وظایف سیستم عامل

وظايف سيستم عامل

پس از روشن نمودن کامپيوتر، لولين برنامه ای که اجراء می گردد ، مجموعه دستوراتی می باشند که در حافظه ROM ذخيره و مسئول بررسی صحت عملکرد امکانات سخت افزاری موجود می باشند. برنامه فوق (POST) ، پردازنده ، حافظه و ساير عناصر سخت افزاری را بررسی خواهد کرد . پس از بررسی موفقيت آميز برنامه POST ، در ادامه درايوهای ( هارد ، فلاپی ) سيستم فعال خواهند شد. در اکثر کامپيوترها ، پس از فعال شدن هارد ديسک ، اولين بخش سيستم عامل با نام Bootstrap Loader فعال خواهد شد. برنامه فوق صرفا" دارای يک وظيفه اساسی است : انتقال ( استقرار ) سيستم عامل در حافظه اصلی و امکان اجرای آن . برنامه فوق عمليات متفاوتی را بمنظور استفرار سيستم عامل در حافظه انجام خواهد داد.

سيستم عامل دارای وظايف زير است :

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

[ برای مشاهده لینک ، با نام کاربری خود وارد شوید یا ثبت نام کنید ]

مديريت پردازنده

مديريت پردازنده دو وظيفه مهم اوليه زير را دارد :

ايجاد اطمينان که هر پردازه و يا برنامه به ميزان مورد نياز پردازنده را برای تحقق عمليات خود ، اختيار خواهد کرد.

استفاده از بيشترين سيکل های پردازنده برای انجام عمليات

ساده ترين واحد نرم افزاری که سيستم عامل بمنظور زمانبندی پردازنده با آن درگير خواهد شد ، يک پردازه و يا يک Thread خواهد بود. موقتا" می توان يک پردازه را مشابه يک برنامه در نظر گرفت ، در چنين حالتی مفهوم فوق ( پردازه ) ، بيانگر يک تصوير واقعی از نحوه پردازش های مرتبط با سيستم عامل و سخت افزار نخواهد بود. برنامه های کامپيوتری ( نظير واژه پردازها ، بازيهای کامپيوتری و ...) در حقيقت خود يک پردازه می باشند ، ولی برنامه های فوق ممکن است از خدمات چندين پردازه ديگر استفاده نمايند. مثلا" ممکن است يک برنامه از پردازه ای بمنظور برقراری ارتباط با ساير دستگاههای موجود در کامپيوتر استفاده نمايد. پردازه های فراوان ديگری نيز وجود دارد که با توجه به ماهيت عمليات مربوطه ، بدون نياز به محرک خارجی ( نظير يک برنامه ) فعاليت های خود را انجام می دهند. يک پردازه ، نرم افزاری است که عمليات خاص و کنترل شده ای را انجام می دهد. کنترل يک پردازه ممکن است توسط کاربر ، ساير برنامه های کاربردی و يا سيستم عامل صورت پذيرد.

