تم النشر اليوم 2024/05/16 | نظام تشغيل

تصميم نظام التشغيل

إن تصميم نظام تشغيل جديد هو مهمة أساسية. ومن المهم أيضاً أن تكون أهداف النظام معرّفه بشكل جيد قبل البدء بالتصميم. إن نوع النظام المرغوب هو الأساس للخيارات ضمن الخوارزميات والاستراتيجيات المختلفة التي ستكون مطلوبة. تصميم نظام التشغيل هي المهمة الرئيسية عند إنشاء نظام تشغيل جديد، ولتصميم نظام تشغيل ناجح يجب أن تكون الأهداف واضحة قبل البدء بالتصميم، فإن نوع النظام المطلوب هو الأساس في اختيار الخوارزميات والاستراتيجيات المطلوبة . على مدار فترة التصميم يجب أن نكون حريصين ان نفصل القرارات الأمنية من تفاصيل التنفيذ (Mechanisms)مما يسمح هذا الفصل بتوفير المرونة إذا تغيرت القرارات الأمنية لاحقاً . في الوقت الحالي يجب على نظام التشغيل أن يكون مكتوب بلغة تنفيذ الأنظمة (Systems-Implementation Language)أو لغة عالية المستوى (Higher-Level Language)، هذه الميزة تسمح بتحسين الإنجاز، التعديل وقابلية التنقل .

الحصة السوقية

لمعلوماتٍ أكثر: حصة استخدام أنظمة التشغيل

أنواع نظم التشغيل

يُقسَم نظام التشغيل من حيث قدرته على تشغيل أكثر من برنامج للمستخدم إلى قسمين: نظام متعدد المهام (بالإنجليزية: Multi-Tasking)‏: هنا يُتيح للمستخدم التعامل مع أكثر من برنامج في الوقت نفسه.
نظام أحادي المهام (بالإنجليزية: Single-Tasking)‏: هذا النظام لا يُسمَح للمستخدم بتشغيل أكثر من برنامجٍ واحدٍ في الوقت ذاته.
كما تنقسم الأقسام الواردة أعلاه إلى عدة أقسام كذلك المنفرد المستخدم المنفرد المهمة
أبسط أنواع نظم التشغيل تخدم مستخدما واحدا في الوقت الواحد وهو منفرد المهمة (Single-Tasking) بمعنى آخر ويمكنه أن ينفذ برنامجا واحدا فقط في الوقت الواحد ومن الأمثلة عليه نظام إم إس-دوس (بالإنجليزية: MS-DOS)‏. المنفرد المستخدم المتعدد المهام
هذا النظام لديه القدرة على تنفيذ أكثر من برنامج واحد بشكل متزامن، حيث تنتقل الوحدة المعالجة المركزية (CPU) بين المهمات بسرعة كبيرة. ومن أمثلتها: windows,linux,macOS. المتعدد المستخدمين المنفرد المهمة
يسمح هذا النظام لعدد من الأشخاص بتنفيذ كل منهم برنامجاً واحداّ في الوقت نفسه. ويزود كل مستخدم بمحطة إدخال وإخراج تتصل مع الحاسوب المركزي ويسمى هذا التنظيم بنظام المشاركة الزمنية (Timesharing) وذلك لأن نظام التشغيل يأمر الحاسوب بالانتقال بسرعة كبيرة بين المستخدمين بعد إعطائهم فترات زمنية ثابتة لاستخدام CPU وتسمى هذه الفترات بالشرائح الزمنية (Time Slices) وهي قصيرة جداً (حوالي ألوف جزئية من الثانية) بحيث يتوهم كل مستخدم أنه يمتلك انتباه الحاسوب كلية ومن امثلته Windows NT. المتعددة المستخدمين المتعددة المهام
هو عباره عن نظم التشغيل الحديثة حيث تتيح للمستخدم تشغيل عدة برامج حتى إن كان تعدد المعالجات (CPU) غير كافية لذلك. تقوم نظم التشغيل بتوزيع وقت المعالج بين هذه البرامج بحيث يأخذ كل برنامج وقت محدد من المعالج من ثم يقوم بإيقاف مؤقت للبرنامج وإعطاء برنامج اخر هذا الوقت. هذا يعني ان خلال اللحظة الواحدة برنامج واحد يعمل على المعالج ونظام التشغيل يقوم بالتغيير بسرعة كبيرة جداً كأجزاء من الثانية. عملية توزيع وقت المعالج تسمى بالجدولة (scheduling) حيث يحتفظ نظام التشغيل بقائمة من البرامج التي قام المُستخدم بتشغيلها وتقوم عملية الجدولة بتوزيع وقت لكل برنامج موجود في هذه القائمة ليستفيد من المُعالج في هذا الوقت.

