سیستم عامل چیست ؟

 سیستم عامل بدون شك مهمترین  نرم افزار در كامپیوتر است . پس از روشن كردن كامپیوتر اولین نرم افزاری كه مشاهده می گردد سیستم عامل بوده و آخرین نرم افزاری كه  قبل از خاموش كردن كامپیوتر مشاهده خواهد شد، نیز سیستم عامل است . سیستم عامل نرم افزاری است كه امكان اجرای تمامی برنامه های كامپیوتری را فراهم می آورد. سیستم عامل با سازماندهی ، مدیریت و كنترل منابع  سخت افزاری امكان استفاده بهینه و هدفمند آنها را فراهم می آورد. سیتم عامل فلسفه بودن سخت افزار را بدرستی تفسیر  و در این راستا امكانات متعدد و ضروری جهت حیات سایر برنامه های كامپیوتری را فراهم می آورد.

تمام كامپیوترها از سیستم عامل استفاده نمی كنند. مثلا"  اجاق های مایكرویو كه در آشپزخانه استفاده شده دارای نوع خاصی از كامپیوتر بوده كه از سیستم عامل استفاده نمیكنند. 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 كلید و نمایشگرهایLCD ، در اختیار سیستم گذاشته می گردند. ماهیت عملیات انجام شده در یك اجاق گاز مایكروویو بسیار محدود  و مختصر است، بنابراین همواره یك برنامه در تمام حالات و اوقات اجراء خواهد شد.

برای سیستم های كامپیوتری كه دارای عملكردی بمراتب پیچیده تر از اجاق گاز مایكروویو می باشند، بهخدمت گرفتن یك سیستم عامل باعث افزایش كارآئی سیستم و تسهیل در امر پیاده سازی برنامه های كامپیوتری می گردد. تمام كامپیوترهای شخصی دارای سیستم عامل می باشند.
یكی از متداولترین سیستم های عامل ویندوز است . یونیكس یكی دیگر از سیستم های عامل مهم در این زمینه است .  صدها نوع سیستم عامل تاكنون با توجه به اهداف متفاوت طراحی و عرضه شده است. سیستم های عامل مختص كامپیوترهای بزرگ، سیستم های روبوتیك، سیستم های كنترلی بلادرنگ ، نمونه هائی در این زمینه می باشند.

سیستم عامل با ساده ترین تحلیل و بررسی دو عملیات اساسی را در كامپیوتر انجام می دهد :

-  مدیریت منابع نرم افزاری و سخت افزاری یك سِستم كامپیوتری را برعهده دارد. پردازنده ، حافظه، فضای ذخیره سازی  نمونه هائی از منابع اشاره شده می باشند .

- روشی پایدار و یكسان برای دستیابی و استفاده  از سخت افزار را بدو ن نیاز از جزئیات عملكرد هر یك از سخت افزارهای موجود را برای برنامه های كامپیوتری فراهم می نماید

اولین وظیفه یك 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 شركت خواهند كرد.  سیستم های عامل بعنوان یك مدیر عادل و مطمئن زمینه استفاده بهینه از منابع موجود را برای هر یك از برنامه های كامپیوتری فراهم می نمایند.

وظیفه دوم یك سیستم عامل ارائه یك رابط ( اینترفیس ) یكسان برای سایر برنامه های كامپیوتری است . در این حالت زمینه استفاده بیش از یك نوع كامپیوتر از سیستم عامل فراهم شده و در صورت بروز تغییرات در سخت افزار سیستم های كامپیوتری نگرانی خاصی از جهت اجرای برنامه وجود نخواهد داشت، چراكه سیستم عامل بعنوان میانجی بین برنامه های كامپیوتری و سخت افزار ایفای وظیفه كرده و مسئولیت مدیریت منابع سخت افزاری به وی سپرده شده است .برنامه نویسان كامپیوتر نیز با استفاده از نقش سیستم عامل بهعنوان یك میانجی بهراحتی برنامه های خود را طراحی و پیاده سازی كرده و در رابطه با اجرای برنامه های نوشته شده بر روی سایر كامپیوترهای مشابه  نگرانی نخواهند داشت . ( حتی اگر میزان حافظه موجود در دو كامپیوتر مشابه نباشد ) . در صورتیكه سخت افزار یك كامپیوتر بهبود و ارتقاء یابد، سیستم عامل این تضمین را ایجاد خواهد كرد كه برنامه ها، در ادامه بدون بروز اشكال قادر به ادامه حیات وسرویس دهی خود باشند. مسئولیت مدیریت منابع سخت افزاری برعهده سیتم عامل خواهد بود نه برنامه های كامپیوتری، بنابراین در زمان ارتقای سخت افزار یك كامپیوتر مسئولیت سیستم عامل در این راستا اولویت خواهد داشت . ویندوز 98یاXP یكی از بهترین نمونه ها در این زمینههستند . سیستم عامل های فوق بر روی سخت افزارهای متعدد تولید شده توسط تولیدكنندگان متفاوت اجراء می گردد.  ویندوز 98 قادر به مدیریت و استفاده از هزاران نوع چاپگر دیسك و سایر تجهیزات جانبی است .

