情報科学概論 I 第3回 コンピュータとOSのしくみ （株）JSOL 芝野 真次 e-mail:[email protected] HomePage:http://www.lab.tohou.ac.jp/sci/chem/info/ 1 第3回 コンピュータとOSのしくみ 今日の学習内容 コンピュータ • • 通信機器と通信方法 • インターネットへの接続法 OS • • コンピュータの中身（ハードウェア） コンピュータの仕組みと特徴 OSとは Windowsの機能 コンピュータを賢く利用するために • • ハードディスクのお掃除 OSの問題解決 2 講義内容 回 内容 1 オリエンテーション(情報活用概論） 概論 2 インターネットのしくみとメール 基礎知識 3 コンピュータとOSのしくみ 基礎知識 4 情報活用落とし穴(1)（セキュリティ・ウィルス対策） 迷惑防止 5 情報活用落とし穴(2)（個人情報・機密情報・著作権） 迷惑防止 6 Windows 利用の手引 リテラシー 7 MicroSoft Officeの利用法(1) Wordの初歩的な使い方の概説 リテラシー 8 MicroSoft Officeの利用法(2) Excelの初歩的な使い方の概説 リテラシー 9 MicroSoft Officeの利用法(3) PowerPointの初歩的な使い方の概説 リテラシー 10 現象を表す式の意味(1)(基礎） 知識・知恵のネタ 11 現象を表す式の意味(2)（応用） 知識・知恵のネタ 12 科学技術計算(CAE)に求められるもの 知識・知恵のネタ 13 最新ＣＡＥ紹介(1)（分子・熱・流体解析） 企業利用事例 14 最新ＣＡＥ紹介(2)（構造・電磁場解析） 企業利用事例 15 試験 情報リテラシー（information literacy）とは、情報 (information)と識字 (literacy) を合わせた言葉で、情報を 自己の目的に適合するように使用できる能力のこと (Wikipedia:http://ja.wikipedia.org/wiki/情報リテラ シー) 3 これまでの復習 この講義『情報・科学概論』の内容 情報概論 情報技術の基礎知識(インターネット・コンピュータ・セキュリティ・著作権等）を概観する。 科学概論 科学を志すものが知っておくべきことを紹介する。 MS Office 一般的利用法を概観し、それを具体的な科学情報の表現に用いる。 情報と向き合う姿勢を学ぶ 知識・情報について ～大学まで 知識はすべて頭の中に入れておき、試験でその状況を調べる 社会人 知識はあらゆる場所から持ってきて良い。知識を探す能力は必要。(覚える必要はない) 『絶対正しい事』も『絶対間違った事』もない 現在、『確からしい』と思われていることがあるだけ。（過信は禁物） 『光』と『影』を理解し、『影』に対策を忘れない 便利なネット（光）だが、間違った情報（影）やウィルスや悪意あるソフト（影）がある 影を避けて、光を享受するように、心がける。（せめて他人を巻き込まない） 4 これまでの復習 (Internet：IPパケット) Internet通信は以下のように、多くのパケットに分けて送信される。 ルータB ● A1 XX A2 YY Zy IPパケットの流れ A3 CC nn WW A4 ● ルータA 出典：IT Pro 図1-2●イーサネット・フレームの長さに合わせてデータを分割 (http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20070911/281644/zu01_2s.jpg) 5 これまでの復習 (Internet：IPアドレス・IPパケット) Internet通信の単位はIPパケット(パケット：小包):サイズは48-1500バイト ネットワーク上での通信はすべてIPパケットという小さな単位に分割される。 • たとえば、IEで、http://www.nikkeibp.co.jpと打った場合・・・・ (送信元IPアドレス、宛先IPアドレスで、送受信先がわかる) 出典：IT Pro 実験コーナー パケット・キャプチャ・ソフトでIPパケット の中身を見てみよう (http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20071009 /284025/zuas.jpg) 出典：アットマークIT連載 基礎から学ぶWindowsネットワーク (http://www.atmarkit.co.jp/fwin2k/network/baswinlan010/fi g01.gif) 6 これまでの復習(Internet：通信) InternetはLANとWANで構成され、WAN上ではルータ(ゲートウェイ)が通信を監視し、LAN 内の情報のみを取得し、それ以外は最適パスを指示して送り出す。 