペレーティングシステム（カーネル）    |
|  +------+ +--------+ +--------+ +------+ |
|  |プロセス| |メモリ   | |ファイル | |I/O   | |
|  |管理   | |管理     | |システム | |管理   | |
|  +------+ +--------+ +--------+ +------+ |
+------------------------------------------+
|              ハードウェア                   |
|  CPU / メモリ / ディスク / I/Oデバイス      |
+------------------------------------------+