آشنایی با سیستم عامل در علوم کامپیوتر
در هسته عملکرد هر رایانه، سیستم عامل (OS) قرار دارد. این نرم افزار اصلی است که سخت افزار را کنترل می کند، منابع سیستم را مدیریت می کند و تعامل بین کاربر، برنامه ها و ماشین را تسهیل می کند. بیایید به اصول اولیه سیستم‌های عامل، درک اجزا، انواع و عملکردهای آنها در حوزه علوم کامپیوتر بپردازیم.
سیستم عامل چیست؟
سیستم عامل (OS) یک نرم افزار قدرتمند و ضروری است که منابع سخت افزاری و نرم افزاری کامپیوتر را مدیریت می کند و خدمات مشترکی را برای برنامه های کامپیوتری ارائه می دهد. هر کامپیوتری برای اجرای برنامه های دیگر باید حداقل یک سیستم عامل داشته باشد. سیستم عامل به عنوان یک واسطه بین کاربران و سخت افزار کامپیوتر عمل می کند. نمونه هایی از سیستم عامل های محبوب عبارتند از مایکروسافت ویندوز، macOS، لینوکس و اندروید.
توابع اصلی یک سیستم عامل
سیستم عامل دارای طیف گسترده ای از توابع است که برای عملکرد یک سیستم کامپیوتری بسیار مهم است. برخی از وظایف اصلی آن عبارتند از:
- مدیریت فرآیند: ایجاد، زمانبندی و خاتمه فرآیندها را مدیریت می‌کند. فرآیند یک برنامه در حال اجرا است و سیستم عامل این فرآیندها را به طور موثر مدیریت می کند تا از عملکرد روان سیستم اطمینان حاصل کند.
- مدیریت حافظه: سیستم عامل حافظه سیستم را مدیریت می کند که شامل تخصیص و تخصیص حافظه به پردازش ها در مواقعی که به آن نیاز دارند و آزادسازی آن در صورت عدم نیاز است.
- مدیریت فایل سیستم: با ذخیره سازی، بازیابی، نامگذاری، اشتراک گذاری و حفاظت از فایل ها سروکار دارد. سیستم عامل سلسله مراتب فایل ها را حفظ می کند و اطلاعاتی مانند مکان، اندازه و نوع فایل را ردیابی می کند.
- مدیریت دستگاه: سیستم عامل ارتباطات دستگاه را از طریق درایورهای مربوطه مدیریت می کند. وظایفی مانند ارسال دستورات چاپ به چاپگر، خواندن داده ها از صفحه کلید و مدیریت عملیات CPU را انجام می دهد.
- امنیت و کنترل دسترسی: سیستم عامل تضمین می کند که کاربران غیرمجاز به سیستم دسترسی ندارند و از تهدیدات مخرب محافظت می کند. این حساب‌های کاربری، گذرواژه‌ها و مجوزهای مختلف را برای محافظت از داده‌ها مدیریت می‌کند.
انواع سیستم عامل
سیستم‌های عامل را می‌توان بر اساس عملکرد و خدماتی که ارائه می‌کنند دسته‌بندی کرد. رایج ترین انواع عبارتند از:
- سیستم عامل دسته ای: این سیستم عامل ها مستقیماً با رایانه تعامل ندارند. در اینجا، کارها جمع آوری، دسته بندی و پردازش می شوند، بدون دخالت کاربر.
- سیستم‌عامل‌های چند وظیفه‌ای/اشتراک‌گذاری زمان: این سیستم‌ها به چندین برنامه اجازه می‌دهند تا با اشتراک‌گذاری برش‌های زمانی CPU، همزمان اجرا شوند. به عنوان مثال می توان به لینوکس و ویندوز اشاره کرد.
- سیستم‌های عامل بلادرنگ (RTOS): RTOSها در محیط‌هایی که محدودیت‌های زمانی سخت‌گیرانه است، مانند سیستم‌های تعبیه شده استفاده می‌شوند. آنها داده ها را همانطور که وارد می شوند، بدون تاخیر بافر پردازش می کنند.