私のPCからwww.google.co.jpまでのIPパケットの通信経路 • • • • • • • • • • • 0 pathping www.google.co.jp (pathping: 通信コマンド) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ネットワーク障害があっても複数ルートで、通信可能 =>障害に強いシステム Shinji-PC [125.234.1.2] =>私のPC 125.234.1.254.hcm.viettel.vn [125.234.1.254] => 私のルータ(ゲートウェイ) 58.191.136.64 121.83.199.13 60.56.20.77 219.122.245.101 WAN上のルータのIPアドレス 72.14.211.186 209.85.251.32 216.239.43.243 kix01s02-in-f23.1e100.net [74.125.235.247] => www.google.co.jp PC 1 2 9 ● ● 7 5 ● ● 3 My PC Local IP :125.234.1.2 LAN 8 6 ● ルータ(Gateway) Local IP :125.234.1.254 PPP Server: 58.191.136.64 Groval IP: 119.228.180.169 4 ● ● ● ● Google WWW Server Global IP :74.125.235.247 LAN WAN ルーティング例 (上記コマンド結果) 7 これまでの復習 (Internet：クライアント・サーバ) Internetで、提供されるサービスはクライアント・サーバ型サービス クライアント サーバ プロトコル WWW ブラウザ (Mozilla Firefox, Google Chrome, Internet Explorer, Opera, Safari) WWWサーバ (Apache HTTP Server, CERN HTTPd, Internet Information Services) http (Hypertext Transfer Protocol) HTML (Hyper Text Markup Language) HTTP:80 Blog,BBS,SNS,Twitterも基本は WWW Mail メールソフト、ブラ ウザ メールサーバ (Microsoft Exchange Server, qmail, sendmail) POP (Post Office Protocol):受 信 SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)：送信 IMAP (Internet Message Access Protocol):メール操作 POP: 109.110 SMTP: 161,162,465 Webメールでは、ブラウザがメー ルクライアント機能をはたしてい る。 DNS OS コマンド DNS サーバ (BIND, Microsoft DNS Server) DNS (Domain Name System) Protocol DNS Protocol : 53 Domain nameをIPアドレスに変 換 FTP FTPクライアント (FFFTP, WinSCP) FTPサーバ (Bftpd, MS IIS) FTP (File Transfer Protocol) FTP:データ転送ポート:20 FTP:コントロール:21 ファイルの授受に使用 Internetでは、 1.クライアントの要求をクライアントソフトが送信 2.サーバが要求に回答を送りかえす。 3.クライアントはその応答をPCに表示する。 クライアント・サーバ間で、データ授受がなわれている。 8 代表的なポート番号 備考 (注) ソケット通信： IPアドレスとポート番号によって、クラ イアントとサーバは機器内の特定のソ フトウエア同士の通信が可能 IPアドレスとポート番号を組み合わせ たネットワークアドレスを「ソケット」とい い、このような通信を「ソケット通信」と いう。 これまでの復習 (Q&A) 質問に答えて・・・ メールサーバはなぜSMTPとPOPがあるのか？ SMTP:（送信サーバ）クライアントのメール文を集めて、送信先のメールボックスに届ける POP：（受信サーバ）届いたメールをメールボックスから受信する GoogleやYahoo（無料検索サービス)は何で儲けているの？ 解答：企業などからの広告収入を得ています。 理由； 検索されないWebページはないに等しい! 検索上位のWebページは見てもらえる! =>企業は検索サービスで、魅力的に自分のページを紹介してほしい =>広告料を払う価値がある。 スマートフォンとPCの違い PC:各種クライアントソフト（ブラウザ：IE,メーラ:Windows mail等） からネット利用 スマートフォン：各種アプリからネット利用 スマホアプリとは・・・PCのクライアントソフトの機能に無線通信固有の 機能を加えたもの 『スマホは無線LAN上のPCとほぼ同等』 9 電子メールの仕組み（出典： Homeserver on Vine Linux http://www.jitakuserver.net/postfix_basic.html） これまでの復習 (Q&A) 質問に答えて・・・ 0～9までの数字を用いて、数値を表現、10倍ごとに桁が増える。 例: 4539 = 4 * 103 + 5 * 102 + 3 * 101 + 9 * 100=4*1000+5*100+3*10+9*1=(4539)10 • • コンピュータで2進数を用いる理由 21 20 8 4 2 1 0 1 1 0 6 103 102 101 100 4 5 3 9 4539 電気が流れた(電圧がある)か電気が流れていない(電圧0)かで数値（情報）を表現できる。 16進数 : 2進数は記述が長くなるので、4桁毎にまとめた数値記法 0～9,A～Fの英数字を用いて数値を表現、16倍ごとに桁が増える。(A:10,B:11,C:12,D:13,E:14,F:15) 例: (01000001)2 =((0100)2,(0001)2)16=(41)16=4*161+1*160=4*16+1=(65)10(Shift JISコード:A) • • 22 10進数 0,1の数字を用いて、数値を表現、2倍ごとに桁が増える。 