أنظمة التشغيل

يعتبر نظام التشغيل هو برنامج يعمل لأنظمة الكمبيوتر ، ويمكن أن يكون مفيدًا للعديد من الأشياء مثل: تعدد المهام ويسمح بفتح العديد من التطبيقات في وقت واحد، ومعالجة الأخطاء، حيث يشير إلى توقع واكتشاف وحل أخطاء البرمجة والتطبيق والاتصالات، وكذلك الأمان وكلمات المرور، ولن يتم تسريب أي معلومات، وضوابط الإدخال والإخراج والتحكم في الأجهزة الأخرى مثل الطابعات، كما يوجد المزيد من مزايا نظام التشغيل ولكن هذه ليست سوى بعض منها.

كما أنّ أنظمة التشغيل الأكثر شيوعًا هي: Windows و MAC OS و Linux و Android و UNIX و DOS، بينما تكون أنظمة تشغيل الكمبيوتر الشائعة هي لينكس وويندوز وماكوس، ونظام التشغيل android و iOS و Blackberry للهواتف المحمولة في الوقت الحاضر، وهناك أجهزة أخرى بها أنظمة تشغيل، فعلى سبيل المثال أجهزة التلفزيون الذكية والثلاجات الذكية، ولا تحتاج بعض الأجهزة إلى أنظمة تشغيل، لأنّها تؤدي وظائف أساسية فقط، على سبيل المثال: مفاتيح الإضاءة فهو لا يحتاج إلى وظائف معقدة بمجرد تشغيله وإيقافه.

كما يتم تحميل برامج البدء في الذاكرة من ذاكرة القراءة فقط عند تشغيل الكمبيوتر لأول مرة، حيث يجب التأكد من أنّه

يوجد نظام التشغيل في الكمبيوتر

وكذلك الأجهزة والمعالج والذاكرة الداخلية تعمل بشكل صحيح وإذا لم تكن هناك أية أخطاء، فسيتم تحميل نظام التشغيل في الذاكرة، وعندما يتم إيقاف تشغيل الكمبيوتر فإنّه يحذف جميع البيانات التي تم تحميلها من الذاكرة (RAM)، ثم يكررون نفس العملية عند تشغيل الكمبيوتر مرة أخرى.

معنى بنية الحاسب

تتكون بنية الكمبيوتر من القواعد والطرق والإجراءات التي تصف تنفيذ ووظائف نظام الكمبيوتر كلها، بصورة عامة، تشير بنية الكمبيوتر إلى كيفية تصميم نظام الكمبيوتر باستعمال تقنيات متوافقة، وقد يشير مصطلح الهندسة المعمارية في أدبيات الكمبيوتر إلى مستوى بنية النظام، وهو مصطلح أكثر توضيح لتنظيم مهام الآلة، كما يمكن لمستخدم الكمبيوتر استخدام هذا المصطلح بعدة طرق ولكن أقل دقة، وبحلول التسعينيات فقد تم بناء بنية الحاسب الجديدة وفحصها وتعديلها داخل بنية حاسب أخرى في محاكاة هندسة الحاسب، أو الجزء الداخلي من FPGA ليعمل كمعالج دقيق قبل أن تكون في شكل الأجهزة النهائي.[2]

من مكونات بنية الحاسب

وحدة معالجة مركزية.
وحدة المنطق الحسابي (ALU).
وحدة التحكم.
وحدة ذاكرة.

وحدة معالجة مركزية:

وتعرف وحدة المعالجة المركزية بـ(CPU) “عقل الكمبيوتر” لأنها تتحكم في تشغيل كل أجزاء الكمبيوتر، وهي تتكون من مكونين: وحدة المنطق الحسابي (ALU) ، ووحدة التحكم.

وحدة المنطق الحسابي (ALU):

يتم إرسال البيانات التي يتم إدخالها في الحاسب إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، حيث يتم إرسالها بعد هذا إلى ALU، حيث تتم معالجة البيانات المتبقية، وقد تتم كل أنواع المعالجة مثل المقارنات واتخاذ القرار ومعالجة المعلومات غير الرقمية فيه ومرة أخرى يتم نقل البيانات إلى ذاكرة الوصول العشوائي.

وحدة التحكم:

كما يشير الاسم، فإن هذا الجزء من وحدة المعالجة المركزية يستخرج التعليمات وينفذ ويحافظ ويوجه عمليات النظام بأكمله.