الفرق بين الأنظمة المجمعة ومتعدد المعالجات

يتم عادةً إنشاء الأنظمة المجمعة عن طريق ضم أجهزة كمبيوتر متعددة في نظام واحد لإجراء مهمة حسابية موزعة عبر النظام المجمع. من ناحية أخرى، يمكن أن تكون أنظمة المعالجات المتعدد يشتمل على وحدات معالجة مركزية متعددة. الأنظمة المجمعة أقل إحكامًا من نظام متعدد المعالجات. تتواصل الأنظمة المجمعة باستخدام الرسائل، في حين أن المعالجات في نظام متعدد المعالجات يمكن أن تتصل باستخدام الذاكرة المشتركة وكل معالج لديه ذاكرة التخزين المؤقت الخاصة به.

هيكل نظام التشغيل

نظام التشغيل كبير ومعقد كنظام تشغيل حديث ويجب أن تتم هندسته بعناية لكي يتم تعديله بسهولة، تنقسم مكونات نظام التشغيل إلى طبقات (Layers). كل طبقة تتفاعل فقط مع الطبقة السفلية التي تتطلب خدمات الطبقة العليا للرد على الطلبات مثال: – طبقة المستوى الأعلى * Applications -أدنى مستوى الطبقة * Hardware تدعم أنظمة التشغيل الآن الوحدات المحملة ديناميكيًا أثناء التنفيذ وهو آلية يمكن من خلالها لبرنامج الكمبيوتر، في وقت التشغيل، تحميل واسترداد عناوين الوظائف والمتغيرات الموجودة، وتنفيذ تلك الوظائف أو الوصول إلى تلك المتغيرات . وهيكل نظام التشغيل ينقسم إلى أجزاء مستقلة حيث لها ميزات فردية بسيطة، ويمكن الحفاظ على التصميم وبتالي يمكن التحكم فيه. يمكن أن يؤثر هيكل نظام التشغيل على الميزات الأساسية مثل المتانة أو الكفاءة.

استدعاءات النظام

استدعاءات النظام هي طريقة تعمل في وضع المستخدم لطلب بعض الخدمات من نظام التشغيل. أي بمعنى آخر تمكن المستخدم أن يطلب من نظام التشغيل أن يقوم ببعض الأمور نيابة عنه. مثال: أن يطلب من نظام التشغيل أن يقوم بعمل نسخ لمحتويات ملف ووضعه في ملف آخر.