例: (0110)2 = 0 * 23 + 1 * 22 + 1 * 21 + 0 * 20=0*8+1*4+1*2+0*1=(6)10 • 23 2進数 : コンピュータ内の数値表現法 • • 2進数 10進数と2進数・16進数 10進数 : 通常利用している数値表現法 日本語文字コード ISO-2022-JP,EUC-JP,Shift_JIS,Unicode (UTF-8,UTF-16)など多く存在し、 文字コードの違いにより、”文字化け”(正しく文字が表示されない)が起こるので注意。(半角カタカナは使用不可など) ホームページがうまく表示できない場合は”エンコード”方式を変えてみる。 (文字化けについて:http://www.kent-web.com/pubc/jcode/) • • 下位4ビット 3 上 位 4 4 5 ビ ッ 6 ト 7 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 A B C D E F G H I J P Q R S T U V W X Y Z a b c d e f g h i j q r s t u v w x y z p F K L M N O k l m n 参考：Shift-JISコード (1バイトコード抜粋) o 10 (出典：Shift-JIS (http://una.soragoto.net/img/topics13_1.png)) 第3回 コンピュータとOSのしくみ コンピュータの中身（１） 内部基本構造 出典：情報機器と商法社会のしく み素材集 本体の内部構造図 (http://www.kome100.ne.jp/main/ contents/cec/mext/johokiki/1102/1102-1-A.jpg) 11 第3回 コンピュータとOSのしくみ コンピュータの中身（１） 内部基本構造 出典：キーマンズネット 内部構造を覗き見「モバイルPC」 2008年冬号 (http://www.keyman.or.jp/at/pcm ob/display/30002802/?vos=evpak ey0008x3033881) 12 第3回 コンピュータとOSのしくみ コンピュータの中身（１） 構成要素 電源ユニット • マザーボード • 外部電源から内部で利用する電源に変 換する装置 すべての機器をコントロールする基板 補助記憶装置類 CD/DVD ROM(RAM)ドライブ • CD (Compact Disc)/DVD （Digital Versatile Disc） ROM (Read Only Memory)などの光補助記憶装置 • ハードディスク装置（HDD) • 磁気記憶装置 • グラフィックスカード • 映像を信号として出力するカードで、ビ デオカードともいう メモリ(Memory ) • 主記憶装置で、RAM (Random Access Memory )とも呼ばれる 13 出典：情報機器と商法社会のしく み素材集 本体内部の構成要素 (http://www.kome100.ne.jp/main/ contents/cec/mext/johokiki/1102/1102-2-A.jpg) 第3回 コンピュータとOSのしくみ 出典：情報機器と商法社会のしくみ素材集 マザーボード コンピュータの中身（２） マザーボード (http://www.kome100.ne.jp/main/contents/cec/mext/joho -kiki/1201/1201-A.jpg) マザーボード(Motherboard): 右図のように、CPUやRAMモジュールなど 他の部品を装着する基板のこと。 • 主要搭載部品 • • • • • • • チップセット • マザーボードの性能を左右する部品であり、 接続されているハードウェアや、グラフィック、 サウンドなどを制御する。 CPUソケット • CPUをはめ込む部品。はめ込む際には 規格にあっているか確認する。 メモリスロット • メモリをはめ込む部品。はめ込む際には規格に あっているか確認する。 バッテリー（バックアップ電池） • BIOSの設定値を保持し、時計を動作させる。コイン 形電池が付いていることが多い。 電源コネクタ • マザーボード本体に電源を供給する為の差込口。 IDEコネクタ/SATAコネクタ • IDEやSATAなどのドライブ用ケーブルを接続する ためのコネクタ。ハードディスクまたはSSD用と光学 ドライブ用に使うことがほとんどである。 14 第3回 コンピュータとOSのしくみ コンピュータの中身（２） マザーボード • 主要搭載部品（続き） • • • PCIスロット • 拡張用のカードを差し込むことで様々な機能を増やすことが出来るスロット。 AGPスロット • ビデオカードを接続するスロット。 各種インターフェース • USBインターフェース・プリンタシリアルインターフェース・マウス/キーボードイン ターフェース・サウンドインターフェースなど。 出典：情報機器と商法社会のしくみ素材集 マザーボード (http://www.kome100.ne.jp/main/contents/cec/mext/joho -kiki/1201/1201-A.jpg) 15 第3回 コンピュータとOSのしくみ コンピュータの中身（１） 拡張カード サウンドカード • LANカード • 通信機能を行うカードで、ネットワークカー ド・ネットワークアダプタ・ネットワークインタ フェースカード（Network Interface Card 、 略称 : NIC）ともいう SCSIカード • コンピュータに音響信号の入出力機能を付 加または強化する拡張カード。 