سيستم عامل با کنترل و زمانبندی مناسب پردازه ها زمينه استفاده از پردازنده را برای آنان ، فراهم می نمايد. در سيستم های " تک - کاره " ، سيستم زمانبندی بسيار روشن و مشخص است . در چنين مواردی، سيستم عامل امکان اجرای برنامه را فراهم و صرفا" در زمانيکه کاربر اطلاعاتی را وارد و يا سيستم با وقفه ای برخورد نمايد ، روند اجراء متوقف خواهد شد. وقفه ، سيگنال های خاص ارسالی توسط نرم افزار و يا سخت افزار برای پردازنده می باشند. در چنين مواردی منابع صادر کننده وقفه درخواست برقراری يک ارتباط زنده با پردازنده برای اخذ سرويس و يا ساير مسائل بوجود آمده ، را می نمايند. در برخی حالات سيستم عامل پردازه ها را با يک اولويت خاص زمانبندی می نمايد . در چنين حالتی هر يک از پردازه ها با توجه به اولويت نسبت داده شده به آنان ، قادر به استفاده از زمان پردازنده خواهند بود. در اينچنين موارد ، در صورت بروز وقفه ، پردازنده آنها را ناديده گرفته و تا زمان عدم تکميل عمليات مورد نظر توسط پردازنده ، فرصت پرداختن به وقفه ها وجود نخواهد داشت . بديهی است با توجه به نحوه برخورد پردازنده ( عدم توجه به وقفه ها ) ، در سريعترين زمان ممکن عمليات و فعاليت جاری پردازنده به اتمام خواهد رسيد. برخی از وقفه ها با توجه به اهميت خود ( نظير بروز اشکال در حافظه و يا ساير موارد مشابه ) ، قابل اغماص توسط پردازنده نبوده و می بايست صرفنظر از نوع و اهميت فعاليت جاری ، سريعا" به وقفه ارسالی پاسخ مناسب را ارائه گردد.

پردازنده ، با توجه به سياست های اعمال شده سيستم عامل و بر اساس يک الگوريتم خاص ، در اختيار پردازه های متفاوت قرار خواهد گرفت . در چنين مواردی پردازنده مشغول بوده و برای اجراء ، پردازه ای را در اختيار دارد. در زمانيکه پردازنده درگير يک پردازه است ، ممکن است وقفه هائی از منابع متفاوت نرم افزاری و يا سخت افزاری محقق گردد. در چنين وضعيتی با توجه به اهميت و جايگاه يک وقفه ، پردازنده برخی از آنها را ناديده گرفته و همچنان به فعاليت جاری خود ادامه داده و در برخی موارد با توجه به اهميت وقفه ، فعاليت جاری متوقف و سرويس دهی به وقفه آغاز خواهد شد.

در سيستم های عامل " تک - کاره " ، وجود وقفه ها و نحوه مديريت آنها در روند اجرای پردازه ها تاثير و پيچيدگی های خاص خود را از بعد مديريتی بدنبال خواهد داشت . در سيستم های عامل |"چند - کاره " عمليات بمراتب پيچيده تر خواهد بود. در چنين مواردی می بايست اين اعتقاد بوجود آيد که چندين فعاليت بطور همزمان در حال انجام است . عملا" پردازنده در هر لحظه قادر به انجام يک فعاليت است و بديهی است رسيدن به مرز اعتقادی فوق ( چندين فعاليت بطور همزمان ) مستلزم يک مديريت قوی و طی مراحل پيچيده ای خواهد بود. در چنين حالتی لازم است که پردازنده در مدت زمان يک ثانيه هزاران مرتبه از يک پردازه به پردازه ه ديگر سوئيچ تا امکان استفاده چندين پردازه از پردازنده را فراهم نمايد . در ادامه نحوه انجام عمليات فوق ، تشريح می گردد :

يک پردازه بخشی از حافظه RAM را اشغال خواهد کرد

پس از استفرار بيش از يک پردازه در حافظه ، پردازنده بر اساس يک زمانبندی خاص ، فرصت اجراء را به يکی از پردازه ها خواهد داد.

پردازنده ، بر اساس تعداد سيکل های خاصی پردازه را اجراء خواهد کرد .

پس ازاتمام تعداد سيکل های مربوطه ، پردازنده وضعيت پردازه ( مقاير ريجسترها و ...) را ذخيره و به پردازه اتمام زمان مربوطه را اعلام می نمايد.

پردازنده در ادامه اطلاعات ذخيره شده در رابطه با پردازه ديگر را فعال ( ريجسترها و ...) و زمينه اجرای پردازه دوم فراهم می گردد.

پس ازاتمام تعداد سيکل های مربوطه ، پردازنده وضعيت پردازه ( مقاير ريجسترها و ...) را ذخيره و به پردازه اتمام زمان مربوطه را اعلام و مجددا" پردازه اول جهت اجراء فعال خواهد گرديد.

