درس چهاردهم: تعریف سیستم عامل و انواع آن
سیستم‌عامل چیست؟ هر آنچه که نیاز است درباره سیستم‌عامل‌ها بدانید
سیستم عامل (Operating System) نرم‌افزار اصلی‌ای است که سخت‌افزار کامپیوتر و سایر نرم‌افزارهای موجود روی کامپیوتر را مدیریت می‌کند. سیستم عامل – که با مخفف OS نیز شناخته می‌شود – با سخت‌افزار کامپیوتر درگیر می‌شود و سرویس‌هایی را که برنامه‌ها می‌توانند از آن‌ها استفاده کنند، مهیا می‌کند.
وظیفه سیستم عامل چیست؟
سیستم عامل، مجموعه هسته‌ایِ نرم‌افزار روی یک دستگاه می‌باشد که همه چیز را به یکدیگر متصل نگه می‌دارد. سیستم عامل‌ها با سخت‌افزار دستگاه ارتباط برقرار می‌کنند. آن‌ها هر چیزی از صفحه‌کلید و موس گرفته تا رادیوی وای‌فای و حافظه دستگاه و صفحه‌نمایش را اداره می‌کنند. به عبارت دیگر، یک سیستم عامل، دستگاه‌های ورودی و خروجی را مدیریت می‌کند. سیستم عامل‌ها برای برقراری ارتباط با دستگاه‌های مورد نظر از درایورهای دستگاه که توسط سازندگان سخت‌افزار نوشته شده‌اند، استفاده می‌کنند. ضمناً سیستم‌عامل‌ها شامل نرم‌افزارهای بسیاری می‌شوند. نرم‌افزارهایی چون سرویس‌های معمول سیستم، کتابخانه‌ها و رابط‌های برنامه‌نویسی اپلیکیشین‌ها (API) که برنامه‌نویسان از آن‌ها استفاده می‌کنند تا برنامه‌هایی را که روی سیستم عامل اجرا می‌شوند، بنویسند. سیستم‌عامل میان اپلیکیشن‌ها و سخت‌افزار دستگاه قرار می‌گیرد و از درایورهای سخت‌افزار به عنوان رابط میان آن دو استفاده می‌کند. برای مثال، هر گاه اپلیکیشنی بخواهد از چیزی پرینت بگیرد، انجام آن کار را به سیستم‌عامل محول می‌کند. سیستم عامل هم دستورالعمل انجام کار را برای پرینتر می‌فرستد؛ سیستم عامل برای آنکه سیگنال‌های درستی برای پرینتر بفرستد، از درایورهای پرینتر استفاده می‌کند. اپلیکیشنی که در حال پرینت کردن است نیاز ندارد بداند از چه پرینتری استفاده می‌کنید یا نحوه کار کردن آن چگونه است؛ این سیستم‌عامل است که جزئیات کار را مدیریت می‌کند. سیستم‌عامل همچنین انجام چند کار همزمان را مدیریت می‌کند، برای این کار منابع سخت‌افزاری را میان برنامه‌های متعدد در حال اجرا تقسیم می‌کند. سیستم عامل اجرا شدن پردازش‌ها را نیز کنترل می‌کند. در صورتی که کامپیوترتان CPUهای متعدد یا همان هسته‌های متعدد داشته باشد، سیستم عامل پردازش‌ها را میان CPUهای مختلف تقسیم می‌کند و با این کار امکان اجرا شدن پردازش‌های متعدد را به موازات هم فراهم می‌کند. ضمناً با تقسیم کردن مموری میان اپلیکیشن‌های در حال اجرا، مموری داخلی سیستم را نیز مدیریت می‌کند. سیستم‌عامل یک بخش بزرگ از نرم‌افزار است که نمایش را اجرا می‌کند و مسئولیت همه چیز با آن است. برای مثال، سیستم عامل حتی فایل‌ها و منابعی که برنامه‌ها (Program) اجازه دسترسی بهشان را دارند نیز کنترل می‌کند
سیستم عامل فقط مخصوص کامپیوترهای رومیزی نیست:
وقتی می‌گوییم «کامپیوترها»(محاسبه‌کننده ) از سیستم عامل استفاده می‌کنند، منظورمان فقط کامپیوترهای رومیزی و لپتاپ‌های قدیمی نیست. گوشی‌های هوشمند نیز کامپیوتر هستند؛ ضمن آنکه تبلت‌ها، تلویزیون‌های هوشمند، کنسول‌های گیم، ساعت‌مچی‌های هوشمند و روترهای وای‌فای نیز کامپیوتر هستند. حتی Amazon Echo و Google Home نیز دستگاه‌های محاسبه‌کننده‌ای هستند که سیستم عاملی روی آن‌ها اجرا می‌شود. سیستم عامل‌های نام‌آشنای کامپیوترهای رومیزی شامل ویندوز مایکروسافت، macOS اپل، Chrome OS گوگل و لینوکس می‌شوند. غالباً سیستم عامل‌های گوشی‌های هوشمند، iOS اپل و اندروید گوگل می‌باشند. دستگاه‌های دیگر – مانند روترهای وای‌فای – از «سیستم عامل‌های embedded (جاسازی شده)» استفاده می‌کنند. این سیستم‌عامل‌ها، سیستم عامل‌های اختصاصی شده‌ای هستند که نسبت به یک سیستم عامل معمولی از عملکردهای کم‌تری برخوردار هستند و به طور خاص برای کارهای یگانه (سیستم‌های تک‌کاره) طراحی شده‌اند. کارهایی مانند عملیاتی کردن روترهای وای‌فای، GPSها یا خودپردازها.