SCSI (Small Computer System Interface)規 格の外部接続の補助記憶装置 (HDD,MO,CD/DVD)を接続するカード グラフィックスカード • 出典：情報機器と商法社会のしくみ素材集 各種の拡張カード 映像を信号として出力するカードで、ビデ オカードともいう 16 (http://www.kome100.ne.jp/main/contents/cec/mext/johokiki/1202/1202-A.jpg) 第3回 コンピュータとOSのしくみ コンピュータの中身（3） CPU CPU (Central Processing Unit；中央処理装置) コンピュータを構成する部品の一つで、各装置の 制御やデータの計算・加工を行う装置。 • メモリに記憶されたプログラムを実行する装置で、 入力装置や記憶装置からデータを受け取り、演算・ 加工した上で、出力装置や記憶装置に出力する。 • 1回の命令で同時に処理できるデータの量によっ て8ビット、16ビット、32ビット、64ビットなどの種類が あり、値が大きいものほど性能が高い。 • 同じビット数でも、1秒間に実行できる命令の回数 (クロック)(「Hz」であらわされる)や、バスと呼ばれる 周辺装置とのデータ伝走路が一度に運べるデータ の量(「ビット」であらわされる)、バスが1秒間に行え る転送の回数(「Hz」であらわされる)などに違いが あり、これらの値が大きいものほど性能が高い。厳 密には、1命令を行うのにかかるクロック数や同時 出典：情報機器と商法社会のしく に実行できる命令数などの違いにも影響される。 み素材集 CPU • (http://www.kome100.ne.jp/main /contents/cec/mext/johokiki/1401/1401-1-A.jpg http://www.kome100.ne.jp/main/ contents/cec/mext/johokiki/1401/1401-2-A.jpg) 17 第3回 コンピュータとOSのしくみ 出典： 左：パソコンの事前知識（概論） (http://zeropaso.gozaru.jp/pasokihon.html) 右：コンピュータの5大装置 （@IT自分戦略研究所： 午前試験に備えよう 基本情報技術者試験講座（2） (http://jibun.atmarkit.co.jp/lskill01/rensai/fe02/fe01.htm l) コンピュータの基本構成（5大装置) 入力装置 (キーボード・マウス) • 出力装置 (ディスプレイ・プリンタ) • プログラムやデータを記憶する装置 制御装置 (チップセット) • 主記憶装置に格納されているデータを外部へ出力する装置 記憶装置 (ハードディスク,CD,DVD) • プログラムやデータを主記憶装置へ送る装置 各装置の全般的な制御を行う装置。例えば、主記憶装置の命令を取り出して解釈 し、各装置に指示を出して命令が実行されるようにする 演算装置 (中央処理装置:CPU) • 演算（四則演算や論理演算など）を行う装置 18 第3回 コンピュータとOSのしくみ コンピュータの仕組みと特徴 ２進数の世界 コンピュータの５大装置の間は電気信号でやり取りされる（右下図参照） • コンピュータの中の処理は勝手な時間になされるの ではなく，一定の時間ごとに規則的に進められる。 この時間の管理をするために，一種の時計が内蔵さ れている。それが，クロックである。 • 左図の凸部(電圧が高い）を1,凹部（電圧0)を0と考 えると、コンピュータ内部では0と1だけが存在する =>2進数の世界 • コンピュータで使う単位 • ビット (bit) • • コンピュータが扱うデータの最小単位。 英語の binary digit （2進数字）の略で、2進数の1けたのこと。 バイト(byte):=8ビット • • • コンピュータにおいて情報の大きさを表すために使われる単位。 1バイトは2進数の8桁、即ち8ビット(bit) 。 256(28)個の整数を表すことができる。 （符号無しで0～255/符号付きで-128～+127） 1バイトのビット表現は可読性(読みやすさ)を考えて、上位4ビットと下位4 ビットに分けて、16進数で表現することがおおい。 • 例：(01100001)2=(61)16=(97)10->”a” 19 第3回 コンピュータとOSのしくみ コンピュータの仕組みと特徴 32ビットオペレーティングシステム • 32ビットのCPUを前提に設計されたオペレーティングシステム • 32ビットCPU：32ビット(4バイト)のレジスタ、アドレスバス、データバスを持つCPU • アドレス空間：232（ = 4,294,967,296 ≒ 4ギガバイト=4GB） • アドレス空間：最大アクセス可能なメモリアドレス。通常は低速な集権機器の ために、メモリは割り当てられているので、プログラムの使用できる最大メモリ は3GB程度 64ビットオペレーティングシステム • 64ビットのCPUを前提に設計されたオペレーティングシステム • 64ビットCPU：64ビット(8バイト)のレジスタ、アドレスバス、データバスを持つCPU • アドレス空間：264（ = 16EB（エクサ・バイト）） • 事実上メモリ制約がなくなった 20 第3回 コンピュータとOSのしくみ 通信機器と通信方法 インターネットへの接続法 • ダイアルアップ(dial-up)接続 • • • • • （ＬＡＮカード） 電話回線やISDN回線などの公衆回線を通じてインターネットや社内LANに接続すること。 