سیستم های عامل را از بعد نوع كامپیوترهائی كه قادر به كنترل آنها بوده و نوع برنامه های كاربردی كه 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 كنترل  ماشین آلات صنعتی ، تجهیزات علمی و سیستم های صنعتی استفاده می گردد. یك سیستم عامل بلادرنگ دارای امكانات محدود در رابطه با بخش رابط كاربر و برنامه های كاربردی مختص كاربران می باشند.  یكی از بخش های مهم این نوع سیستم های عامل ، مدیریت منابع موجود كامپیوتری بگونه ای است كه یك عملیات خاص در زمانی كه می بایست ، اجراء خواهند شد.

-تك كاربره - تك كاره. همانگونه كه از عنوان این نوع سیستم های عامل مشخص است، آنها بگونه ای طراحی شده اند كه قادر به مدیریت كامپیوتر بصورتی باشند كه یك كاربر در هر لحظه قادر به انجام یك كار باشد. سیستم عاملPalm OS برای كامپیوترهایPDA نمونه ای مناسب از یك سیستم عامل مدرن تك كاربره و تك كاره است .

-تك كاربره - چندكاره. اكثر سیستم های عامل استفاده شده در كامپیوترهای شخصی از این نوع می باشند. ویندوز 98 وMacOS  نمونه هائی در این زمینه بوده كه امكان اجرای چندین برنامه بطور همزمان را برای یك كاربر فراهم می نمایند. مثلا" یك كاربر ویندوز 98 قادر به تایپ یك نامه با استفاده از یك واژه پرداز بوده و در همان زمان اقدام به دریافت یك فایل از اینترنت نموده و در همان وضعیت محتویات نامه الكترونیكی خود را برای چاپ بر روی چاپگر ارسال كرده باشد.

-چندكاربره. یك سیستم عامل چند كاربره ، امكان استفاده همزمان چندین كاربر از منابع موجود كامپیوتر را فراهم می آورند. منابع مورد نیاز هر یك از كاربران می بایست توسط سیستم عامل بهدرستی مدیریت تا  در صورت بروز اشكال در منابع تخصیص یافته به یك كاربر، بر روند استفاده سایر كاربران از منابع مورد نظر اختلالی ایجاد نگردد. یونیكس،VMS و سیستم های عامل كامپیوترهای بزرگ نظیرMVS نمونه هائی از سیستم های عامل چندكاربره می باشند.

در اینجا لازم است كه به تفاوت های موجود  سیستم های عامل " چند كاربر " و " تك كاربر"  در رابطه با امكانات شبكه ای اشاره گردد.  ویندوز 2000 و ناول قادر به حمایت از صدها و هزاران كاربر شبكه می باشند این نوع سیستم های عامل بعنوان سیستم عامل چند كاربره 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 كامپیوتر، لولین برنامه ای كه اجراء می گردد ، مجموعه دستوراتی می باشند كه در حافظهROM ذخیره و مسئول بررسی صحت عملكرد امكانات سخت افزاری موجود می باشند. برنامه فوق (POST) ، پردازنده ، حافظه و سایر عناصر سخت افزاری را بررسی خواهد كرد . پس از بررسی موفقیت آمیز برنامهPOST ، در ادامه درایوهای ( هارد ، فلاپی ) سیستم فعال خواهند شد. در اكثر كامپیوترها  ، پس از فعال شدن هارد دیسك ، اولین بخش سیستم عامل با نامBootstrap Loader فعال خواهد شد. برنامه فوق صرفا" دارای یك وظیفه اساسی است : انتقال ( استقرار ) سیستم عامل در حافظه اصلی و امكان اجرای آن . برنامه فوق عملیات متفاوتی را بمنظور استفرار سیستم عامل در حافظه انجام خواهد داد.

