تم النشر اليوم 2024/06/03 | نظام تشغيل

ذاكرة الكاش أو الذاكرة المخبئية (Cache Memory)

هي نوع من أنواع الذاكرة في الحاسب وهي من أسرع الذواكر، فتستخدم الذاكرة المخبئية لحفظ البيانات وعند طلب هذه البيانات يتم استرجاعها بشكل أسرع، فإذا كان المعلومات أو البيانات موجودة في الذاكرة يتم قراءة البيانات من الذاكرة وبذلك يتم الإجابة على الطلب. تتم عملية القراءة من الذاكرة المخبئية بشكل أسرع مع المقارنة بمحاولة قراءة البيانات من مخزنها الأصلي. تحديث البيانات: إذا تم تحديث البيانات في مخزنها الأصلي يجب أيضا تحديثها في الذاكرة المخبئية.

معالجة النظام

عند حدوث خطأ في النواة تعمل النواة (Kernel) وعملية المعالجة معاً. ويتم استخدام أدوات المعالجة وأدوات أخرى لحل هذا الخطأ مثل أداة (DTrace): تقوم هذه الأداة بالكشف عن المأزق أو الخطأ الموجود وفهم سلوك النظام الآخر. ولبدء نظام التشغيل في الحاسب آلي يجب على وحدة المعالجة المركزية تهيئة وبدء تنفيذ التمهيد (Bootstrap), والتمهيد يستطيع تنفيذ نظام التشغيل مباشرة إذا كان نظام التشغيل في البرامج الثابتة أو يكمل عملية تحميل البرنامج الأكثر ذكاءً من البرامج الثابتة حتى يتم تحميل نظام التشغيل نفسه في الذاكرة ويتم تنفيذه.

العقبات الاقتصادية للذاكرة المخبئية

الذاكرة المخبئية هي ذاكرة ذات كلفة عالية، فسيكون من الصعب ومن المكلف جداً تجهيز حاسوب مع هذا النوع من الذواكر. فسيكون إنشاء ذاكرة تخزين مؤقت (ذاكرة مخبئية)كبيرة مثل القرص غير فعال لأنه سيكون مكلف للغاية، فإن الحجم الهائل سيبطئ من عمل الذاكرة.

استدعاء نظام التشغيل

يوفر نظام التشغيل عدداً من الخدمات، في المستوى الأدنى يسمح استدعاء النظام (System Call) للبرنامج الحالي بإرسال طلب للنظام التشغيل مباشرة، وفي المستوى الأعلى يقوم مترجم الأوامر (Command Interpreter) أو Shell بتوفير آلية طلب نظام التشغيل للمستخدم من دون كتابة البرنامج، من الممكن أن تأتي الأوامر من خلال الملفات عن طريق (Batch-Mode Executio) أو مباشرة من خلال واجهة النصوص أو واجهة المستخدم الرسومية عندما تكون في الوضع التفاعلي (Interactive) أو الوضع المشترك (Time-Shared Mode). يقوم نظام البرامج في تلبية العديد من طلبات المستخدم الشائعة . تعتمد أنواع الطلبات على المستويات، يجب على مستوى استدعاء النظام أن يوفر الوظائف الأساسية مثل التحكم في العمليات والملفات ومعالجة الجهاز، فيما أن طلبات المستوى الأعلى مثل مترجم الأوامر (Command Interpreter) و برامج النظام تترجم إلى سلسلة من استدعاءات النظام .

التطبيقات

يجب أن يتضمن نظام التشغيل بعض التطبيقات مثل متصفحات الويب وبرامج البريد الإلكتروني، حيث يمكن أن يوفر اقتران متصفح الويب (أو أي تطبيق آخر) مع نظام التشغيل مزايا أداء معين، على سبيل المثال لان متصفح الإنترنت (Internet Explorer) مقترناً بنظام التشغيل (Windows)، فإنه يتم تخزينها مؤقتًا بينما يقوم Windows بالتمهيد لأعلى مما يجعل تحميل البرنامج أسرع، وهذا يعارض FireFox والذي لا يتم تخزينه مؤقتًا (بشكل افتراضي) بواسطة Linux ، ولذلك يتم تحميله ببطء في كل مرة يتم فيها استدعاؤه، ولكن يجب أن تكون محدودة الحجم؛ لكي لا تأثر على سرعة النظام.

