سیستم عامل چیست ؟
سیستم عامل بدون شک مهمترین نرم افزار در کامپیوتر است . پس از روشن کردن کامپیوتر اولین نرم افزاری که مشاهده می گردد سیستم عامل بوده و آخرین نرم افزاری که قبل از خاموش کردن کامپیوتر مشاهده خواهد شد، نیز سیستم عامل است . سیستم عامل نرم افزاری است که امکان اجرای تمامی برنامه های کامپیوتری را فراهم می آورد. سیستم عامل با سازماندهی ، مدیریت و کنترل منابع سخت افزاری امکان استفاده بهینه و هدفمند آنها را فراهم می آورد. سیتم عامل فلسفه بودن سخت افزار را بدرستی تفسیر و در این راستا امکانات متعدد و ضروری جهت حیات سایر برنامه های کامپیوتری را فراهم می آورد.
تمام کامپیوترها از سیستم عامل استفاده نمی کنند. مثلا" اجاق های مایکرویو که در آشپزخانه استفاده شده دارای نوع خاصی از کامپیوتر بوده که از سیستم عامل استفاده نمیکنند. در این نوع سیستم ها بدلیل انجام عملیات محدود و ساده، نیازی به وجود سیستم عامل نخواهد بود. اطلاعات ورودی و خروجی با استفاده از دستگاههائی نظیر صفحه کلید و نمایشگرهایLCD ، در اختیار سیستم گذاشته می گردند. ماهیت عملیات انجام شده در یک اجاق گاز مایکروویو بسیار محدود و مختصر است، بنابراین همواره یک برنامه در تمام حالات و اوقات اجراء خواهد شد.
برای سیستم های کامپیوتری که دارای عملکردی بمراتب پیچیده تر از اجاق گاز مایکروویو می باشند، بهخدمت گرفتن یک سیستم عامل باعث افزایش کارآئی سیستم و تسهیل در امر پیاده سازی برنامه های کامپیوتری می گردد. تمام کامپیوترهای شخصی دارای سیستم عامل می باشند.
یکی از متداولترین سیستم های عامل ویندوز است . یونیکس یکی دیگر از سیستم های عامل مهم در این زمینه است . صدها نوع سیستم عامل تاکنون با توجه به اهداف متفاوت طراحی و عرضه شده است. سیستم های عامل مختص کامپیوترهای بزرگ، سیستم های روبوتیک، سیستم های کنترلی بلادرنگ ، نمونه هائی در این زمینه می باشند.
سیستم عامل با ساده ترین تحلیل و بررسی دو عملیات اساسی را در کامپیوتر انجام می دهد :
- مدیریت منابع نرم افزاری و سخت افزاری یک سِستم کامپیوتری را برعهده دارد. پردازنده ، حافظه، فضای ذخیره سازی نمونه هائی از منابع اشاره شده می باشند .
- روشی پایدار و یکسان برای دستیابی و استفاده از سخت افزار را بدو ن نیاز از جزئیات عملکرد هر یک از سخت افزارهای موجود را برای برنامه های کامپیوتری فراهم می نماید
اولین وظیفه یک سیستم عامل، مدیریت منابع سخت افزاری و نرم افزاری است . برنامه های متفاوت برای دستیابی به منابع سخت افزاری نظیر: پردازنده ، حافظه، دستگاههای ورودی و خروجی، حافطه های جانبی، در رقابتی سخت شرکت خواهند کرد. سیستم های عامل بعنوان یک مدیر عادل و مطمئن زمینه استفاده بهینه از منابع موجود را برای هر یک از برنامه های کامپیوتری فراهم می نمایند.