مقدمة

نظام التشغيل دبيان
تأتي أجهزة الحاسوب دائِمًا بنظامِ تشغيل. يتكون نظام التشغيل من برامج تُدير التطبيقات والوظائف والأجهزة الموجودة على الجهاز، ويوفر واجهة تُستخدم للتفاعل مع هذه الميزات. تعمل برامج نظام التشغيل على أجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المكتبية والهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة توجيه الشبكة والأجهزة الذكية الأُخرى. الحواسيب الحديثة متعددة الأغراض، هي شاملة للحواسيب الشخصية والحواسيب العملاقة (Mainframes)، ولها نظام تشغيل ليشغل بقية البرامج مثل التطبيقات البرمجية. ومن الأمثلة على أنظمة تشغيل الحواسيب الشخصية ميكروسوفت ويندوز، وجنو/لينكس، وماك أو.إس و (داروين)، وماك أو.إس.إكس ويونكس. والمستوى الأدنى من أي نظام تشغيل هو نواته، وهذه هي الطبقة الأولى من البرمجيات التي يتم تحميلها في الذاكرة عند إقلاع النظام أو بدء التشغيل. وتوفر النواة إمكانية الوصول إلى الخدمات المركزية الشائعة الأخرى لكل برامج النظام والتطبيقات. وهذه الخدمات تشمل (وليس فقط): جدولة المهام، وإدارة الذاكرة، والوصول للقرص، والوصول لأجهزة العتاد. كما هو الحال بالنسبة للنواة، فإن نظام التشغيل كثيرا ما يزود ببرمجيات نظام لإدارة واجهة المستخدم الرسومية (بالرغم من إدماج ويندوز وماكينتوش لهذه البرامج في نظام التشغيل). وأيضا أدوات لمهام مثل إدارة الملفات وإعداد نظام التشغيل. وفي أحيان كثيرة يوزع مع نظام التشغيل برمجيات ليست لها علاقة مباشرة بالوظائف الأساسية لنظام التشغيل، ولكن من يوزع نظام التشغيل وجد فائدة في توزيعها معه. تستخدم أنظمة التشغيل على أغلب الحواسيب، وليس كلها. فالحواسيب الأبسط ذات الأنظمة المغروسة الأصغر والعديد من الحواسيب المبكرة بدون نظام تشغيل، بدلا من أنظمة التشغيل فقد اعتمدوا على برامج التطبيقات لتدير العتاد بمعرفتها، وربما بمساعدة مكتبات صممت لهذا الغرض.

الفرق بين خدمة النظير إلى النظير وخدمة الزبائن

خدمة الزبائن هي خدمة تعتمد على علاقة رئيس ضد المستعبد، يكون فيه رئيس محدد ومستعبد محدد يتصلون ببعض ويتشاركون، وتكون العملية بمشاركة البيانات والمعلومات، ويتطلب فيه عنوان بروتوكول الإنترنت للتواصل، ومن الأمثلة على هذه الخدمة: الإيميل وخدمة شبكة الإنترنت. خدمة النظير إلى النظير هي خدمة تعتمد على التشاركية، حيث لا يوجد رئيس ولا مستعبد، النقاط كلها تعمل وتتشارك معا، والخدمة تعتمد على خاصية بروتوكول الاكتشاف، من الأمثلة على هذه الخدمة: بلوتوث.

التطبيقات

يجب أن يتضمن نظام التشغيل بعض التطبيقات مثل متصفحات الويب وبرامج البريد الإلكتروني، حيث يمكن أن يوفر اقتران متصفح الويب (أو أي تطبيق آخر) مع نظام التشغيل مزايا أداء معين، على سبيل المثال لان متصفح الإنترنت (Internet Explorer) مقترناً بنظام التشغيل (Windows)، فإنه يتم تخزينها مؤقتًا بينما يقوم Windows بالتمهيد لأعلى مما يجعل تحميل البرنامج أسرع، وهذا يعارض FireFox والذي لا يتم تخزينه مؤقتًا (بشكل افتراضي) بواسطة Linux ، ولذلك يتم تحميله ببطء في كل مرة يتم فيها استدعاؤه، ولكن يجب أن تكون محدودة الحجم؛ لكي لا تأثر على سرعة النظام.

المعالجة المتعددة

هي استخدام مجموعة من وحدات المعالجة المركزية في نظام كمبيوتر واحد. وهي تحتوي على نوعين: 1. المعالجة المتعددة المتماثلة: هي مجموعة من وحدات المعالجة المركزية تتشارك في استخدام الذاكرة وكل وحدة معالجة مركزية تعمل على كل المهام . 2. المعالجة المتعددة الغير متماثلة: هي مجموعة من وحدات المعالجة المركزية التي لا تتشارك في استخدام الذاكرة وكل وحدة معالجة مركزية تعمل على معمة معينة وتوجد وحدة معالجة مركزية تعمل على إدارة هذه المهام.

