اصـــول طراحــــی سیـستـم های عـــامل

با سلام خدمت تمامی دوستان عزیز


مطالبی که در این تاپیک با عنوان طراحی سیستم های عامل می گذارم خانم نرگس شکری تهیه و تدوین کرده اند . من این مطالب را برای استفاده دانشجویان به تدریج در سایت خواهم گذاشت .


منبع :

کد:

---

www.microrayaneh.com

---

باتشـــکر

موفق باشید .

مقدمه

سيستم عامل بدون شک مهمترين نرم افزار در کامپيوتر است. پس از روشن کردن کامپيوتر اولين نرم افزاری که مشاهده می گردد سيستم عامل بوده و آخرين نرم افزاری که قبل از خاموش کردن کامپیوترمشاهده خواهد شد، نيز سيستم عامل است . سيستم عامل نرم افزاری است که امکان اجرای برنامه های کامپيوتر را فراهم می آورد.

سيستم عامل با سازماندهی ، مديريت و کنترل منابع سخت افزاری امکان استفاده بهينه و هدفمند آنها را فراهم می آورد. سيتم عامل فلسفه بودن سخت افزار را بدرستی تفسير و در اين راستا امکانات متعدد و ضروری جهت حيات ساير برنامه های کامپيوتری را فراهم می آورد

تمام کامپيوترها از سيستم عامل استفاده نمی نمايند. مثلا" اجاق های مايکرويو که در آشپزخانه استفاده شده دارای نوع خاصی از کامپيوتر بوده که از سيستم عامل استفاده نمی نمايند.
در اين نوع سيستم ها بدليل انجام عمليات محدود و ساده، نيازی به وجود سيستم عامل نخواهد بود. اطلاعات ورودی و خروجی با استفاده از دستگاههائی نظير صفحه کليد و نمایشگرها در اختيار سيستم گذاشته می گردند. ماهيت عمليات انجام شده در يک اجاق گاز مایکروویو بسيار محدود و مختصر است، بنابراين همواره يک برنامه درتمام حالات و اوقات اجرا خواهد شد

برای سيستم های کامپيوتری که دارای عملکردی بمراتب پيچيده تر از اجاق گاز مايکروويو می باشند بخدمت گرفتن يک سيستم عامل باعث افزايش کارآئی سيستم و تسهيل در امر پياده سازی برنامه های کامپيوتری می گردد. تمام کامپيوترهای شخصی دارای سيستم عامل می باشند. ويندوز يکی ازمتداول ترين سيستم های عامل است . يونيکس يکی ديگر از سيستم های عامل مهم در اين زمينه است . صدها نوع سيستم عامل تاکنون با توجه به اهداف متفاوت طراحی و عرضه شده است. سيستم های عامل مختص کامپيوترهای بزرگ، سيستم های روبوتيک، سيستم های کنترلی بلادرنگ نمونه هائی در اين زمينه می باشند


به طور کلی نرم افزارهای کامپیوتر به دو گروه تقسیم می‌شوند

یکی برنامه های سیستمی که عملیات کامپیوتر را مدیریت می‌کنند و دیگری برنامه‌های کاربردی
سیستم عامل (operatino system = os) اصلی ترین برنامه سیستمی است که به عنوان رابط بین کاربر و سخت افزار کامپیوتر عمل می‌کند

سیستم عامل معمولا اولین برنامه ای است که پس از بوت شدن در حافظه بار می‌شود. پس از بار شدن قسمتی از سیستم عامل بطور دائم در حافظه (Resident) باقی می‌ماند. قسمتهای دیگر با توجه به کاربرد از دیسک به حافظه آورده می‌شود

به قسمت اصلی سیستم عامل که وظایف مهم آن را انجام می‌دهد هسته یا Kernelگفته می‌شود. هسته سیستم عامل برنامه‌ای است که در تمامی اوقات بر روی کامپیوتر در حال اجراست


سیستم عامل و معماری کامپیوتر اثر زیادی بر روی یکدیگر داشته‌اند. یعنی جهت سهولت کار با سخت افزارهای جدید, سیستم عامل‌ها توسعه یافتندو همچنین در اثنای طراحی سیستم عامل‌ها , مشخص شد که تغییراتی در طراحی سخت افزار می‌تواند سیستم عاملها را ساده تر و کارآمدتر سازد