- سیستم‌های عامل شبکه: این سیستم‌ها بر روی سرورها کار می‌کنند و قابلیت سرویس دهی به چندین مشتری، مدیریت داده‌ها، کاربران، گروه‌ها، امنیت و برنامه‌ها را در یک شبکه فراهم می‌کنند.
- سیستم عامل های توزیع شده: آنها گروهی از کامپیوترهای مستقل را مدیریت می کنند و آنها را به صورت یک کامپیوتر در نظر کاربر نشان می دهند. پردازش در چندین ماشین فیزیکی توزیع شده است.
مدیریت حافظه
مدیریت حافظه شامل تخصیص و تخصیص مجدد بلوک های حافظه خاص به فرآیندهای فردی توسط سیستم عامل سیستم است. یکی از جنبه های مهم مدیریت حافظه، تمایز بین حافظه فیزیکی و مجازی است.
- حافظه فیزیکی: این حافظه رم واقعی (حافظه دسترسی تصادفی) موجود در سیستم است.
- حافظه مجازی: فضایی بر روی هارد دیسک است که برای شبیه سازی رم اضافی استفاده می شود. این اجازه می دهد تا برنامه های کاربردی بزرگ یا چندین برنامه را به طور همزمان اجرا کنید، فراتر از توانایی حافظه فیزیکی به تنهایی.
ساده ترین تکنیک مدیریت حافظه تخصیص پیوسته است که در آن هر فرآیند در یک بخش مجزا از حافظه قرار می گیرد. با این حال، این روش دارای عقب‌نشینی‌هایی مانند پراکندگی است. برای غلبه بر این، سیستم عامل های مدرن از صفحه بندی و بخش بندی استفاده می کنند.
زمانبندی فرآیند
زمانبندی فرآیند روشی است که توسط آن سیستم‌عامل تصمیم می‌گیرد کدام فرآیند در صف آماده توسط پردازنده اجرا شود. هدف اصلی به حداکثر رساندن استفاده از CPU است. الگوریتم های زمان بندی عبارتند از:
- First-Come, First-Served (FCFS): فرآیندها به ترتیبی که می رسند بررسی می شوند.
- Shortest Job Next (SJN): این الگوریتم فرآیندی را با کمترین زمان اجرای بعدی انتخاب می کند. این می تواند منجر به عملکرد بهتر شود، اما نیاز به دانش قبلی از زمان اجرا دارد.
- Round Robin (RR): به هر فرآیند یک شکاف زمانی ثابت اختصاص داده می شود و نوبت به نوبت اجرا می شود. این روش انصاف را در بین فرآیندها تضمین می کند.
- زمانبندی اولویت: به هر فرآیند یک اولویت اختصاص داده می‌شود و اجرا بر اساس ترتیب اولویت است. فرآیندهای با اولویت بالاتر قبل از فرآیندهایی با اولویت کمتر اجرا می شوند.
سیستم های فایل
سیستم فایل روشی سازمان یافته است که سیستم عامل برای ذخیره، سازماندهی و مدیریت فایل ها بر روی دیسک استفاده می کند. این روشی را برای برنامه ها برای خواندن و نوشتن در فضای ذخیره سازی دیسک فراهم می کند. انواع سیستم فایل رایج عبارتند از FAT32، NTFS برای ویندوز، و Ext3، Ext4 برای لینوکس. سیستم فایل ابرداده‌های مربوط به فایل‌ها، از جمله نام فایل، اندازه، ایجاد و تاریخ‌های اصلاح را مدیریت می‌کند.
نتیجه
یک سیستم عامل جزء جدایی ناپذیر عملکرد رایانه ها و دستگاه های محاسباتی است. این رابط ضروری بین کاربر و سخت افزار را فراهم می کند، منابع را به طور موثر مدیریت می کند و امنیت و کارایی کلی سیستم را تضمین می کند. درک عملکرد، انواع و اجزای سیستم عامل در زمینه علوم کامپیوتر اساسی است.