وظیفه دوم یک سیستم عامل ارائه یک رابط ( اینترفیس ) یکسان برای سایر برنامه های کامپیوتری است . در این حالت زمینه استفاده بیش از یک نوع کامپیوتر از سیستم عامل فراهم شده و در صورت بروز تغییرات در سخت افزار سیستم های کامپیوتری نگرانی خاصی از جهت اجرای برنامه وجود نخواهد داشت، چراکه سیستم عامل بعنوان میانجی بین برنامه های کامپیوتری و سخت افزار ایفای وظیفه کرده و مسئولیت مدیریت منابع سخت افزاری به وی سپرده شده است .برنامه نویسان کامپیوتر نیز با استفاده از نقش سیستم عامل بهعنوان یک میانجی بهراحتی برنامه های خود را طراحی و پیاده سازی کرده و در رابطه با اجرای برنامه های نوشته شده بر روی سایر کامپیوترهای مشابه نگرانی نخواهند داشت . ( حتی اگر میزان حافظه موجود در دو کامپیوتر مشابه نباشد ) . در صورتیکه سخت افزار یک کامپیوتر بهبود و ارتقاء یابد، سیستم عامل این تضمین را ایجاد خواهد کرد که برنامه ها، در ادامه بدون بروز اشکال قادر به ادامه حیات وسرویس دهی خود باشند. مسئولیت مدیریت منابع سخت افزاری برعهده سیتم عامل خواهد بود نه برنامه های کامپیوتری، بنابراین در زمان ارتقای سخت افزار یک کامپیوتر مسئولیت سیستم عامل در این راستا اولویت خواهد داشت . ویندوز 98یاXP یکی از بهترین نمونه ها در این زمینههستند . سیستم عامل های فوق بر روی سخت افزارهای متعدد تولید شده توسط تولیدکنندگان متفاوت اجراء می گردد. ویندوز 98 قادر به مدیریت و استفاده از هزاران نوع چاپگر دیسک و سایر تجهیزات جانبی است .
سیستم های عامل را از بعد نوع کامپیوترهائی که قادر به کنترل آنها بوده و نوع برنامه های کاربردی که قادر به حمایت از آنها می باشند به چهار گروه عمده تقسیم می نمایند:
- سیستم عامل بلادرنگ (RTOS). از این نوع سیستم های عامل برای کنترل ماشین آلات صنعتی ، تجهیزات علمی و سیستم های صنعتی استفاده می گردد. یک سیستم عامل بلادرنگ دارای امکانات محدود در رابطه با بخش رابط کاربر و برنامه های کاربردی مختص کاربران می باشند. یکی از بخش های مهم این نوع سیستم های عامل ، مدیریت منابع موجود کامپیوتری بگونه ای است که یک عملیات خاص در زمانی که می بایست ، اجراء خواهند شد.
-تک کاربره - تک کاره. همانگونه که از عنوان این نوع سیستم های عامل مشخص است، آنها بگونه ای طراحی شده اند که قادر به مدیریت کامپیوتر بصورتی باشند که یک کاربر در هر لحظه قادر به انجام یک کار باشد. سیستم عاملPalm OS برای کامپیوترهایPDA نمونه ای مناسب از یک سیستم عامل مدرن تک کاربره و تک کاره است .
-تک کاربره - چندکاره. اکثر سیستم های عامل استفاده شده در کامپیوترهای شخصی از این نوع می باشند. ویندوز 98 وMacOS نمونه هائی در این زمینه بوده که امکان اجرای چندین برنامه بطور همزمان را برای یک کاربر فراهم می نمایند. مثلا" یک کاربر ویندوز 98 قادر به تایپ یک نامه با استفاده از یک واژه پرداز بوده و در همان زمان اقدام به دریافت یک فایل از اینترنت نموده و در همان وضعیت محتویات نامه الکترونیکی خود را برای چاپ بر روی چاپگر ارسال کرده باشد.
-چندکاربره. یک سیستم عامل چند کاربره ، امکان استفاده همزمان چندین کاربر از منابع موجود کامپیوتر را فراهم می آورند. منابع مورد نیاز هر یک از کاربران می بایست توسط سیستم عامل بهدرستی مدیریت تا در صورت بروز اشکال در منابع تخصیص یافته به یک کاربر، بر روند استفاده سایر کاربران از منابع مورد نظر اختلالی ایجاد نگردد. یونیکس،VMS و سیستم های عامل کامپیوترهای بزرگ نظیرMVS نمونه هائی از سیستم های عامل چندکاربره می باشند.