اهداف سیستم عامل

سیستم عامل سه هدف اصلی دارد :

- سهولت

سیستم عامل استفاده از کامپیوتر را ساده می‌سازد. این بدان معناست که مثلاً کاربر یا برنامه نویس بدون درگیر شدن با مسائل سخت افزاری دیسکها، به راحتی فایلی را بر روی دیسک ذخیره و حذف کند . این کار در واقع با به کاربردن دستورات ساده‌ای که فراخوان های سیستمی (System Calls) را صدا می‌زنند انجام پذیرد
در صورت عدم وجود سیستم عامل کاربر و یا برنامه نویس می‌بایست آشنایی کاملی با سخت افزارهای مختلف کامپیوتر (مثل مانیتور فلاپی - کی بورد و غیره) داشته باشد و روتین هایی برای خواندن و نوشتن آنها به زبان سطح پایین بنویسد. از این جنبه به سیستم عامل به عنوان ماشین توسعه یافته (Extended machine) یا ماشین مجازی (Virtual machine) اطلاق می‌شود که واقعیت سخت افزار را از دید برنامه نویسان مخفی می‌سازد


- کارآمدی

هدف دوم سیستم عامل مدیریت منابع (Resource Management) می‌باشد, یعنی سیستم عامل باعث استفاده بهینه و سودمند از منابع سیستم می‌گردد. منظور از منابع: پردازنده‌ها ,حافظه‌ها ,دیسکها, ماوس ها چاپگر ها , فایلها , پورتها و غیره هستند. یک سیستم کامپیوتری منابع نرم افزاری و سخت افزاری بسیار دارد که ممکن است در حین اجراء برنامه لازم باشند , سیستم عامل همانند مدیر منابع عمل کرده و آنها را بر حسب نیاز به برنامه‌های مشخصی تخصیص می‌دهد


- قابلیت رشد

سیستم عامل باید به نحوی ساخته شده باشد که به طور موثر توسعه, آزمایش و معرفی قابلیتهای جدید سیستمی را بدون ایجاد مزاحمت در خدمات جاری , میسر سازد

سيستم عامل يک رابط ( اينترفيس ) يکسان برای ساير برنامه های کامپيوتری ارائه می دهد. در اين حالت زمينه استفاده بيش از يک نوع کامپيوتر از سيستم عامل فراهم شده و در صورت بروز تغييرات در سخت افزار سيستم های کامپيوتری نگرانی خاصی از جهت اجرای برنامه وجود نخواهد داشت، چرا که سيستم عامل بعنوان ميانجی بين برنامه های کامپيوتری و سخت افزار ايفای وظيفه کرده و مسئوليت مديريت منابع سخت افزاری به وی سپرده شده است .
برنامه نويسان کامپيوتر نيز با استفاده از نقش سيستم عامل بعنوان يک ميانجی براحتی برنامه های خود را طراحی و پياده سازی کرده و در رابطه با اجرای برنامه های نشسته شده بر روی ساير کامپيوترهای مشابه نگرانی نخواهند داشت . (حتی اگر میزان حافظه موجود در دو کامپيوتر مشابه نباشد ) . در صورتيکه سخت افزار يک کامپيوتر بهبود و ارتقاء يابد، سيستم عامل اين تضمين را ايجاد خواهد کرد که برنامه ها، در ادامه بدون بروز اشکال قادر به ادامه حيات و سرويس دهی خود باشند.
مسئوليت مديريت منابع سخت افزاری برعهده سیستم عامل خواهد بود نه برنامه های کامپيوتری. بنابراين در زمان ارتقای سخت افزار يک کامپيوتر مسئوليت سیستم عامل در اين راستا اولويت خواهد داشت

ويندوز يکی از بهترين نمونه ها در اين زمينه است . سيستم عامل فوق بر روی سخت افزارهای متعدد توليد شده توسط توليدکنندگان متفاوت اجرا می گردد. ويندوز قادر به مديريت و استفاده از هزاران نوع چاپگر ديسک و ساير تجهيزات جانبی است


سيستم های عامل را از بعد نوع کامپيوترهائی که قادر به کنترل آنها بوده و نوع برنامه های کاربردی که قادر به حمايت از آنها می باشند به چهار گروه عمده تقسيم می نمایند