چه وقتی کار سیستم عامل تمام شده و کار برنامه‌ها آغاز می‌شود؟
سیستم عامل‌ها شامل نرم‌افزارهای دیگری نیز می‌شوند؛ مثلاً رابط کاربری‌ای که به کاربران اجازه برقراری ارتباط با دستگاه می‌دهد. این رابط می‌تواند در کامپیوترهای رومیزی، یک رابط کاربری رومیزی (دسکتاپ) باشد، در گوشی‌ها یک رابط کاربری لمسی و در دستگاه‌های دستیار دیجتیال، یک رابط کاربری صوتی. سیستم عامل یک بخش بزرگ از نرم‌افزار است که از پردازش‌ها و اپلیکیشن‌های مختلف و بسیاری تشکیل شده است. این که تفاوت سیستم عامل و برنامه(Program) چیست می‌تواند گاهی اوقات کمی نامعلوم و تار باشد. تعریفی دقیق و رسمی از سیستم عامل وجود ندارد. برای مثال، در ویندوز، اپلیکیشن File Explorer یا Windows Explorer (جستجوگر ویندوز یا جستجوگر فایل) هم یک بخش ذاتی از سیستم‌عامل ویندوز می‌باشد – حتی قادر به استفاده از رابط کاربری رومیزیتان است – و هم یک اپلیکیشن که روی آن سیستم عامل اجرا می‌شود!
هسته هر سیستم عاملی، برنامه‌ای به نام کرنل است:
در یک توضیح ساده، «Kernel» (یا هسته اصلی)، برنامه هسته‌ای کامپیوتر است که در قلب سیستم عامل واقع شده است. این تک برنامه، یکی از اولین چیزهایی است که هنگام بالا آمدن سیستم عامل، بارگذاری می‌شود. تقسیم کردن مموری، تبدیل عملکردهای نرم‌افزاری به دستورالعمل‌هایی برای CPU کامپیوتر و سر و کله زدن با ورودی‌ها و خروجی‌های سخت‌افزار دستگاه، توسط کرنل اداره می‌شوند. به طور کلی کرنل در محیطی ایزوله شده اجرا می‌شود تا از دخالت سایر نرم‌افزارهای موجود روی کامپیوتر در کارش جلوگیری شود. کرنلِ سیستم عامل بسیار مهم می‌باشد، منتهی کرنل نیز فقط بخشی از سیستم‌عامل است. این چند سطر نیز ممکن است کمی پیچیده باشند. برای مثال، لینوکس فقط یک کرنل است. با این وجود، لینوکس هم خیلی اوقات سیستم عامل نامیده می‌شود. اندروید نیز با وجود اینکه به مرکزیت کرنل لینوکس (Linux Kernel) ساخته شده است، با نام «سیستم عامل» شناخته می‌شود. نسخه‌های توزیع‌شده لینوکس، مانند Ubuntu، کرنل لینوکس را بر می‌دارند و به آن نرم‌افزارهای جانبی اضافه می‌کنند؛ و با این وجود، حتی به آن‌ها نیز عنوان «سیستم عامل» اطلاق می‌شود.