در اینجا لازم است که به تفاوت های موجود سیستم های عامل " چند کاربر " و " تک کاربر" در رابطه با امکانات شبکه ای اشاره گردد. ویندوز 2000 و ناول قادر به حمایت از صدها و هزاران کاربر شبکه می باشند این نوع سیستم های عامل بعنوان سیستم عامل چند کاربره واقعی در نظر گرفته نمی شوند.
در ادامه با توجه به شناخت مناسب بوجود آمده در دررابطه با انواع سیستم های عامل به عملیات و وظایف سیستم عامل اشاره می گردد.
وظایف سیستم عامل
پس از روشن نمودن کامپیوتر، لولین برنامه ای که اجراء می گردد ، مجموعه دستوراتی می باشند که در حافظهROM ذخیره و مسئول بررسی صحت عملکرد امکانات سخت افزاری موجود می باشند. برنامه فوق (POST) ، پردازنده ، حافظه و سایر عناصر سخت افزاری را بررسی خواهد کرد . پس از بررسی موفقیت آمیز برنامهPOST ، در ادامه درایوهای ( هارد ، فلاپی ) سیستم فعال خواهند شد. در اکثر کامپیوترها ، پس از فعال شدن هارد دیسک ، اولین بخش سیستم عامل با نامBootstrap Loader فعال خواهد شد. برنامه فوق صرفا" دارای یک وظیفه اساسی است : انتقال ( استقرار ) سیستم عامل در حافظه اصلی و امکان اجرای آن . برنامه فوق عملیات متفاوتی را بمنظور استفرار سیستم عامل در حافظه انجام خواهد داد.
سیستم عامل دارای وظایف زیر است :
- مدیریت پردازنده
- مدیریت حافظه
- مدیریت دستگاهها ( ورودی و خروجی )
- مدیریت حافظه جانبی
- اینترفیس برنامه های کاربردی
- رابط کاربر
وظایف شش گانه فوق ، هسته عملیات در اکثر سیستم های عامل است . در ادامه به تشریح وظایف فوق اشاره می گردد :
مدیریت پردازنده
مدیریت پردازنده دو وظیفه مهم اولیه زیر را دارد :
- ایجاد اطمینان که هر پردازه یا برنامه به میزان مورد نیاز پردازنده را برای تحقق عملیات خود ، اختیار خواهد کرد.
- استفاده از بیشترین سیکل های پردازنده برای انجام عملیات
ساده ترین واحد نرم افزاری که سیستم عامل بهمنظور زمانبندی پردازنده با آن درگیر خواهد شد ، یک پردازه یا یکThread خواهد بود. موقتا" می توان یک پردازه را مشابه یک برنامه در نظر گرفت ، در چنین حالتی مفهوم فوق ( پردازه ) ، بیانگر یک تصویر واقعی از نحوه پردازش های مرتبط با سیستم عامل و سخت افزار نخواهد بود. برنامه های کامپیوتری ( نظیر واژه پردازها ، بازیهای کامپیوتری و ...) در حقیقت خود یک پردازه می باشند ، ولی برنامه های فوق ممکن است از خدمات چندین پردازه دیگر استفاده نمایند. مثلا" ممکن است یک برنامه از پردازه ای بمنظور برقراری ارتباط با سایر دستگاههای موجود در کامپیوتر استفاده نماید. پردازه های فراوان دیگری نیز وجود دارد که با توجه به ماهیت عملیات مربوطه ، بدون نیاز به محرک خارجی ( نظیر یک برنامه ) فعالیت های خود را انجام می دهند. یک پردازه ، نرم افزاری است که عملیات خاص و کنترل شده ای را انجام می دهد. کنترل یک پردازه ممکن است توسط کاربر ، سایر برنامه های کاربردی و یا سیستم عامل صورت پذیرد.