الخدمات

صورة توضح مكانة نظام التشغيل في الحاسوب
إدارة العمليات
أي عملية في حاسوب، سواء كانت خدمة تعمل في الخلفية أو تطبيق، تجرى داخل عملية. ما دام أسلوب معمارية جون فون نيومان هو المستخدم في بناء الحاسوب، فلا يمكن تشغيل سوى عملية واحدة لكل و.م.م في كل مرة. أنظمة التشغيل الأقدم مثل إم إس-دوس لا تقدم أي محاولة لتجاوز هذه المحدودية. تستطيع الأنظمة الحديثة محاكاة تشغيل أكثر من عملية مرة واحدة (متعددة المهام) على و.م.م واحدة، في الحقيقة لا يمكن لأكثر من عملية واحدة أن تنفذ في نفس الوقت في المعالجات أحادية النواة ولكن مع السرعات الهائلة للمعالجات لا يمكننا ملاحظة ذلك، يمكن أن يستخدم ما يسمى بالتزامن الكاذب عن طريق تقسيم المهام إلى تشعبات. إدارة العمليات هي طريقة نظام التشغيل في التعامل مع العمليات العديدة العاملة. حيث أن أغلب الحواسيب تحتوى على و.م.م مفردة ذات قلب واحد، فإن الحصول على تعدد المهام يكون ببساطة عن طريق التحويل بين المهام بسرعة. ومع زيادة العمليات التي يشغلها المستخدم يصبح نصيب كل عملية من الوقت أقل، في كثير الأنظمة قد يسبب هذا مشاكل مثل تخطى أجزاء من ملفات الصوت أو حركة مرتعشة لمؤشر الفأرة. تشمل إدارة العمليات الحساب والتوزيع «للأنصبة الزمنية». القرص وأنظمة الملفات
لدى الكثير من أنظمة التشغيل العديد من أنظمة الملفات التي يمكن استخدامها بشكل طبيعي، جنو/لينكس لديه أكبر تنوع من أنظمة الملفات هذه، وهي إكس تي 2 ،إكس تي 3 ،ريسير أف أس،Reiser4 ،GFS ،GFS2 ،OCFS ،OCFS2 ،NILFS. كما يدعم جنو/لينكس أيضا أنظمة ملفات إكس إف إس وجي أف أس بشكل كامل. مع دعم لنظام ملفات جدول توزيع الملف FAT وإن تي إف إس. أما ويندوز فمحدود من ناحية دعمه لأنظمة الملفات حيث يدعم فقط: FAT12 وFAT16 وFAT32 وإن تي إف إس. بالنسبة لأغلب أنظمة الملفات التي ذكرناها هناك طريقتان لتخصيصها. فالنظام هو إما أن يكون نظام الملفات المزود بقيد حوادث (Journaling File System)، أيْ مزود بقيد للحوادث (journal) وإما غير مزود به. يعتبر النظام المزود بقيد الحوادث (Journaling File System) خياراً آمناً في حالات تعافي النظام. لو حدث أن توقف النظام عن العمل فجأة (في حالة انقطاع الكهرباء مثلا) فإن نظام الملفات غير المزود بقيد للحوادث سيحتاج إلى نوع من الفحص في حين يحدث هذا تلقائيا في أنظمة الملفات المزودة بقيد الحوادث. أنظمة ملفات ويندوز المزودة بقيد الحوادث هي NTFS فقط، في حين أن كل أنظمة ملفات لينكس هي مزودة بقيد الحوادث ماعدا ext2. يتكون كل نظام ملفات من أدلة وأدلة فرعية منفصلة. ومع ذلك هناك اختلافات غير ملحوظة فمثلا أنظمة ملفات ويندوز تفصل بين المجلدات بالشرطة المائلة الراجعة “” وأسماء الملفات غير حساسة لحالة الأحرف، على حين في يونكس يفصل بين المجلدات باستخدام الشرطة المائلة “”/”” وأسماء الملفات حساسة لحالة الأحرف. الشبكات