وحدة ذاكرة:

هذه هي الوحدة التي يتم فيها تخزين البيانات والتعليمات المعطاة للحاسب وكذلك النتائج التي يقدمها الحاسب، اما وحدة الذاكرة فهي “بايت”.[3]

ماهي تركيبة أنظمة التشغيل وبنية الحاسب

المقاطعات والمخازن

تعتبر المقاطعات إشارة يتم إرسالها من جهاز أو من برنامج إلى المعالج مما يعني أنّ المعالج سيتوقف مؤقتًا أثناء المقاطعة ويمكن أن يحدث هذا بسبب ما يلي:

محرك الأقراص جاهز لاستقبال المزيد من البيانات.
حدوث خطأ (على سبيل المثال: انحشار الورق في الطابعة).
يتم الضغط على أزرار <ctrl> <Alt> <Del>.
حدوث خطأ في البرنامج.
المخازن المؤقتة التحميل، ويمكن أن يحدث هذا بسبب السرعة البطيئة لجهاز الإدخال مما يتسبب في أن يكون جهاز الإخراج أبطأ من المعتاد.

نموذج فون نيومان

تم اختراع نموذج فون نيومان من قبل عالم يسمى جون فون نيومان في عام 1945، كما تحتوي أنظمة الكمبيوتر فون نيومان على خمسة اللبنات الرئيسية وهي: وحدة المعالجة المركزية (CPU)، وحدة الذاكرة، وحدة المنطق الحسابية، والإدخال/ الإخراج devices These المكونات متصلة ببعضها البعض باستخدام ناقل النظام، وتتمثل مكونات نموذج فون نيومان فيما يلي:

وحدة الذاكرة أو MU هي تخزين المعلومات (البيانات/ البرنامج).
وحدة المعالجة هي معالجة المعلومات.
المدخلات هي الأجهزة التي تعطي المعلومات إلى الكمبيوتر، فعلى سبيل المثال لوحة المفاتيح والفأرة.
الإخراج : هي الأجهزة التي تتلقى المعلومات من الكمبيوتر. على سبيل المثال الطابعة، والشاشة.
وحدة التحكم : تتأكد من أنّ جميع الأجزاء الأخرى تؤدي مهامها بشكل صحيح وفي الوقت الصحيح.

حافلات النظام الثلاثة هي كما يلي:

ناقل العنوان: يحمل إشارات تتعلق بالعناوين بين المعالج والذاكرة، وهو أحادي الاتجاه (تنتقل الإشارات في اتجاه واحد فقط).
ناقل البيانات: يرسل البيانات بين المعالج ووحدة الذاكرة وأجهزة الإدخال/ الإخراج ومن ثنائية الاتجاه (يمكن للبيانات السفر في كلا الاتجاهين).
ناقل التحكم: حيث يحمل إشارات تتعلق بالتحكم والتنسيق لجميع الأنشطة داخل الكمبيوتر (أمثلة: عملية القراءة والكتابة) وهو يعتبر يجري كل أحادي الاتجاه و ثنائية الاتجاه بسبب الاتصالات الداخلية في هندسة الكمبيوتر.

كما يتم تخزين عنوان البيانات في وحدة التحكم، ثم يتم إرسال العنوان إلى MAR (أو سجل عنوان الذاكرة) باستخدام ناقل التحكم، حيث تقوم وحدة الذاكرة بعد ذلك بإرسال البيانات إلى المعالج باستخدام ناقل البيانات لفك تشفير البيانات وسيتم إرسالها مرة أخرى إلى وحدة الذاكرة باستخدام نفس الناقل، ثم يتم إرسال البيانات التي تم فك تشفيرها إلى الإخراج باستخدام ناقل البيانات.

تتبيّن خطوات نموذج فون نيومان في عملية القراءة فيما يلي:

يتم إرسال عنوان البيانات المطلوبة على طول ناقل العنوان من خلال المعالج، ثم يرسل المعالج إشارة قراءة على طول ناقل التحكم إلى الذاكرة.
كما يتم إرسال البيانات من الذاكرة إلى المعالج على طول ناقل البيانات.
يقوم المعالج بعد ذلك بفك تشفير البيانات وتنفيذها.
بينما تتبيّن خطوات عملية الكتابة في: وضع المعالج البيانات على ناقل البيانات وعنوان الوجهة على ناقل العنوان في البداية، ثم يرسل المعالج إشارة الكتابة على طول ناقل التحكم ويتم إرسال البيانات على طول ناقل البيانات.
كما تستخدم ذاكرة التخزين المؤقت بهدف استخدامها للتخزين عالي السرعة.
كما يتم التسجيل والاحتفاظ بالبيانات أو التعليمات أثناء المعالجة
قام Accumulator بتسجيل العمليات الحسابية.