الفرق بين خدمة النظير إلى النظير وخدمة الزبائن

خدمة الزبائن هي خدمة تعتمد على علاقة رئيس ضد المستعبد، يكون فيه رئيس محدد ومستعبد محدد يتصلون ببعض ويتشاركون، وتكون العملية بمشاركة البيانات والمعلومات، ويتطلب فيه عنوان بروتوكول الإنترنت للتواصل، ومن الأمثلة على هذه الخدمة: الإيميل وخدمة شبكة الإنترنت. خدمة النظير إلى النظير هي خدمة تعتمد على التشاركية، حيث لا يوجد رئيس ولا مستعبد، النقاط كلها تعمل وتتشارك معا، والخدمة تعتمد على خاصية بروتوكول الاكتشاف، من الأمثلة على هذه الخدمة: بلوتوث.

مستويات وحدات التخزين

5 4 3 2 1 المستوى
Magnetic Disk القرص المغناطيسي Solid State Disk وسيط تخزين ذو حاة ثابتة Main Memory الذاكرة الرئيسية Cache الذاكرة المخبأة Register سجل التخزين الاسم
<10TB <1TB <64GB <16MB <1KB الحجم الفعلي
… … … … … …
5000000 25000-50000 80-250 0.5-25 0.25-.05 زمن الوصول
20-150 500 1000-5000 5000-10000 20000-100000 عرض الموجة
نظام التشغيل نظام التشغيل نظام التشغيل الكيان المادي المجمع أدير من قبل
القرص القرص القرص الذاكرة الرئيسية الذاكرة المخبأة دعم من قبل

مقدمة

نظام التشغيل دبيان
تأتي أجهزة الحاسوب دائِمًا بنظامِ تشغيل. يتكون نظام التشغيل من برامج تُدير التطبيقات والوظائف والأجهزة الموجودة على الجهاز، ويوفر واجهة تُستخدم للتفاعل مع هذه الميزات. تعمل برامج نظام التشغيل على أجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة الكمبيوتر المكتبية والهواتف الذكية والأجهزة اللوحية وأجهزة توجيه الشبكة والأجهزة الذكية الأُخرى. الحواسيب الحديثة متعددة الأغراض، هي شاملة للحواسيب الشخصية والحواسيب العملاقة (Mainframes)، ولها نظام تشغيل ليشغل بقية البرامج مثل التطبيقات البرمجية. ومن الأمثلة على أنظمة تشغيل الحواسيب الشخصية ميكروسوفت ويندوز، وجنو/لينكس، وماك أو.إس و (داروين)، وماك أو.إس.إكس ويونكس. والمستوى الأدنى من أي نظام تشغيل هو نواته، وهذه هي الطبقة الأولى من البرمجيات التي يتم تحميلها في الذاكرة عند إقلاع النظام أو بدء التشغيل. وتوفر النواة إمكانية الوصول إلى الخدمات المركزية الشائعة الأخرى لكل برامج النظام والتطبيقات. وهذه الخدمات تشمل (وليس فقط): جدولة المهام، وإدارة الذاكرة، والوصول للقرص، والوصول لأجهزة العتاد. كما هو الحال بالنسبة للنواة، فإن نظام التشغيل كثيرا ما يزود ببرمجيات نظام لإدارة واجهة المستخدم الرسومية (بالرغم من إدماج ويندوز وماكينتوش لهذه البرامج في نظام التشغيل). وأيضا أدوات لمهام مثل إدارة الملفات وإعداد نظام التشغيل. وفي أحيان كثيرة يوزع مع نظام التشغيل برمجيات ليست لها علاقة مباشرة بالوظائف الأساسية لنظام التشغيل، ولكن من يوزع نظام التشغيل وجد فائدة في توزيعها معه. تستخدم أنظمة التشغيل على أغلب الحواسيب، وليس كلها. فالحواسيب الأبسط ذات الأنظمة المغروسة الأصغر والعديد من الحواسيب المبكرة بدون نظام تشغيل، بدلا من أنظمة التشغيل فقد اعتمدوا على برامج التطبيقات لتدير العتاد بمعرفتها، وربما بمساعدة مكتبات صممت لهذا الغرض.

الفرق بين الأنظمة المجمعة ومتعدد المعالجات

يتم عادةً إنشاء الأنظمة المجمعة عن طريق ضم أجهزة كمبيوتر متعددة في نظام واحد لإجراء مهمة حسابية موزعة عبر النظام المجمع. من ناحية أخرى، يمكن أن تكون أنظمة المعالجات المتعدد يشتمل على وحدات معالجة مركزية متعددة. الأنظمة المجمعة أقل إحكامًا من نظام متعدد المعالجات. تتواصل الأنظمة المجمعة باستخدام الرسائل، في حين أن المعالجات في نظام متعدد المعالجات يمكن أن تتصل باستخدام الذاكرة المشتركة وكل معالج لديه ذاكرة التخزين المؤقت الخاصة به.