- سيستم عامل بلادرنگ (RTOS ):
از اين نوع سيستم های عامل برای کنترل ماشين آلات صنعتی ، تجهيزات علمی و سيستم های صنعتی استفاده می گردد. يک سيستم عامل بلادرنگ دارای امکانات محدود در رابطه با بخش رابط کاربر و برنامه های کاربردی مختص کاربران می باشند. يکی از بخش های مهم اين نوع سيستم های عامل ، مديريت منابع موجود کامپيوتری بگونه ای است که يک عمليات خاص در زمانی که می بايست ، اجراء خواهند شد



- تک کاربره - تک کاره:
همانگونه که از عنوان اين نوع سيستم های عامل مشخص است، آنها بگونه ای طراحی شده اند که قادر به مديريت کامپيوتر بصورتی باشند که يک کاربر در هر لحظه قادر به انجام يک کار باشد. سيستم عامل Palm OS برای کامپيوترهای PDA نمونه ای مناسب از يک سيستم عامل مدرن تک کاربره و تک کاره است



- تک کاربره – چندکاره:
اکثر سيستم های عامل استفاده شده در کامپيوترهای شخصی از اين نوع می باشند. ويندوز و MacOS نمونه هائی در اين زمينه بوده که امکان اجرای چندين برنامه بطور همزمان را برای يک کاربر فراهم می نمايند. مثلا" يک کاربر ويندوز قادر به تايپ يک نامه با استفاده از يک واژه پرداز بوده و در همان زمان يک فايل از اينترنت گرفته و در همان وضعيت محتويات نامه الکترونيکی خود را برای چاپ بر روی چاپگر ارسال کرده باشد


- چندکاربره:
يک سيستم عامل چند کاربره ، امکان استفاده همزمان چندين کاربر از منابع موجود کامپيوتر را فراهم می آورند. منابع مورد نياز هر يک از کاربران می بايست توسط سيستم عامل بدرستی مدیریت شود تا در صورت بروز اشکال در منابع تخصيص يافته به يک کاربر، بر روند استفاده ساير کاربران از منابع مورد نظر اختلالی ايجاد نگردد. يونيکس، VMS و سيستم های عامل کامپيوترهای بزرگ نظير MVS، نمونه هائی از سيستم های عامل چندکاربره می باشند .

در ادامه با توجه به شناخت مناسب بوجود آمده در دررابطه با انواع سيستم های عامل به عمليات و وظايف سيستم عامل اشاره خواهد شد.


وظايف سيستم عامل
پس از روشن نمودن کامپيوتر، اولین برنامه ای که اجراء می گردد ، مجموعه دستوراتی می باشند که در 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 آمیز 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 استقرار سيستم عامل در حافظه انجام خواهد داد. سيستم عامل دارای وظايف زير است:

- مديريت پردازنده
- مديريت حافظه
- مديريت دستگاههای ورودی و خروجی
- مدیریت حافظه جانبی
- اينترفيس برنامه های کاربردی
- رابط کاربر

وظايف شش گانه فوق ، هسته عمليات در اکثر سيستم های عامل است . در ادامه به تشريح وظايف فوق اشاره می گردد .

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 ایی 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 اين چنين 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 ایی را در اختيار دارد. در زماني که 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 ديگر سوئيچ کند تا امکان استفاده چندين پردازه از پردازنده را فراهم نمايد .

در ادامه نحوه انجام عمليات فوق ، تشريح می گردد:

- یک پردازه بخشی از حافظه RAM را اشغال خواهد کرد
- پس از استقرار بيش از يک پردازه در حافظه ، پردازنده بر اساس يک زمانبندی خاص ، فرصت اجرا 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 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 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 پردازه ها، 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 بصورت 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 پردازه ها شده و عملا" در روند اجرای پردازه ها 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 Thrashingرا کاهش دهند ، کاهش نياز به پردازه جديد برای انجام فعاليت های متفاوت است . برخی از سيستم های عامل ازيک پردازه " - lite "به 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 Thread 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 پردازنده 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.

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

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

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

سیستم های عامل در ابتدا می بايست محدوده های حافظه مورد نياز هر نوع نرم افزار و برنامه های خاص را فراهم نمايند. مثلاً فرض کنید،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 به همراه 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.