一般家庭からインターネットに接続する場合、パソコンにモデムやターミナルアダプタな どの機器を接続する。ダイヤルアップ接続は一般に、PPPプロトコル(Point-to-Point Protocol)が持ちられる。 電話回線があれば、電話会社との別途回線の特別な契約や工事なしに利用可能。 通信速度はアナログモデムで56kbp程度、ISDNで64kbps～128kbps程度 最近は、ダイアルアップより、ADSLが一般的。 接続のためには、ダイアルアップモデムが必要 出典：日本インターネットアクセス(株) ダイアルアップ接続の概要； (http://www.nia.ad.jp/infoNia/support/co_o utline.html) 21 第3回 コンピュータとOSのしくみ 通信機器と通信方法 インターネットへの接続法 • ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)接続 • • • • （ADSLモデム） 電話線を使い高速なデータ通信を行う技術。電話の音声を伝えるのには使わない高い 周波数帯を使って通信を行う技術で、一般の加入電話に使われている電話線を使って 通信する。 ユーザ側から見てダウンロードに相当する電話局→利用者方向(下り)の通信速度は1.5 ～約50Mbps、その逆のアップロードにあたる利用者→電話局方向(上り)の通信速度は 0.5～約12Mbpsと、通信方向によって最高速度が違っていることから、「非対称 (asymmetric)」の名がついた。 ADSLが使っている周波数帯は電気信号の劣化が激しいため、ADSLを利用できるのは 中継局からの距離がおよそ6～7kmまでに限られる。また、ADSLを利用できる電話回線 でも、実際の通信速度は回線の距離や質に大きく影響される。 接続にはADSL工事とADSLモデムが必要。 22 第3回 コンピュータとOSのしくみ 通信機器と通信方法 インターネットへの接続法 • PPPoE (Point-to-point protocol over Ethernet)接続 • • • • PPPの機能をEthernetを通して利用するためのプロトコル 通常、光回線網を用いたFTTH (Fiber To The Home)で用いられる FTTHはADSLと比較して収容局（中継局）からの線路長が長くても伝送損失の影響が少 なく、また道路・鉄道・AMラジオ放送といったノイズ源からの干渉等による外部の影響も 受けない。 FTTH接続には光回線工事と光回線専用モデムが必要 光ケーブル 出典：OCN フレッツ光（ファミリータイプ)； (http://help.ocn.ne.jp/ols/flets/v120/11486 _c_bfv120_wiring_ftype.html) 23 第3回 コンピュータとOSのしくみ 通信機器と通信方法 インターネットへの接続法 • 専用線接続 • • • • • • 主に電気通信事業者が提供する特定顧客専用の有線・無線通信回線を利用した接続 公衆網の輻輳（ふくそう）に影響されない。 公衆網と比較して、情報漏洩・盗聴・改竄の可能性が低い。 通常、定額料金であるので、通信頻度が多く・占有時間が長い場合、公衆網より安価で ある。 二地点間を直接結ぶものの場合、接続動作が不要である。 回線設備の敷設・保守を電気通信事業者が行うので、顧客の技術的負担が私設線より 小さい。 24 第3回 コンピュータとOSのしくみ 通信機器と通信方法 インターネットへの接続法 • 無線接続 • 単位時間に伝送される情報の最大量は、周波数の高さやその幅によって左右される。 電波を利用するため、伝送路としての線を敷設する必要がない。 電波などを発生する他のもの（妨害源という。太陽をはじめとする地球以外の天体、電子 機器や原動機など。）からの妨害による影響を受けやすい。 電波などをその伝搬の途中で受けることで、伝送される情報を第三者が傍受できる。（こ のため、第三者による情報の復元が困難な変調方式を用いたり、そもそも情報自体を暗 号化するなどの手段を講じるものが多い。） 接続には携帯電話や無線LANモデムなどが必要 • Wi-Fi（Wireless Fidelity）:無線LANが商品化された当初は、異なる製品間では相互接 • • • • 続は保証されなかった。2000年3月から、無線LANの統一規格が策定され、相互通信が 可能になった。 （無線LANルータ） BUFFALO WHR-G54S/P 25 第3回 コンピュータとOSのしくみ 通信機器と通信方法 携帯電話の通信規格 • 現在の通信規格 (第3世代移動通信システム：3G) • 国際電気通信連合 (ITU: International Telecommunication Union) が定める「IMT2000」 (International Mobile Telecommunication 2000) 規格に準拠した通信システム のこと • W-CDMA方式 • • CDMA2000方式 • • NTTドコモやソフトバンクモバイルが採用している（欧州ではUMTS方式と呼ば れる） KDDが採用している 次世代の通信規格 (第4世代移動通信システム:4G) • 第3世代携帯電話（3G）と将来登場する第4世代携帯電話（4G）との間の技術である ため、第3.9世代携帯電話（3.9G）とも呼ばれる。 • LTE (Long Term Evolution) • • • 2012年、日本で本格サービス開始。 この規格は世界５０数カ国で利用される見込み 日本ではやっと主要３社で同じ規格となる。 