تمام اطلاعات مورد نياز بمنظور مديريت يک پردازه در ساختمان داده ای خاص با نام PCB)Process Control Block) ، نگهداری می گردد. پردازنده در زمان سوئيچ بين پردازه ها ، از آخرين وضعيت هر پردازه با استفاده از اطلاعات ذخيره شده در PCB آگاهی پيدا کرده و در ادامه زمينه اجرای پردازه مورد نظر بر اساس تعداد سيکل های در نظر گرفته شده فراهم خواهد شد. برای هر پردازه يک PCB ايجاد و اطلاعات زير در آن ذخيره خواهد گرديد :

يک مشخصه عددی (ID) که نمايانگر پردازه خواهد بود .

اشاره گری که نشاندهنده آخرين محل اجرای پردازه است

محتويات ريجستر ها

وضعيت سوئيچ ها و متغيرهای مربوطه

اشاره گره هائی که حد بالا و پايين حافظه مورد نياز پردازه را مشخص خواهد کرد.

اولويت پردازه

وضعيت دستگاههای ورودی و خروجی مورد نياز پردازه

هر زمان که اطلاعات مربوط به پردازه ای تغيير يابد ، ( پردازه از حالت "آماده " تبديل به حالت "اجراء " و يا از حالت " اجراء " به حالت "انتظار" و يا "آماده " سوئيچ نمايد ) اطلاعات ذخيره شده در PCB استفاده و بهنگام خواهند شد.

عمليات جايگزينی پردازها، بدون نظارت و ارتباط مستقيم کاربر انجام و هر پردازه به ميزان کافی از زمان پردازنده برای اتمام عمليات خود استفاده خواهد کرد. در اين راستا ممکن است ، کاربری قصد اجرای تعداد بسيار زيادی از پردازه ها را بسورت همزمان داشته باشد. در چنين مواردی است ، پردازنده خود نيازمند استفاده از چندين سيکل زمانی برای ذخيره و بازيابی اطلاعات مربوط به هر يک از پردازه ها خواهد بود .در صورتيکه سيستم عامل با دقت طراحی نشده باشد و يا پردازه های زيادی فعاليت خود را آغاز کرده باشند ، مدت زمان زيادی از پردازنده صرف انجام عمليات سوئيچينگ بين پردازها شده و عملا" در روند اجرای پردازها اختلال ايجاد می گردد. وضعيت بوجود آمده فوق را Thrashing می گويند. در چنين مواردی کاربر می بايست نسبت به غيرفعال نمودن برخی از پردازه ها اقدام تا سيستم مجددا" در وضعيت طبيعی قرار گيرد.

يکی از روش هائی که طراحان سيستم عامل از آن استفاده تا امکان ( شانس) تحقق Thrashing را کاهش دهند ، کاهش نياز به پردازه های جديد برای انجام فعاليت های متفاوت است . برخی از سيستم های عامل ازيک " پردازه -lite " با نام Thread استفاده می نمايند. Thread از لحاظ کارآئی همانند يک پردازه معمولی رفتار نموده ولی نيازمند عمليات متفاوت ورودی و خروجی و يا ايجاد ساختمان داده PCB مشابه يک پردازه عادی نخواهد بود. يک پردازه ممکن است باعث اجرای چندين Threads و يا ساير پردازه های ديگر گردد. يک Thread نمی تواند باعث اجرای يک پردازه گردد.

تمام موارد اشاره شده در رابطه با زمانبندی با فرض وجود يک پردازنده مطرح گرديده است . در سيستم هائی که دارای دو و يا بيش از دو پردازنده می باشند ، سيستم عامل حجم عمليات مربوط به هر گردازنده را تنظيم و مناسب ترين روش اجراء برای يک پردازه در نظر گرفته شود . سيستم های عامل نامتقارن ، از يک پردازنده برای انجام عمليات مربوط به سيستم عامل استفاده و پردازه های مربوط به برنامه های کاربردی را بين ساير پردازه ها تقسيم می نمايند. سيستم های عامل متقارن ، عمليات مربوط به خود و عمليات مربوط به ساير پردازه ها را بين پردازه های موجود تقسيم می نمايند. در اين راستا سعی می گردد که توزيع عمليات برای هر يک از پردازه ها بصورت متعادل انجام گردد.