زماني که برنامه های کاربردی در حافظه مستقر می گردند، سازماندهی آنها در حافظه 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 ازبرنامه 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 ومحدوده 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 گردید؟در اغلب کامپيوترها،میتوان ظرفيت حافظه را ارتقاء و افزايش داد.

مثلاً RAM موجود را از يک مگابايت می توان ميزان حافظه 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 بود. پردازنده در هر لحظه قادر به دستيابی به يک محل خاص از حافظه است. بنابراين اکثر حجم حافظه در اغلب اوقات غير قابل 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 مکانيزم هائی اطلاعات موجود در حافظه اصلی را خارج و آنها را موقتاً بر روی هارد ديسک ذخيره نمود.
بدين ترتيب فضای حافظه اصلی آزاد و در زماني که به اطلاعات ذخيره شده بر روی هارد ديسک نياز باشد، مجدداً 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 بالایCache، حافظه اصلی و حافظه های جانبی نمونه های ديگر ازحافظه بوده که توسط سيستم عامل مديريت می گردند.

دستيابی سيستم عامل به سخت افزارهای موجود ازطریق 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 بالاو سيستم عامل و برنامه های کاربردی را را برعهده خواهد داشت.

مثلاً درايورها اطلاعاتی را که سيستم عامل بصورت يک فايل تعريف و در نظر می گيرد را اخذ و آنها را به مجموعه ای از بيتها برای ذخيره سازی بر روی حافظه های جانبی و يا مجموعه ای از پالسها 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 زماني که به خدمات دستگاه مورد نظر نیاز باشد، استفاده شده و دارای پردازشهای يکسانی در زمينه سرويس دهی خواهند بود. سيستم عامل بلاک های با اولويت بالا را به درايورها اختصاص داده تا از اين طریق 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 جدید 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 قابليتهای 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، مکانهای خاصی برای ذخيره سازی اطلاعات بصورت مجموعه ای از بيتهای 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 مجدداً پردازه به اطلاعات ورودی نياز داشته باشد، دستگاه فعال وسيستم 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 هم چنان 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 نويس ، 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:

دستورالعمل فوق به سيستم عامل خواهد گفت که فايلی را ايجاد کند که شيوه دستيابی به داده های آن بصورت تصادفی دارای نام مشخص شده توسط کاربر و دارای طولی متغير است 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 نمایند.

در نسل اول کامپیوترها (55-1945) که از لامپ خلا برای ساخت آنها استفاده می‌شد,زبانهای برنامه نویسی حتی اسمبلی ابداع نشده بودند و سیستم عامل نیز اصلاً وجود نداشت . روند کار به این صورت بود که برنامه نویسان تنها در یک فاصله زمانی مشخص حق استفاده از کامپیوتر بزرگ و گران قیمت را داشتند.

آنها برنامه‌های خود را توسط تخته مدار سوراخدار (و بعدها توسط کارتهای پانچ ) و به زبان ماشین به کامپیوتر می‌دادند. اکثر برنامه ها محاسبات عددی معمولی مانند جداول سینوس و کسینوس بود.

- Batch system سیستم های دسته ای

Multi programming- سیستم های چند برنامه ای

Spooling- سیستم

Time sharing- سیستم اشتراک زمانی

-سیستم عاملهای کامپیوترهای شخصی و شبکه

Distributed system- سیستم های توزیع شده

Multi tasking- سیستم های چند وظیفه ای

Multi processing- سیستم های چند پردازنده ای

Real Time- سیستم های بلادرنگ


سیستم های دسته ای
در نسل دوم , کامپیوترها (65-1955) از ترانزیستور ساخته شدند. طریقه کار با این کامپیوترهای نسل دوم از طریق یک کنسول (Console) بود که تنها اپراتور مخصوص کامپیوتر با آن کار می‌کرد و کاربران به طور مستقیم با این کامپیوترها محاوره (interaction) نداشتند.
کاربر ابتدا برنامه خود را به زبان فرترن یا اسمبلی بر روی کاغذ می‌نوشت سپس توسط دستگاه card punch برنامه را ,روی کارت های سوراخدار منتقل ساخت.