سیستم عامل دارای وظایف زیر است :

وظایف شش گانه فوق ، هسته عملیات در اكثر سیستم های عامل است . در ادامه به تشریح  وظایف فوق اشاره می گردد :

مدیریت پردازنده

مدیریت پردازنده دو وظیفه مهم اولیه زیر را دارد :

ساده ترین واحد نرم افزاری  كه سیستم عامل بهمنظور زمانبندی پردازنده با آن درگیر خواهد شد ، یك پردازه  یا یكThread خواهد بود. موقتا" می توان یك پردازه را مشابه یك برنامه در نظر گرفت ، در چنین حالتی مفهوم فوق ( پردازه ) ، بیانگر یك تصویر واقعی از نحوه پردازش های مرتبط با سیستم عامل و سخت افزار نخواهد بود. برنامه های كامپیوتری ( نظیر واژه پردازها ، بازیهای كامپیوتری و ...) در حقیقت خود یك پردازه می باشند ، ولی برنامه های فوق ممكن است از خدمات چندین پردازه دیگر استفاده نمایند. مثلا" ممكن است یك برنامه از پردازه ای بمنظور برقراری ارتباط با سایر دستگاههای موجود در كامپیوتر استفاده نماید. پردازه های فراوان دیگری نیز وجود دارد كه با توجه به ماهیت عملیات مربوطه ، بدون نیاز به محرك خارجی ( نظیر یك برنامه ) فعالیت های خود را انجام می دهند. یك پردازه ، نرم افزاری است كه عملیات خاص و كنترل شده ای را انجام می دهد. كنترل یك پردازه ممكن است توسط كاربر ، سایر برنامه های كاربردی و یا سیستم عامل صورت پذیرد.

سیستم عامل با كنترل و زمانبندی مناسب پردازه ها زمینه استفاده از پردازنده را برای آنان ، فراهم  می نماید. در سیستم های " تك - كاره " ، سیستم زمانبندی بسیار روشن و مشخص است . در چنین مواردی،  سیستم عامل امكان اجرای برنامه را فراهم و صرفا" در زمانیكه كاربر 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 كننده وقفه درخواست برقراری یك ارتباط زنده با پردازنده برای اخذ سرویس  یا سایر مسائل بوجود آمده ، را می نمایند. در برخی حالات سیستم عامل پردازه ها  را با یك اولویت خاص زمانبندی می نماید . در چنین حالتی هر یك 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 تكمیل 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 ممكن عملیات و فعالیت جاری پردازنده به اتمام خواهد رسید. برخی از وقفه ها با توجه به اهمیت خود ( نظیر بروز اشكال 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 یك 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 زمانیكه پردازنده درگیر یك پردازه است ، ممكن است وقفه هائی از منابع متفاوت نرم افزاری  یا سخت افزاری محقق گردد. در چنین وضعیتی با توجه به اهمیت و جایگاه یك 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 " تك - كاره " ، 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 - كاره " عملیات بمراتب پیچیده تر خواهد بود. در چنین مواردی می بایست این اعتقاد بوجود آید كه چندین فعالیت بطور همزمان در حال انجام است . عملا" پردازنده در هر لحظه قادر به انجام یك فعالیت است و بدیهی است رسیدن به مرز اعتقادی فوق ( چندین فعالیت بطور همزمان ) مستلزم یك مدیریت قوی و طی مراحل پیچیده ای خواهد بود.  در چنین حالتی لازم است كه پردازنده در مدت زمان یك ثانیه هزاران مرتبه از یك پردازه به پردازه ه دیگر سوئیچ  تا امكان استفاده چندین پردازه از پردازنده را فراهم نماید . در ادامه نحوه انجام عملیات فوق ، تشریح می گردد :

·      پس از استفرار بیش از یك پردازه در حافظه ، پردازنده بر اساس یك زمانبندی خاص ، فرصت اجراء را به یكی از پردازه ها خو