مديريت حافظه و فضای ذخيره سازی

سيستم عامل در رابطه با مديريت حافظه دو عمليات اساسی را انجام خواهد داد :

هر پردازه بمنظور اجراء می بايست دارای حافظه مورد نياز و اختصاصی خود باشد .

از انواع متفاوتی حافظه در سيستم استفاده تا هر پردازه قادر به اجراء با بالاترين سطح کارآئی باشد.

سيسم های عامل در ابتدا می بايست محدوده های حافظه مورد نياز هر نوع نرم افزار و برنامه های خاص را فراهم نمايند. مثلا" فرض کنيد سيستمی دارای يک مگابايت حافظه اصلی باشد . سيستم عامل کامپيوتر فرضی ، نيازمند 300 کيلو بايت حافظه است . سيستم عامل در بخش انتهائی حافظه مستقر و بهمراه خود درايورهای مورد نياز بمنظور کنترل سخت افزار را نيز مستقر خواهد کرد. درايورهای مورد نظر به 200 کيلو بايت حافظه نياز خواهند داشت . بنابراين پس از استقرار سيستم عامل بطور کامل در حافظه ، 500 کيلو بايت حافظه باقيمانده و از آن برای پردازش برنامه های کاربردی استفاده خواهد شد. زمانيکه برنامه های کاربردی در حافظه مستقر می گردند ، سازماندهی آنها در حافظ بر اساس بلاک هائی خواهد بود که اندازه آنها توسط سيستم عامل مشخص خواهد شد. در صورتيکه اندازه هر بلاک 2 کيلوبايت باشد ، هر يک از برنامه های کاربردی که در حافظه مستقر می گردنند ، تعداد زيادی 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 يا هشت بايت ايجاد خواهند شد. بلاک ها و محدو ده های فوق اين اطمينان را بوجود خواهند آورد که برنامه ها در محدوده های متداخل مستقر نخواهند شد. پس از پر شدن فضای 500 کيلوبايت اختصاصی برای برنامه های کاربردی ، وضعيت سيستم به چه صورت تبديل خواهد گرديد؟

در اغلب کامپيوترها ، می توان ظرفيت حافظه را ارتقاء و افزايش داد. مثلا" می توان ميزان حافظه RAM موجود را از يک مگابايت به دو مگابايت ارتقاء داد. روش فوق يک راهکار فيزيکی برای افزايش حافظه بوده که در برخی موارد دارای چالش های خاص خود می باشد. در اين زمينه می بايست راهکارهای ديگر نيز مورد بررسی قرار گيرند. اغلب اطلاعات ذخيره شده توسط برنامه ها در حافظه ، در تمام لحظات مورد نياز نخواهد نبود. پردازنده در هر لحظه قادر به دستيابی به يک محل خاص از حافظه است . بنابراين اکثر حجم حافظه در اغلب اوقات غير فابل استفاده است . از طرف ديگر با توجه به اينکه فضای ذخيره سازی حافظه ها ی جانبی نظير ديسک ها بمراتب ارزانتر نسبت به حافظه اصلی است ، می توان با استفاده از مکانيزمهائی اطلاعات موجود در حافظه اصلی را خارج و آنها را موقتا" بر روی هارد ديسک ذخيره نمود. بدين ترتيب فضای حافظه اصلی آزاد و در زمانيکه به اطلاعات ذخيره شده بر روی هارد ديسک نياز باشد ، مجددا" آنها را در حافظه مستقر کرد. روش فوق " مديريت حافظه مجازی " ناميده می شود.