بعد این دسته کارت تهیه شده که شامل برنامه, داده‌ها و کارتهای کنترل بود به صورت کار (Job) تحویل اپراتور داده می شد . اپراتور بعد از اتمام کار قبلی , دسته کارت جدید را به کامپیوتر می‌داد تا برنامه را اجراء کند در انتها خروجی برنامه (که غالباً چاپی بود) را به کاربر تحویل می‌داد سیستم عامل در این کامپیوترهای اولیه ساده بود و وظیفه اصلی آن انتقال کنترل اتوماتیک از یک کار به کار دیگری بود . سیستم عامل همواره مقیم در حافظه بود و در هر لحظه فقط یک برنامه اجراء می‌شد.

هنگامی که اپراتور مشغول گذاشتن نوارها یا برداشتن کاغذهای چاپ شده بود وقت زیادی از این کامپیوترهای گران قیمت به هدر می‌رفت . برای رفع مشکل فوق سیستمهای دسته‌ای ابداع شد . یعنی ابتدا یک سبد پر از دسته کارتها در اتاق ورودی جمع آوری می‌شد , سپس کلیه آنها به وسیله دستگاه کارتخوان یک کامپیوتر کوچک و نسبتاً ارزان مثل IBM 1401 خوانده شده و بر روی یک نوار ذخیره می‌گردید. سپس اپراتور نوار را برداشته بر روی کامپیوتر اصلی و گران قیمت که محاسبات را انجام می‌داد مثل IBM7094 نصب می‌کرد . بعد از آن برنامه‌ای را اجراء می‌کرد (یعنی سیستم عامل) .

تا اولین کار را از روی نوار برداشته و اجراء کند, خروجی بر روی نوار دیگری نوشته می شد. پس از اتمام هر کار سیستم عامل به صورت خودکار کار بعدی را از نوار می‌خواند. پس از اجراء همه برنامه‌ها ,اپراتور نوار خروجی را برداشته و دوباره روی کامپیوتر IBM 1401 منتقل می‌ساخت تا عملیات چاپ خروجی ها به صورت off line انجام شود.
به این روش کار offline spooling نیز گفته می‌شود. بیشتر برنامه‌های نسل دوم به زبان فرترن و اسمبلی برای محاسبات مهندسی و علمی مثل مشتقات جزئی به کار می‌رفت.

یکی از معایب روش offline- spooling زیاد بودن زمان برگشت( گردش ) ,(turnaround time)است یعنی تأخیر زمانی مابین تحویل کار و تکمیل کار. همچنین در این سیستم اولویت بندی به معنای واقعی وجود ندارد.

تنها روش بدست آوردن اولویت این بود که نوار کارهای مهم را ابتدا در ماشین اصلی قرار دهند. حتی در اینصورت هم باید چندین ساعت صبر می‌کردند تا خروجی ها ظاهر شوند. همچنین نیاز به سخت افزار اضافی (مثل کامپیوترهای1401) از دیگر معایب این روش بود.

سیستم های چند برنامه ای

در نسل سوم کامپیوترها (80-1965) از مدارات مجتمع (Integrated Circuit=IC ) برای ساخت کامپیوترها استفاده شد.

به طور کلی برنامه‌ها را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد:
یکی برنامه ها با تنگنای محاسبات CPU bound یا CPU Limiter مانند محاسبات علمی سنگین که بیشتر زمان کامپیوتر صرف محاسبات cpu می‌شود و دیگری برنامه های تنگنای (I/O Limited I/O) مانند برنامه‌های تجاری که بیشتر زمان کامپیوتر صرف ورود داده‌ها و خروج اطلاعات می‌شود.
یک اشکال مهم سیستم های دسته ای این است که وقتی کار جاری برای تکمیل یک عملیات I/O مثلاً بر روی نوار گردان به اتمام نرسیده ، cpu مجبور است صبر کند تا عملیات cpu نوار گردان تمام شود. در این مدت cpu بیکار می ماند (مجبور است صبر کند تا عملیات I/O به اتمام برسد.) در برنامه های CPU Limited این اتلاف وقت اندک است ولی در برنامه های I/O Limited ممکن است حدود 80تا90 درصد وقت CPU به هدر برود.