تفاوت میان فریمور (Firmware) و سیستم عامل در چیست؟
روی بسیاری از دستگاه‌ها فقط «فریمور» اجرا می‌شود؛ فریمور نوعی نرم‌افزار سطح پایین است که مستقیماً روی حافظه یک دستگاه سخت‌افزاری برنامه‌نویسی می‌شود. فریمور معمولاً فقط بخش کوچکی از نرم‌افزار است که برای انجام کارهای به شدت مقدماتی و اساسی طراحی شده است. وقتی یک کامپیوتر مدرن بوت می‌شود، فریمور UEFI را از روی مادربورد بارگذاری می‌کند. این فریمور، نرم‌افزار سطح پایینی است که به سرعت سخت‌افزار کامپیوتر را اجرایی می‌کند. سپس سیستم‌عامل را از روی درایو سخت-حالت (Solid-state drive) یا همان هارد درایو، بوت می‌کند (هارد درایو فریمور داخلی مخصوص خودش را دارد که ذخیره‌سازی داده‌ها روی بخش‌های فیزیکی موجود درون درایو را مدیریت می‌کنند). تفاوت میان فریمور و سیستم‌عامل نیز ممکن است کمی پیچیده باشد. برای مثال، سیستم عامل آیفون‌ها و آیپدهای اپل – که iOS نام دارند – خیلی از اوقات نیز با نام «فریمور» شناخته می‌شوند. سیستم عامل پلی استیشن 4 نیز به صورت رسمی «فریمور» نامیده شده است. این سیستم عامل‌ها با دستگاه‌های سخت‌افزاری متعددی ارتباط برقرار می‌کنند و به برنامه‌ها سرویس ارائه می‌دهند. ضمناً منابع را میان اپلیکیشن‌ها تقسیم می‌کنند. البته فریمور بسیار پایه‌ای و ساده‌ای که [مثلاً] روی ریموت کنترل تلویزیون اجرا می‌شود، عموماً سیستم عامل نامیده نمی‌شود. افراد عادی نیازی ندارند بدانند یک سیستم‌عامل دقیقاً چیست. البته دانستن اینکه چه سیستم عاملی دارید، برای اینکه بتوانید نرم‌افزارها و سخت‌افزارهای سازگار با دستگاهتان را تشخیص دهید، مفید خواهد بود.
نمونه‌هایی از محبوب‌ترین سیستم‌عامل‌های نوین شامل: سولاریس، داس، ویلز، پالم، یونیکس، اندروید، ویندوز، IOS، مک اواس، جنو/لینوکس، کروم اواس، ویندوز فون، BSD، کیوان اکس، و زد اواس می‌باشند.
به طور کلی سیستم های عامل به چند دسته تقسیم می شوند از جمله:
- سیستم عامل های تک پردازنده: سیستم عامل های کنونی یا به عبارتی نسل چهارم هستند که روی یک پردازنده نصب می شوند.
- سیستم عامل های شبکه ایی: در این نوع از سیستم عامل ها از کنترل کننده های واسط شبکه و نرم افزارهای سطح پایین به منظور انجام عملیات استفاده می شود. این سیستم عامل قابلیت دسترسی به سیستم های راه دور و دست یافتن به فایل های مربوطه را دارد.
- سیستم عامل های توزیع شده: همانطور که از نام این سیستم عامل برمی آید برنامه روی چندین کامپیوتر اجرا و نتیجه نهایی روی کامپیوتر نهایی که مربوط به کاربر است به نمایش در می آید. در واقع برنامه در یک محیط شبکه ایی اجرا می شود. این سیستم عامل روی چند پردازنده اجرا می شود گرچه به نظر می رسد یک سیستم عامل تک پردازنده ایی است.
- سیستم عامل های بی درنگ: این نوع بیشتر در صنعت به منظور مدیریت منابع، انجام کارها در زمان مقرر و در تایم معین استفاده می شود.
سیستم عامل های تلفن های هوشمند یا موبایل
امروزه گوشی های همراه دیگر نقش یک وسیله جهت مکالمه را ایفا نمی کنند بلکه به کامپیوتر های کوچک و قابل حملی تبدیل شده اند. که دارای سیستم عامل های خود می باشند. مانند:
- اندروید: تولید شرکت گوگل، مبتنی براساس لین***.
- ای او اس: تولید شرکت آپل برای گوشی های آیفون.
- ویندوز موبایل: یک سیستم عامل شامل دستورات اساسی و قابل اجرا توسط بسیاری از رایانه های جیبی، تلفن های هوشمند می باشد.
- ویندوز فون: تولید شرکت مایکروسافت و جایگزین ویندوز مویابل.
- سیمبین: تولید شرکت نوکیا مخصوص گوشی های نوکیا
- یوآی‌کیو: این سیستم عامل به علت دارا بودن انعطاف بسیار امکان ساخت گوشی ها در شکل های مختلف را تنها بایک کد امکان پذیر ساخته است.
- بادا: تولید شرکت سامسونگ و مخصوص گوشی های سامسونگ.
- بلک بری: تولید شرکت بلک بری برای استفاده در تلفن های هوشمند این شرکت.
- می‌گو: سیستم عامل متن باز براساس لین*** می باشد.
- پالم: توسط شرکت پالم در جهت استفاده آسان تر کاربر از نمایشگر لمسی و ارتباط با کارت گرافیک طراحی شده است.
- تایزن: سیستم عامل متن باز براساس لین*** می باشد.
