ソフトウェアの階層と OS の基本機能

結論：ソフトウェアは4層の積み重ね

ソフトウェアは、ハードウェアに近い順に デバイスドライバ → OS → ミドルウェア → アプリケーション と積み重なっています。上の層は下の層の機能を借りて動き、その借り方の窓口が API です。

たとえるならレストランです。厨房の設備がハードウェア、設備を管理する料理長がOS、どの料理にも使う出汁やソースを仕込む係がミドルウェア、お客さんに出す一皿がアプリケーションにあたります。

flowchart TB
  A["アプリケーション（業務ソフト・ブラウザ等）"] -->|"API で機能を呼ぶ"| M["ミドルウェア（DBMS 等・共通の高機能）"]
  M -->|"API で機能を呼ぶ"| O["OS（基本ソフトウェア・カーネル）"]
  O --> D["デバイスドライバ（機器ごとの制御）"]
  D --> H["ハードウェア（CPU・メモリ・周辺機器）"]

ミドルウェアの代表例は DBMS（データベース管理システム）です。「OSの上で動き、アプリに共通の便利機能を渡す」と覚えれば、OSの説明と取り違えません。

API：アプリがOSの機能を借りるための窓口

API（Application Program Interface） は、アプリケーションがOSやミドルウェアの機能を使うために用意された関数・コマンドなどの決まりごとの総称です。API設計を知っている人なら「Web APIのOS版」と考えて構いません。

ポイントは、アプリは ハードウェアを直接触らず、APIを通してOSに頼むことです。直接操作するのはOSとデバイスドライバの仕事です。

デバイスドライバ：周辺機器ごとの通訳

デバイスドライバ は、プリンタやキーボードなどの周辺機器を、OSやアプリの要求どおりに 直接制御する ソフトウェアです。機器ごとに操作方法が違うので、その違いを吸収する通訳役です。

選択肢には「タスクを選ぶ（タスクスケジューラ）」「ウィンドウを管理する（ウィンドウマネージャ）」「コマンドを解釈する（シェル）」「ソフトを導入する（インストーラ）」「操作を自動化する（マクロ）」などの別物が並びます。周辺機器・ハードウェアを制御する と書いてあるものを選びます。

OSの仕事の分担と、マルチプログラミング

OSの仕事は、何を管理するかで分けられます。試験では「タスク管理の役割はどれか」と問われ、他の管理機能の説明がひっかけとして並びます。

タスク はOSから見た仕事の単位（ほぼ「実行中のプログラム」）です。マルチプログラミング は、主記憶に複数のタスクを置き、あるタスクが入出力待ちの間に別のタスクへCPUを回す仕組みです。

料理人が煮込みを待つ間に別の皿の野菜を切るのと同じで、CPUの空き時間が減り、CPU利用率 と スループット（一定時間に処理できる仕事量）が上がります。「CPU利用率が下がる」「仮想記憶が小さくなる」という選択肢は誤りです。

マイクロカーネルとモノリシックカーネル

カーネル はOSの中心部分です。カーネルに機能をどこまで入れるかで2つの方式があります。

「最低限の機能だけを持つ → カーネルが小さい」をセットで覚えます。「全部入り」「通信のオーバヘッドを抑える」はマイクロカーネルの説明ではありません。

【最頻出】内部割込みと外部割込み

割込み は、実行中の処理をいったん止めて、別の緊急処理をCPUに割り込ませる仕組みです。電話中にインターホンが鳴ったら、通話を保留して玄関に出るイメージです。

分類は 原因が、いま実行中の命令（プログラム）自身にあるか の1点で決まります。

ページフォールト は、仮想記憶で主記憶に無いページへアクセスしたときに起きる割込みです。原因は「そのページを読んだ命令」なので内部割込みです。

SVC（スーパバイザコール） は、プログラムがOSの機能を呼ぶためにわざと出す割込み命令です。自分で出すので内部割込みです。

メモリパリティエラー は、メモリの故障でデータ化けを検出したものです。「メモリ＝内部」と考えがちですが、原因は命令ではなくハードウェアの障害なので外部割込み（機械チェック割込み）です。

スタック：関数呼出しの戻り先メモ

スタック は、最後に入れたものを最初に取り出す（LIFO：後入れ先出し）データ構造です。皿を積み重ねて上から取るのと同じです。

関数Aが関数Bを呼び、BがさらにCを呼ぶと、戻る順番はC→B→Aの逆順になります。だから 戻り番地（呼出し元の続きの位置）や途中のデータを積んでおく場所としてスタックがぴったりです。

ヒープは「スタックの予備」ではなく、プッシュ・ポップで操作するものでもありません。