برای رفع این مشکل از تکنیک multiprogramming استفاده می‌شود. بدین ترتیب که حافظه به چند قسمت تقسیم شده و در هر قسمت یک برنامه مجزا قرار داده می‌شود. وقتی که یک کار برای تکمیل عملیات I/O منتظر می‌ماند, پردازنده به کار دیگری داده می‌شود. اگر تعداد کارهای موجود در حافظه کافی باشد می‌توانCPU را تقریباً صد در صد مشغول نگه داشت.

البته نگهداری همزمان چند برنامه در حافظه نیاز به مدیریت خاص حافظه دارد تا برنامه‌ها بر همدیگر اثر سوء نداشته باشند . لذا مدیریت حافظه بحث مهمی در سیستم عامل می‌باشد.



spooling سیستم

یکی دیگر از ویژگیهای سیستم عامل نسل سوم Spooling(یاOn Line Spooling) است که معمولاً همراه چند برنامگی استفاده می‌شود. این کلمه مخفف عبارت (Simultaneous Peripheral OperationonLine) می‌باشد.


در این سیستم به جای آنکه کارتها از دستگاه کارت خوان مستقیماً وارد حافظه گردند و توسط CPUپردازش شوند ابتدا کاراکتر به کاراکتر در بافری در حافظه قرار گرفته و سپس به صورت بلوکی بر روی دیسک نوشته می‌شود .

وقتیکه برنامه کاربر اجراء می‌شود و از سیستم عامل تقاضای ورودی می‌کند, اطلاعات ورودی به صورت بلوکی و با سرعت زیاد از دیسک خوانده می‌شوند. به طور مشابه هنگامی که برنامه برای خروجی چاپگر را احضار می‌کند, خط خروجی در یک بافر کپی شده و سپس در دیسک نوشته می‌شود. پس اطلاعات خروجی از دیسک بر اساس ترتیب و اولویت در چاپگر چاپ می‌شوند.

در واقع اسپولینگ عمل I\O یک کار را با عمل محاسباتی کار دیگر روی هم می‌اندازد . (overlap) در سیستم اسپولینگ در حالیکه ورودی یک کار از دستگاه ورودی خوانده می‌شود,کار دیگری در حال چاپ شدن است , در همین بین حتی کار دیگری می‌تواند در حال پردازش و اجراء باشد . در اسپولینگ برنامه عملیات ورودی و خروجی اش را متناسب با سرعت دیسک (که سریع است) انجام می‌دهد و نه متناسب با سرعت کارتخوان یا چاپگر (که خیلی کند هستند).

بنابراین سیستم مذکور باعث استفاده بهینه از I\O و cpu می‌شود و سرعت عمل را بالا می‌برد. در این سیستم دیگر نیازی به کامپیوترهای 1401,نوار گردانهای اضافی و حمل نوارها (مانند سیستم‌های دسته‌ای ) نداریم.

سیستم ورودی کاراکترهایی که توسط کارتخوان وارد می‌شود را در بلوکهایی جمع آوری کرده وبه کمک مدیر دیسک این بلوکها را بر روی دیسک می‌نویسد . درانتهای هر مدرک ورودی اطلاعاتی راجع به آن مدرک مانند محل آن بر روی دیسک , اولویت ,اسم استفاده کننده به قسمت زمانبند کار فرستاده می‌شود.

- زمانبند کار(Job scheduler) این زمانبند یک لیست از کارهای موجود در ماشین و اطلاعات لازم در مورد مدارک ورودی مورد نیاز هر یک را نگه می‌دارد. به این لیست انبار کار یا Jobpoolیا Joblistنیز گفته می‌شود. زمانبند کار به پردازنده کار می‌گوید که کدام کار بعدی را اجرا کند. برای این منظور اطلاعاتی در مورد محل کار و مدارک ورودی آن بر روی دیسک را به پردازنده کار می‌دهد . همچنین اگر کارهای متعددی منتظر ورود به حافظه باشند و فضای کافی برای همگی در دسترس نباشد , زمانبند کار تعدادی از آنها را انتخاب کرده و به حافظه می‌آورد.

-پردازنده کار (Job processor) کار داده‌ شده را اجراء می‌کند. این پردازنده محل کامپایلرها و سایر نرم افزارهای سیستم را بر روی دیسک می‌داند. هنگام اجراء پردازنده کار خروجی های خود را به صورت بلوکی بر روی دیسک می‌نویسد و مدارک خروجی را تشکیل می‌دهد . پردازنده کار اطلاعاتی راجع به محل و اولویت مدارک خروجی به زمانبند خروجی می‌دهد.