سیستم عامل با کنترل و زمانبندی مناسب پردازه ها زمینه استفاده از پردازنده را برای آنان ، فراهم می نماید. در سیستم های " تک - کاره " ، سیستم زمانبندی بسیار روشن و مشخص است . در چنین مواردی، سیستم عامل امکان اجرای برنامه را فراهم و صرفا" در زمانیکه کاربر اطلاعاتی را وارد یا سیستم با وقفه ای برخورد نماید ، روند اجراء متوقف خواهد شد. وقفه ، سیگنال های خاص ارسالی توسط نرم افزار و یا سخت افزار برای پردازنده می باشند. در چنین مواردی منابع صادر کننده وقفه درخواست برقراری یک ارتباط زنده با پردازنده برای اخذ سرویس یا سایر مسائل بوجود آمده ، را می نمایند. در برخی حالات سیستم عامل پردازه ها را با یک اولویت خاص زمانبندی می نماید . در چنین حالتی هر یک از پردازه ها با توجه به اولویت نسبت داده شده به آنان ، قادر به استفاده از زمان پردازنده خواهند بود. در این چنین موارد ، در صورت بروز وقفه ، پردازنده آنها را نادیده گرفته و تا زمان عدم تکمیل عملیات مورد نظر توسط پردازنده ، فرصت پرداختن به وقفه ها وجود نخواهد داشت . بدیهی است با توجه به نحوه برخورد پردازنده ( عدم توجه به وقفه ها ) ، در سریعترین زمان ممکن عملیات و فعالیت جاری پردازنده به اتمام خواهد رسید. برخی از وقفه ها با توجه به اهمیت خود ( نظیر بروز اشکال در حافظه و یا سایر موارد مشابه ) ، قابل اغماص توسط پردازنده نبوده و می بایست صرفنظر از نوع و اهمیت فعالیت جاری ، سریعا" به وقفه ارسالی پاسخ مناسب را ارائه گردد.
پردازنده ، با توجه به سیاست های اعمال شده سیستم عامل و بر اساس یک الگوریتم خاص ، در اختیار پردازه های متفاوت قرار خواهد گرفت . در چنین مواردی پردازنده مشغول بوده و برای اجراء ، پردازه ای را در اختیار دارد. در زمانیکه پردازنده درگیر یک پردازه است ، ممکن است وقفه هائی از منابع متفاوت نرم افزاری یا سخت افزاری محقق گردد. در چنین وضعیتی با توجه به اهمیت و جایگاه یک وقفه ، پردازنده برخی از آنها را نادیده گرفته و همچنان به فعالیت جاری خود ادامه داده و در برخی موارد با توجه به اهمیت وقفه ، فعالیت جاری متوقف و سرویس دهی به وقفه آغاز خواهد شد.
در سیستم های عامل " تک - کاره " ، وجود وقفه ها و نحوه مدیریت آنها در روند اجرای پردازه ها تاثیر و پیچیدگی های خاص خود را از بعد مدیریتی بدنبال خواهد داشت . در سیستم های عامل "چند - کاره " عملیات بمراتب پیچیده تر خواهد بود. در چنین مواردی می بایست این اعتقاد بوجود آید که چندین فعالیت بطور همزمان در حال انجام است . عملا" پردازنده در هر لحظه قادر به انجام یک فعالیت است و بدیهی است رسیدن به مرز اعتقادی فوق ( چندین فعالیت بطور همزمان ) مستلزم یک مدیریت قوی و طی مراحل پیچیده ای خواهد بود. در چنین حالتی لازم است که پردازنده در مدت زمان یک ثانیه هزاران مرتبه از یک پردازه به پردازه ه دیگر سوئیچ تا امکان استفاده چندین پردازه از پردازنده را فراهم نماید . در ادامه نحوه انجام عملیات فوق ، تشریح می گردد :
- یک پردازه بخشی از حافظهRAM را اشغال خواهد کرد
