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 نمایند. مثلا" اجاق های مایکرویو که در آشپزخانه استفاده شده دارای نوع خاصی از کامپیوتر بوده که از سیستم عامل استفاده نمی نمایند. 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 نمایشگرهای LCD ، 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، بخدمت 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. ویندوز یکی از متداولترین سیستم های عامل 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 بعنوان یک میانجی براحتی 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 صورتی که 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 سیتستم عامل در این راستا اولویت خواهد داشت . ویندوز 98 یکی از بهترین نمونه ها در این زمینه است . سیستم عامل 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 عامل Palm OS برای کامپیوترهای PDA 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 و MacOS 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 بدرستی 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 نظیر MVS 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 حافظه ROM 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 برنامه POST ، در ادامه درایوهای ( هارد ، فلاپی ) سیستم فعال خواهند شد. در اکثر کامپیوترها ، پس از فعال شدن هارد دیسک ، اولین بخش سیستم عامل با نام Bootstrap 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 یه منظور 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 و 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 یه منظور زمانبندی پردازنده با آن درگیر خواهد شد ، یک پردازه و یا یک Thread 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 یه منظور 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 و 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 و 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 اینچنین 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 و 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 حافظه RAM را اشغال خواهد کرد
پس از استفرار بیش از یک پردازه در حافظه ، پردازنده بر اساس یک زمانبندی خاص ، فرصت اجراء را به یکی از پردازه ها خواهد داد.
پردازنده ، بر اساس تعداد سیکل های خاصی پردازه را اجراء خواهد کرد .
پس ازاتمام تعداد سیکل های مربوطه ، پردازنده وضعیت پردازه ( مقایر ریجسترها و ...) را ذخیره و به پردازه اتمام زمان مربوطه را اعلام می نماید.
پردازنده در ادامه اطلاعات ذخیره شده در رابطه با پردازه دیگر را فعال ( ریجسترها و ...) و زمینه اجرای پردازه دوم فراهم می گردد.
پس ازاتمام تعداد سیکل های مربوطه ، پردازنده وضعیت پردازه ( مقایر ریجسترها و ...) را ذخیره و به پردازه اتمام زمان مربوطه را اعلام و مجددا" پردازه اول جهت اجراء فعال خواهد گردید.
تمام اطلاعات مورد نیاز یه منظور مدیریت یک پردازه در ساختمان داده ای خاص با نام PCB)Process Control Block) ، نگهداری می گردد. پردازنده در زمان سوئیچ بین پردازه ها ، از آخرین وضعیت هر پردازه با استفاده از اطلاعات ذخیره شده در PCB آگاهی پیدا کرده و در ادامه زمینه اجرای پردازه مورد نظر بر اساس تعداد سیکل های در نظر گرفته شده فراهم خواهد شد. برای هر پردازه یک PCB ایجاد و اطلاعات زیر در آن ذخیره خواهد گردید :
یک مشخصه عددی (ID) که نمایانگر پردازه خواهد بود .
اشاره گری که نشاندهنده آخرین محل اجرای پردازه است
محتویات ریجستر ها
وضعیت سوئیچ ها و متغیرهای مربوطه
اشاره گره هائی که حد بالا و پایین حافظه مورد نیاز پردازه را مشخص خواهد کرد.
اولویت پردازه
وضعیت دستگاههای ورودی و خروجی مورد نیاز پردازه
هر زمان که اطلاعات مربوط به پردازه ای تغییر یابد ، ( پردازه از حالت "آماده " تبدیل به حالت "اجراء " و یا از حالت " اجراء " به حالت "انتظار" و یا "آماده " سوئیچ نماید ) اطلاعات ذخیره شده در PCB استفاده و بهنگام خواهند شد.
عملیات جایگزینی پردازها، بدون نظارت و ارتباط مستقیم کاربر انجام و هر پردازه به میزان کافی از زمان پردازنده برای اتمام عملیات خود استفاده خواهد کرد. در این راستا ممکن است ، کاربری قصد اجرای تعداد بسیار زیادی از پردازه ها را بسورت همزمان داشته باشد. در چنین مواردی است ، پردازنده خود نیازمند استفاده از چندین سیکل زمانی برای ذخیره و بازیابی اطلاعات مربوط به هر یک از پردازه ها خواهد بود .در صورتی که سیستم عامل با دقت طراحی نشده باشد و یا پردازه های زیادی فعالیت خود را آغاز کرده باشند ، مدت زمان زیادی از پردازنده صرف انجام عملیات سوئیچینگ بین پردازها شده و عملا" در روند اجرای پردازها اختلال ایجاد می گردد. وضعیت بوجود آمده فوق را Thrashing می گویند. در چنین مواردی کاربر می بایست نسبت به غیرفعال نمودن برخی از پردازه ها اقدام تا سیستم مجددا" در وضعیت طبیعی قرار گیرد.
یکی از روش هائی که طراحان سیستم عامل از آن استفاده تا امکان ( شانس) تحقق Thrashing را کاهش دهند ، کاهش نیاز به پردازه های جدید برای انجام فعالیت های متفاوت است . برخی از سیستم های عامل ازیک " پردازه -lite " با نام Thread استفاده می نمایند. Thread از لحاظ کارآئی همانند یک پردازه معمولی رفتار نموده ولی نیازمند عملیات متفاوت ورودی و خروجی و یا ایجاد ساختمان داده PCB مشابه یک پردازه عادی نخواهد بود. یک پردازه ممکن است باعث اجرای چندین Threads و یا سایر پردازه های دیگر گردد. یک Thread نمی تواند باعث اجرای یک پردازه گردد.