- زمانبند خروجی (output scheduler) لیستی از مدارکی که باید چاپ شود را نگه می‌دارد. وقتی که چاپگر آزاد شد , این زمانبند مدرک بعدی را برای چاپ انتخاب کرده و محل مدرک بر روی دیسک را به سیستم خروجی می‌گوید.


- سیستم خروجی بلاکهای خروجی را از روی دیسک خوانده و کاراکتر به کاراکتر (یا خط به خط)آنها را به چاپگر می‌فرستد.


- مدیر دیسک (Disk Manager) که وظایف خواندن و نوشتن یک بلاک بر دیسک , تخصیص یک بلاک خالی روی دیسک و برگرداندن یک بلاک به مجموعه فضای آزاد دیسک را بر عهده دارد. در خواستهای مربوطه به دیسک در یک صف به نامDTQ = Disk Transfer Queue ذخیره می‌گردد.

البته هر سیستم اسپولینگ یک هماهنگ کننده(Coordinator) دارد که مسئول زمانبندی پردازش های سیستم و فراهم کردن عملیاتی که جهت همگام کردن بکار می‌آیند می‌باشد. این عملیات توسط دو روال انجام می‌پذیرد:

Wait : پردازش جاری را متوقف کرده و دوباره وارد زمانبند می‌گردد.

Free : یک پردازش ویژه را جهت زمانبندی, آماده می‌کند.


بافر کردن امکان می‌دهد که عمل I\Oیک کار با عمل پردازش همان کار همزمان گردد در حالیکهspooling امکان می‌دهد عملیات I\O و پردازش چندین کار با هم همزمان گردند.


سیستم اشتراک زمانی

این سیستم‌ها از اوایل سالهای 1970 در نسل سوم کامپیوترها معمول شدند. سیستم اشتراک زمانی در واقع تعمیم سیستم چند برنامگی است.
در سیستم‌های چند برنامگی کاربر ارتباطی با کامپیوتر نداشت و خطایابی برنامه‌ها مشکل بود چرا که زمان برگشت نسبتاً طولانی اجازه آزمایش کردنهای متعدد را نمی‌داد. در سیستم اشتراک زمانی کاربر به کمک دوترمینال (Terminal) که شامل کی بورد (برای ورودی) و مانیتور (برای خروجی ) است با کامپیوتر به صورت محاوره‌ای (interactive) رابطه بر قرار می‌سازد.

کاربر مستقیماً دستوراتی را وارد کرده و پاسخ سریع آن را روی مونیتور دریافت می‌کند. در این سیستم‌ها چندین کاربر به کمک ترمینالهایی که به کامپیوتر وصل است همزمان می‌توانند از آن استفاده کنند.

در سیستم اشتراک زمانی فقط یک پردازنده وجود دارد که توسط مکانیزمهای زمانبندی بین برنامه‌های مختلف کاربرها با سرعت زیاد (مثلاً در حد میلی ثانیه) سوئیچ می‌شودو بنابراین هر کاربر تصور می‌کند کل کامپیوتر در اختیار اوست .در اینجا تأکید بر روی میزان عملکرد کاربر است یعنی هدف فراهم کردن وسایل مناسب برای تولید ساده نرم افزار و راحتی کاربرد می‌باشد و نه بالابردن میزان کاربرد منابع ماشین.

کاربر می‌تواند در هر زمان دلخواه برنامه خود را آغاز یا متوقف سازد و یا برنامه را به صورت قدم به قدم اجراء و اشکال زدایی (debug) کند . سیستم‌های دسته‌ای برای اجرای برنامه‌های بزرگ که نیاز محاوره‌ای کمی دارند مناسب است ولی سیستم‌های اشتراک زمانی برای مواردی که زمان پاسخ کوتاه لازم است, استفاده می‌شوند.

در زمانیکه کاربری در حال تایپ برنامه‌اش یا فکر کردن روی خطاهای برنامه اش‌ می‌باشد cpu به برنامه کاربر دیگری اختصاص یافته تا آن را اجراء کند.