26 第3回 コンピュータとOSのしくみ OS (Operating System) OSとは • オペレーティングシステム（Operating System）とは、 ハードウェアとアプリケーションソフトウェアの間を仲 介し、ハードウエアの詳細まで意識せずに利用でき るようにした基本ソフトウエア群 OSの目的 • ハードウェアの抽象化 • • リソースの管理 • • 目的は同じでも製造元が異なるなどで、動作に差異が あるハードウェアが搭載されている。そのようなハード ウェアの統一的な利用方法を提供し、アプリケーション ソフトウェアの開発を容易にする。 複数のアプリケーションソフトウェアを同時に利用する 際に、互いに独立して動作できるように資源を管理す る。 コンピュータの利用効率の向上 • 複数のタスクを同時に実行する際に、資源割り当ての 順番や処理の割り当て時間を工夫することで、全体の 性能を向上させる。 27 出典：ウィキペディア オペレーティングシステム； (http://ja.wikipedia.org/wiki/オペレーティングシ ステム) 第3回 コンピュータとOSのしくみ OS (Operating System) OSがあるからできること • 複数アプリケーションソフトの連携 • • ハードウエアの詳細情報から開放 • • インターネット上の画像や文書をコピーして、Wordや Excelに貼り付ける どのメーカのLANカードでも利用できる 複数ソフトの同時実行 • 音楽を聴きながら、インターネット検索 出典：ウィキペディア オペレーティングシステム； (http://ja.wikipedia.org/wiki/オペレーティングシ ステム) 28 第3回 コンピュータとOSのしくみ 出典：日経ITPro Windowsの機能 (起動) 図3●電源投入時からマスター・ブート・レコード（MBR）までの流れ； (http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20090113/322746/?SS=img view&FD=55986289&ST=win) コンピュータが起動するまでの動作 • 上図のように、電源投入=>BIOS (Basic Input/Output System)起動=> 起動ディスク起動=>MBR実行 BIOS (Basic Input/Output System):ファームウェアの一つで、コンピュータに搭載されたプロ グラムのうち、ハードウェアとの最も低レベルの入出力を行うためのプログラムである。 MBR (Master Boot Record):ハードディスクドライブの先頭セクタのこと。 29 第3回 コンピュータとOSのしくみ 出典：日経ITPro Windowsの機能 (起動) コンピュータが起動するまでの動作 • MBR起動からの起動(XP) • • • MBRは，ディスク上のパーティション情 報を管理する「パーティション・テーブ ル」と，そのパーティションに処理を渡 す「ブートストラップ・ローダー」で構成 されている。 ブートストラップ・ローダーの役割は， その時点でアクティブになっている パーティションを見つけて，そこから起 動させる。そのために，まずパーティ ション・テーブルの情報からアクティブ な基本パーティションの開始位置を調 べる。そして，そのパーティションの先 頭に記録された「ブート・セクター」を 読み込んで，そこに記録されている 「IPL（イニシャル・プログラム・ロー ダー）」と呼ばれるプログラムに制御を 移す。 このMBRに呼び出されるIPLから先が Windows XPまでとWindows Vista以降 で異なってくる部分である。まずは， Windows XPのブート・プロセスから確 認してみよう 30 図5●Windows XPのブート・シーケンス； (http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20090113/322746/?SS=img view&FD=57833331&ST=win) 第3回 コンピュータとOSのしくみ 出典：日経ITPro Windowsの機能 (起動) コンピュータが起動するまでの動作 • MBR起動からの起動(XP) • • • • 図7●Windows Vistaのブート・シーケンス； (http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN /20090113/322746/?SS=imgview&FD=5968 0373&ST=win) Windows XPまでのWindowsで使用していたIPLは「NTLDR」という ファイルである。NTLDRは，Windows NTの時代から続く由緒正し きOSローダーで，複数のOSを必要に応じて切り替えながら起動 できる。このNTLDRで複数のOSを起動するために利用するのが， 最初に説明したBOOT.INIファイルである。 NTLDRは，まずBOOT.INIファイルを読み込んで，その中に記 述してある情報からOS切り替え画面を表示する。ここでWindows XPを選択すると，NTLDRはWindowsのシステム・フォルダにある 「NTDETECT.COM」を実行して，ハードウエアの互換性をチェッ クする。その後，OSがインストールされているディレクトリに移行し てレジストリを変更・参照したあとに，OSのカーネルである 「NTOSKRNL.EXE」やドライバを読み込み，各種DLLの起動を経 てWindows XPが起動する。 