تمام موارد اشاره شده در رابطه با زمانبندی با فرض وجود یک پردازنده مطرح گردیده است . در سیستم هائی که دارای دو و یا بیش از دو پردازنده می باشند ، سیستم عامل حجم عملیات مربوط به هر گردازنده را تنظیم و مناسب ترین روش اجراء برای یک پردازه در نظر گرفته شود . سیستم های عامل نامتقارن ، از یک پردازنده برای انجام عملیات مربوط به سیستم عامل استفاده و پردازه های مربوط به برنامه های کاربردی را بین سایر پردازه ها تقسیم می نمایند. سیستم های عامل متقارن ، عملیات مربوط به خود و عملیات مربوط به سایر پردازه ها را بین پردازه های موجود تقسیم می نمایند. در این راستا سعی می گردد که توزیع عملیات برای هر یک از پردازه ها بصورت متعادل انجام گردد.
مدیریت حافظه و فضای ذخیره سازی
سیستم عامل در رابطه با مدیریت حافظه دو عملیات اساسی را انجام خواهد داد :
هر پردازه یه منظور اجراء می بایست دارای حافظه مورد نیاز و اختصاصی خود باشد .
از انواع متفاوتی حافظه در سیستم استفاده تا هر پردازه قادر به اجراء با بالاترین سطح کارآئی باشد.
سیسم های عامل در ابتدا می بایست محدوده های حافظه مورد نیاز هر نوع نرم افزار و برنامه های خاص را فراهم نمایند. مثلا" فرض کنید سیستمی دارای یک مگابایت حافظه اصلی باشد . سیستم عامل کامپیوتر فرضی ، نیازمند 300 کیلو بایت حافظه است . سیستم عامل در بخش انتهائی حافظه مستقر و بهمراه خود درایورهای مورد نیاز یه منظور کنترل سخت افزار را نیز مستقر خواهد کرد. درایورهای مورد نظر به 200 کیلو بایت حافظه نیاز خواهند داشت . بنابراین پس از استقرار سیستم عامل بطور کامل در حافظه ، 500 کیلو بایت حافظه باقیمانده و از آن برای پردازش برنامه های کاربردی استفاده خواهد شد. زمانیکه برنامه های کاربردی در حافظه مستقر می گردند ، سازماندهی آنها در حافظ بر اساس بلاک هائی خواهد بود که اندازه آنها توسط سیستم عامل مشخص خواهد شد. در صورتی که اندازه هر بلاک 2 کیلوبایت باشد ، هر یک از برنامه های کاربردی که در حافظه مستقر می گردنند ، تعداد زیادی از بلاک های فوق را (مضربی از دو خواهد بود) ، بخود اختصاص خواهند داد. برنامه ها در بلاک هائی با طول ثابت مستقر می گردند. هر بلاک دارای محدوده های خاص خود بوده که توسط کلمات چهار و یا هشت بایت ایجاد خواهند شد. بلاک ها و محدو ده های فوق این اطمینان را بوجود خواهند آورد که برنامه ها در محدوده های متداخل مستقر نخواهند شد. پس از پر شدن فضای 500 کیلوبایت اختصاصی برای برنامه های کاربردی ، وضعیت سیستم به چه صورت تبدیل خواهد گردید؟
در اغلب کامپیوترها ، می توان ظرفیت حافظه را ارتقاء و افزایش داد. مثلا" می توان میزان حافظه RAM موجود را از یک مگابایت به دو مگابایت ارتقاء داد. روش فوق یک راهکار فیزیکی برای افزایش حافظه بوده که در برخی موارد دارای چالش های خاص خود می باشد. در این زمینه می بایست راهکارهای دیگر نیز مورد بررسی قرار گیرند. اغلب اطلاعات ذخیره شده توسط برنامه ها در حافظه ، در تمام لحظات مورد نیاز نخواهد نبود. پردازنده در هر لحظه قادر به دستیابی به یک محل خاص از حافظه است . بنابراین اکثر حجم حافظه در اغلب اوقات غیر فابل استفاده است . از طرف دیگر با توجه به اینکه فضای ذخیره سازی حافظه ها ی جانبی نظیر دیسک ها بمراتب ارزانتر نسبت به حافظه اصلی است ، می توان با استفاده از مکانیزمهائی اطلاعات موجود در حافظه اصلی را خارج و آنها را موقتا" بر روی هارد دیسک ذخیره نمود. بدین ترتیب فضای حافظه اصلی آزاد و در زمانیکه به اطلاعات ذخیره شده بر روی هارد دیسک نیاز باشد ، مجددا" آنها را در حافظه مستقر کرد. روش فوق " مدیریت حافظه مجازی " نامیده می شود.
حافطه های ذخیره سازی دیسکی ، یکی از انواع متفاوت حافظه موجود بوده که می بایست توسط سیستم عامل مدیریت گردد. حافطه های با سرعت بالای Cache ، حافظه اصلی و حافظه های جانبی نمونه های دیگر از حافظه بوده که توسط سیستم عامل مدیریت گردند.