وظائف نظام تشغيل الكمبيوتر

إدارة الذاكرة
إدارة ذاكرة نظام التشغيل
إدارة المهام أو العمليات
إدارة التخزين
الجهاز أو إدارة الإدخال / الإخراج
الجدولة

إدارة الذاكرة :

تعتبر إدارة الذاكرة هي عملية إدارة ذاكرة الكمبيوتر، وتتكون ذاكرة الكمبيوتر من نوعين: ذاكرة أساسية وثانوية، كما يتم تخصيص جزء الذاكرة للبرامج والبرامج بعد تحرير مساحة الذاكرة.

إدارة ذاكرة نظام التشغيل :

تعد إدارة الذاكرة مهمة لنظام التشغيل المتضمن في تعدد المهام، حيث يتطلب نظام التشغيل تحويل مساحة الذاكرة من عملية إلى أخرى ويتطلب كل برنامج بعض مساحة الذاكرة لتنفيذه، والتي توفرها وحدة إدارة الذاكرة وتتكون وحدة المعالجة المركزية من نوعين من وحدات الذاكرة وهما:

الذاكرة الافتراضية والذاكرة الفعلية، والذاكرة الظاهرية هي ذاكرة RAM، والذاكرة الفعلية هي ذاكرة قرص صلب، ويقوم نظام التشغيل بإدارة مساحات عناوين الذاكرة الظاهرية، ويتبع تعيين الذاكرة الحقيقية عنوان الذاكرة الظاهرية.

إدارة المهام أو العمليات :

تعتبر إدارة العملية هي مثيل لبرنامج يتم تنفيذه، حيث تتكون العملية من عدد من العناصر، مثل المعرف وعداد البرنامج ومؤشر الذاكرة وبيانات السياق وما إلى ذلك، والعملية هي في الواقع تنفيذ لتلك التعليمات، وكذلك المهمام، حيث يعتبر عمليات متعددة في وقت واحد.

إدارة التخزين :

إدارة التخزين هي إحدى وظائف نظام التشغيل التي تتعامل مع تخصيص ذاكرة البيانات، ويتكون النظام من أنواع مختلفة من أجهزة الذاكرة، مثل ذاكرة التخزين الأولية (RAM) وذاكرة التخزين الثانوية (القرص الصلب) وذاكرة التخزين المؤقت، ويتم وضع التعليمات والبيانات في التخزين الأساسي أو ذاكرة التخزين المؤقت

والتي يتم الرجوع إليها بواسطة البرنامج قيد التشغيل ومع ذلك، يتم فقدان البيانات عند انقطاع التيار الكهربائي، والذاكرة الثانوية هي جهاز تخزين دائم حيث، يخصص نظام التشغيل مكانًا للتخزين عند إنشاء ملفات جديدة وجدولة طلب الوصول إلى الذاكرة.

الجهاز أو إدارة الإدخال / الإخراج :

إنّ الجمع بين وحدة المعالجة المركزية والذاكرة الرئيسية في بنية الكمبيوتر هو عقل الكمبيوتر ويتم التحكم فيه من خلال موارد الإدخال والإخراج، ويتواصل الأشخاص مع الأجهزة من خلال توفير المعلومات عبر أجهزة الإدخال / الإخراج والشاشات ولوحات المفاتيح والطابعات والماوس وأجهزة الإدخال/ الإخراج، وتؤثر إدارة كل هذه الأجهزة على معدل نقل البيانات، لذلك فإن إدارة مدخلات ومخرجات النظام هي المسؤولية الأساسية لنظام التشغيل.

الجدولة :

الجدولة بواسطة نظام التشغيل هي عملية للتحكم في الرسائل المرسلة إلى المعالج وتحديد أولوياتها، ويحافظ نظام التشغيل على قدر ثابت من العمل للمعالج وبالتالي يوازن عبء العمل، ونتيجة لذلك يتم الانتهاء من كل عملية في إطار زمني محدد، ومن ثم فإن الجدولة مهمة جدًا في أنظمة الوقت الفعلي، ويتألف المنظمون بشكل أساسي من ثلاثة أنواع وهي كما يلي:

جدولة طويلة المدى.
جدولة قصيرة المدى.
جدول متوسط المدى.[1]