حافطه های ذخيره سازی ديسکی ، يکی از انواع متفاوت حافظه موجود بوده که می بايست توسط سيستم عامل مديريت گردد. حافطه های با سرعت بالای Cache ، حافظه اصلی و حافظه های جانبی نمونه های ديگر از حافظه بوده که توسط سيستم عامل مديريت گردند.

مديريت دستگاهها

دستيابی سيستم عامل به سخت افزارهای موجود از طريقه برنامه های خاصی با نام "درايور" انجام می گيرد. درايور مسئوليت ترجمه بين سيگنال های الکترونيکی زير سيستم های سخت افزاری و زبانهای برنامه نويسی سطح بالا و سيستم عامل و برنامه های کاربردی را برعهده خواهد داشت . مثلا" درايورها اطلاعاتی را که سيستم عامل بصورت يک فايل تعريف و در نظر می گيرد را اخذ و آنها را به مجموعه ای از بيت ها برای ذخيره سازی بر روی حافظه های حانبی و يا مجموعه ای از پالس ها برای ارسال بر روی چاپگر ، ترجمه خواهد کرد.

با توجه به ماهيت عملکرد عناصر سخت افزاری و وجود تنوع در اين زمينه ، درايورهای مربوطه نيز دارای روش های متعدد بمنظور انجام وظايف خود می باشند. اکثر درايورها در زمانيکه به خدمات دستگاه مورد نظر نياز باشد ، استفاده شده و دارای پردازش های يکسانی در زمينه سرويس دهی خواهند بود. سيستم عامل بلاک های با اولويت بالا را به درايورها اختصاص داده تا از اين طريق منابع سخت افزاری قادر به آزادسازی سريع بمنظور استفاده در آينده باشند.

يکی از دلايلی که درايورها از سيستم عامل تفکيک شده اند ، ضرورت افزودن عمليات و خواسته ای حديد برای درايورها است . در چنين حالتی ضرورتی بر اصلاح و يا تغيير سيستم عامل نبوده و با اعمال تغييرات لازم در درايورها می توان همچنان از قابليت های آنها در کنار سيستم عامل موجود استفاده کرد.

مديريت عمليات ورودی و خروجی در کامپيوتر مستلزم استفاده و مديريت " صف ها " و " بافرها " است . بافر ، مکان های خاصی برای ذخيره سازی اطلاعات بصورت مجموعه ای از بيت ها ی ارسالی توسط دستگاهها ( نظير صفحه کليد و يا يک پورت سريال ) و نگهداری اطلاعات فوق و ارسال آنها برای پردازنده در زمان مورد نظر و خواسته شده است . عمليات فوق در موارديکه چندين پردازنده در وضعيت اجراء بوده و زمان پردازنده را بخود اختصاص داده اند ، بسيار حائز اهميت است . سيستم عامل با استفاده از يک بافر قادر به دريافت اطلاعات ارسالی توسط دستگاه مورد نظر است . ارسال اطلاعات ذخيره شده برای پردازنده پس از غير فعال شدن پردازه مربوطه ، متوقف خواهد شد. در صورتيکه مجددا" پردازه به اطلاعات ورودی نياز داشته باشد ، دستگاه فعال و سيستم عامل دستوراتی را صادر تا بافر اطلاعات مربوطه را ارسال دارد. فرآيند فوق اين امکان را به صفحه کليد يا مودم خواهد داد تا با سرعت مناسب خدمات خود را همچنان ادامه دهند ( ولواينکه پردازنده در آن زمان خاص مشغول باشد).

مديريت تمام منابع موجود در يک سيستم کامپيوتری ، يکی از مهمترين و گسترده ترين وظايف يک سيستم عامل است .