これがWindows XPのブート・プロセスである。この流れの基本 は，Windows XPを単独でインストールした場合や，BOOT.INIが ない場合でも同じである。 MBR起動からの起動(VISTA) • Windows Vistaでは，IPLとして「NTLDR」ではなく「BOOTMGR」と 呼ばれるファイルを使う。BOOTMGRの正式名称は「Windows ブート・マネージャ」と呼ばれている。このBOOTMGRでは，起動 するOSの情報をBOOT.INIでは保存せず，代わりにBootフォル ダにBCD（Boot Configuration Data：ブート構成データ）と呼ばれ るバイナリ・ファイルで保管している 31 第3回 コンピュータとOSのしくみ Windowsの機能 (マルチタスク) Windows95/98/Meのマルチタスク Windows95/98/Meでも、右図のように 複数のソフトを動かすことはできたが、 OSの基本システムの保護が不十分で あったため、ソフトのエラーがシステム にまで影響してしまい、システムが不安 定になる • Windows95/98/Meは過去の Windows3.1やMS-DOSとの互換性を 重要視しため、このような状況が起きた。 • Windows 2000/XP/Vista/7の マルチタスク • 出典：日経ITPro Windows NT/XP/Vista/7のマルチタス クはシステムを保護するための「カーネ ル・モード」という動作モード内にすべ てのシステムが入っているために、ソフ トのエラーはOSにまで影響を与えるこ とはない。 32 図1●Windows 9xとWindows NT系の違い； (http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20080929/315586/zu01.jpg) 第3回 コンピュータとOSのしくみ Windowsの機能 (ファイル復元) Windows95/98/Meのファイルシステム FAT/FAT32（File Allocation Table） • ファイルを書き込んでいるときにシステムが クラッシュした場合、書き込み中だった不完 全なデータがそのままディスク上に残り，管 理情報と実データに矛盾が生じる。運が悪 ければファイル・システム全体にアクセスで きなくなる可能性すらある。 • 出典：日経ITPro Windows 2000/XP/Vista/7の ファイルシステム 図1●NTFSの回復機能； (http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20080929/315571/?SS=i mgview&FD=54139247&ST=win) NTFS（NT File System） • ファイルを書き込んでいるときにシステムが クラッシュした場合、システムの再起動時に 不完全なデータが消去され，矛盾のない状 態へ自動的に回復する。 • 33 第3回 コンピュータとOSのしくみ Windowsの機能 (デバイス認識) 「プラグ＆プレイ」機能 (PnP) PCに新しい周辺機器（デバイス）を接続 すると，多くの場合，Windows 2000/XP はそれを自動認識して即座に利用可能 な状態にしてくれる。これが、いわゆる 「プラグ＆プレイ」機能である。 • 「プラグ＆プレイ」機能は、それぞれの 機器が他の機器とやり取りするための機 構(「割り込み」や「I/Oアドレス」 )が重な り合って、不具合を起こさないようにする 機能である。 • 出典：日経ITPro 図2●デバイス・ドライバの役割； (http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20080929/315587/?SS=i mgview&FD=55062768&ST=win) その中心的役割をなすのが、デバイス・ドライバで、デバイス・ドライバ は，OSとデバイスを結びつける“接着剤”の役目をするものである。 • USB（ Universal Serial Bus）:コンピュータ等の情報機器に周辺機器 を接続するためのシリアルバス規格の1つで, 「プラグ＆プレイ」機能 をもったものである。 • 34 第3回 コンピュータとOSのしくみ Windowsの機能 (仮想メモリ) コンピュータの記憶領域 （復習） コンピュータの頭脳にあたるCPU (Central Processing Unit；中央処理装置)が計算 などの情報処理を行うには、計算途中のデータやプログラムや計算結果を保持する 必要がある。それらを記憶装置という。 • 記憶装置 • • • • • 「主記憶装置」：高速だが一時的な記憶に利用する->RAMなど 「補助記憶装置」：低速だがより恒久的な性質を持ったもの->ハードディスクなど 主記憶装置：メモリ(RAM)あるいは物理メモリと呼ばれ、 CPUから高速にアクセスし、情報 処理の向上に寄与するものであるが、その領域はそれほど大きなものではなく、数GB程 度 補助記憶装置は、ストレージとも呼ばれ、光ディスク、ハードディスクなどの磁気記憶 装置が一般的で、数百GBから数TB程度。 35 第3回 コンピュータとOSのしくみ Windowsの機能 (仮想メモリ) 仮想メモリ CPUは通常、物理メモリにのみアクセスし、情報 を処理する。そのため、多くのプログラムを同時に 実行すると、物理メモリを超えてしまい、プログラ ムが実行できないことがありうる。 • しかし、windowsではこのような場合、ハードディス クの一部に連続した記憶領域を確保し、このハー ドディスクの領域と物理メモリを利用して、物理メ モリのサイズを超えたプログラムを同時実行する ことができる。 • この機能を仮想メモリあるいは仮想記憶といい、 最大4Gバイトのメモリー空間を作り出すことがで きる。ただし，システム全体の処理性能を劣化さ せることもあるので注意が必要。 • 出典：日経ITPro 図1●物理メモリーの容量を超える多数のアプリケーションが起動して も，なぜWindowsはメモリー不足に陥らないのか？； (http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20080929/315588/?SS=i mgview&FD=54139247&ST=win) 36 第3回 コンピュータとOSのしくみ Windowsの機能 (ログオン) なぜ「ログオン」しないと使えないのか コンピュータ内には重要な情報も格 納されている。この情報を誰がどの程 度触っていいかを決めないと、デー タやプログラムが勝手に変えられてし まう。 • このような権限管理を「セキュリティ」 機能という • • • コンピュータの電源を入れた後、そ の人がコンピュータを利用できる か？ どの程度データを触れるか？（読め るだけ、書き換えられる等） セキュリティレベルはユーザ毎に決め られている（右図） • だから、ログインが必要 • 37 出典：日経ITPro 図2●セキュリティ記述子（Security Descriptor）の設定； (http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20081016/317082/?SS=i mgview&FD=55062768&ST=win) 第3回 コンピュータとOSのしくみ 出典：日経ITPro 図1●シャットダウンせずに電源を切ったらWindowsマシンは壊れる?； (http://itpro.nikkeibp.co.jp/article/COLUMN/20080929/315573/?SS=i mgview&FD=54139247&ST=win) Windowsの機能 (シャットダウン) なぜ、いきなり電源を切ってはいけないか パソコン初心者がよくする失敗に，パソコン作 業の終了後，いきなり電源を切ってしまうこと がある。 • それでは、プログラムやハードディスクの内容 が壊れることがありうる。 • シャットダウンの際に行われること 間違ったシャットダウンを警告 • 権限のない人はシャットダウンできない • 他の利用者にシャットダウンを知らせる • 他の人がリモートでコンピュータを利用 している場合、利用できなくなる（シャッ トダウンすること）を知らせる。 • 動いているプログラムを終了する。 • 安全・確実にコンピュータをシャットダウンす ることまでサポートしている。 • 38 第3回 コンピュータとOSのしくみ コンピュータを賢く利用するために ハードディスクのお掃除 ハードディスクに対して書き込みと削除を繰り返し 行うと、ディスク内でのファイルの配置が不連続に なり、連続した空き領域が少なくなるため、どの空き スペースにも入りきらないファイルが増え、ファイル を分割して2つ以上の空き領域に分けて保存する ようになる。これをディスクのフラグメンテーションと いう。 • ファイルの分割保存が増えると、OSの処理量の増 大やドライブのヘッドの移動量の増大を招き、読み 書き速度の低下につながる。また、ヘッドの移動は 物理的な動作を伴うため、故障を誘発しやすい(耐 用年数が低下する)とも言われている。 • このため、最近のOS(もちろんwindowsにも）には、 フラグメンテーション（ファイルの不連続配置)を解 消する「デフラグ」(デフラグメンテーションの略)と呼 ばれるユーティリティソフトが搭載されている。 • このソフトを用いると、１つのファイルはハードディス ク上で、可能な限り連続した場所に格納され、ファ イルの読み書きの際に、 OSの処理量もドライブの ヘッドの移動量も減少するので、読み書き速度は 向上し、ハードディスクも長持ちする。 • 39 出典：ASCII.jp データの断片化により、HDDのパフォーマンスが 低下する理由； (http://ascii.jp/elem/000/000/133/133938/img.ht ml) 第3回 コンピュータとOSのしくみ コンピュータを賢く利用するために OSの問題解決 • • • • • これまで述べてきたように、OSは非常に多くの基本機能を担っており、完全にバグ （コンピュータソフトの間違い）を取り除くことは不可能といえる。そのため、OSはリ リース後も、バグが見つけられると修正され、進化し続ける。 さらに、上記のバグあるいはセキュリティ・ホール（詳細は第4回「セキュリティ・ウィル ス対策」 で述べる）をねらったコンピュータウィルスの危険にさらされている。 そこで、Windowsでは、できる限り最新で、安全性の高いOSを提供するために、 「Windows Update」という機能が備わっている。 この 「Windows Update」を用いて、できる限り最新のOSにすることで、セキュリティ 機能の強化とコンピュータ・ウィルスからの脅威の低減を図ることができる。 なお、コンピュータ・ウィルスについては「Windows Update」だけでは不十分な対 策であることだけを述べておく。 （詳細は第4回「セキュリティ・ウィルス対策」 で述 べる） 40
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