اينترفيس برنامه ها

سيستم عامل در رابطه با اجرای برنامه های کامپيوتری خدمات فراوانی را ارائه می نمايد. برنامه نويسان و پياده کنندگان نرم افزار می توانند از امکانات فراهم شده توسط سيستم های عامل استفاده و بدون اينکه نگران و يا درگير جزئيات عمليات در سيستم باشند ، از خدمات مربوطه استفاده نمايند. برنامه نويسان با استفاده از API)Application program interface) ، قادر به استفاده از خدمات ارائه شده توسط سيستم های عامل در رابطه با طراحی و پياده سازی نرم افزار می باشند. در ادامه بمنظور بررسی جايگاه API به بررسی مثالی پرداخته خواهد شد که هدف ايجاد يک فايل بر روی هارد ديسک برای ذخيره سازی اطلاعات است .

برنامه نويسی ، برنامه ای را نوشته که بکمک آن قادر به ذخيره سازی داده های ارسالی توسط يک دستگاه کنترل علمی است . سيستم عامل يک تابع API با نام MakeFile را بمنظور ايجاد فايل در اختيار برنامه نويس قرار می دهد. برنامه نويس در زمان نوشتن برنامه از دستوری مشابه زير استفاده می نمايد :

MakeFile [1,%Name,2]

دستورالعمل فوق به سيستم عامل خواهد گفت که فايلی را ايجاد که شيوه دستيابی به داده های آن بصورت تصادفی ( عدد يک بعنوان اولين پارامتر ) ، دارای نام مشخص شده توسط کاربر (Name%) و دارای طولی متغير است . ( عدد 2 ، بعنوان سومين پارامتر) سيستم عامل دستور فوق را بصورت زير انجام خواهد داد :

● سيستم عامل درخواستی برای هارد ارسال تا اولين مکان آزاد قابل استفاده مشخص گردد.
● با توجه به اطلاعات ارسالی ، سيستم عامل يک entry در سيستم فايل مربوطه ايجاد و ابتدا و انتهای فايل ، نام فايل ، نوع فايل ، تاريخ و زمان ايجاد فايل و ساير اطلاعات ضروری را ذخيره خواهد کرد.
● سيستم عامل اطلاعاتی را در ابتدای فايل بمنظور مشخص کردن فايل ، تنظيمات مربوط به شيوه دستيابی به فايل و ساير اطلاعات مورد نياز را خواهد نوشت .

در چنين حالتی برنامه نويس از تابع فوق برای ايجاد و ذخيره سازی فايل استفاده نموده و ضرورتی بر نوشتن کدها ، نوع داده ها و کدهای پاسخ برای هر نوع هارد ديسک نخواهد بود. سيستم عامل از امکانات درايورها استفاده و درايورها مسئول برقراری ارتباط با منابع سخت افزاری خواهند بود. در چنين حالتی برنامه نويس بسادگی از تابع مورد نظر استفاده و ادامه عمليات توسط سيستم عامل انجام خواهد شد.

امکانات ارائه شده توسط سيستم های عامل در قالب مجموعه ای از توابع و امکانات API يکی از موارد بسيار مهم استفاده از سيستم عامل از ديدگاه طراحان و پياده کنندگان نرم افزار است .

اينترفيس کاربر

API يک روش يکسان برای برنامه های کامپيوتری بمنظور استفاده از منابع موجود در يک سيستم کامپيوتری را فراهم می نمايد. بخش رابط کاربر (UI) ، يک ساختار مناسب ارتباطی بين کاربر و کامپيوتر را فراهم می آورد. اکثر سيستم های عامل از رابط های گرافيکی در اين زمينه استفاده می نمايند. بخش رابط کاربر هر سيستم عامل شامل يک و يا مجموعه ای از برنامه های کامپيوتری است که بصورت يک لايه در بالاترين سطح يک سيستم عامل و در ارتباط با کاربر مستقر می گردند. برخی از سيستم های عامل از رابط های گرافيکی ( نظير ويندوز ) و برخی ديگر از رابط های مبتنی بر متن ( نظير سيستم عامل DOS ) استفاده می نمايند.