أنواع نظم التشغيل

يُقسَم نظام التشغيل من حيث قدرته على تشغيل أكثر من برنامج للمستخدم إلى قسمين: نظام متعدد المهام (بالإنجليزية: Multi-Tasking)‏: هنا يُتيح للمستخدم التعامل مع أكثر من برنامج في الوقت نفسه.
نظام أحادي المهام (بالإنجليزية: Single-Tasking)‏: هذا النظام لا يُسمَح للمستخدم بتشغيل أكثر من برنامجٍ واحدٍ في الوقت ذاته.
كما تنقسم الأقسام الواردة أعلاه إلى عدة أقسام كذلك المنفرد المستخدم المنفرد المهمة
أبسط أنواع نظم التشغيل تخدم مستخدما واحدا في الوقت الواحد وهو منفرد المهمة (Single-Tasking) بمعنى آخر ويمكنه أن ينفذ برنامجا واحدا فقط في الوقت الواحد ومن الأمثلة عليه نظام إم إس-دوس (بالإنجليزية: MS-DOS)‏. المنفرد المستخدم المتعدد المهام
هذا النظام لديه القدرة على تنفيذ أكثر من برنامج واحد بشكل متزامن، حيث تنتقل الوحدة المعالجة المركزية (CPU) بين المهمات بسرعة كبيرة. ومن أمثلتها: windows,linux,macOS. المتعدد المستخدمين المنفرد المهمة
يسمح هذا النظام لعدد من الأشخاص بتنفيذ كل منهم برنامجاً واحداّ في الوقت نفسه. ويزود كل مستخدم بمحطة إدخال وإخراج تتصل مع الحاسوب المركزي ويسمى هذا التنظيم بنظام المشاركة الزمنية (Timesharing) وذلك لأن نظام التشغيل يأمر الحاسوب بالانتقال بسرعة كبيرة بين المستخدمين بعد إعطائهم فترات زمنية ثابتة لاستخدام CPU وتسمى هذه الفترات بالشرائح الزمنية (Time Slices) وهي قصيرة جداً (حوالي ألوف جزئية من الثانية) بحيث يتوهم كل مستخدم أنه يمتلك انتباه الحاسوب كلية ومن امثلته Windows NT. المتعددة المستخدمين المتعددة المهام
هو عباره عن نظم التشغيل الحديثة حيث تتيح للمستخدم تشغيل عدة برامج حتى إن كان تعدد المعالجات (CPU) غير كافية لذلك. تقوم نظم التشغيل بتوزيع وقت المعالج بين هذه البرامج بحيث يأخذ كل برنامج وقت محدد من المعالج من ثم يقوم بإيقاف مؤقت للبرنامج وإعطاء برنامج اخر هذا الوقت. هذا يعني ان خلال اللحظة الواحدة برنامج واحد يعمل على المعالج ونظام التشغيل يقوم بالتغيير بسرعة كبيرة جداً كأجزاء من الثانية. عملية توزيع وقت المعالج تسمى بالجدولة (scheduling) حيث يحتفظ نظام التشغيل بقائمة من البرامج التي قام المُستخدم بتشغيلها وتقوم عملية الجدولة بتوزيع وقت لكل برنامج موجود في هذه القائمة ليستفيد من المُعالج في هذا الوقت.

ايجابيات وسلبيات المعالجة المتعددة المتماثلة

ايجابيات: زيادة الإنتاجية: زيادة عدد المعالجات.
الاقتصاد الكلي: تتشارك في استخدام الذاكرة والمحيط
زيادة الموثوقية: إذا تعطلت وحدة معالجة مركزية واحدة لا يتأثر النظام.
سلبيات: إذا تعطلت وحدة معالجة مركزية ستتأثر السرعة.
توفر بعض وحدات المعالجة المركزية (CPUs) أكثر من وضعين للتشغيل واستخدامين محتملين لهذه الأوضاع المتعددة . 1.وضع النواة. 2. وضع المستخدم. دعمت بعض وحدات المعالجة المركزية* أساليب متعددة * للتشغيل من خلال توفير اختلافات مختلفة في وضع النواة ووضع المستخدم بشكل منفصل، بدلاً من التمييز بين وضع النواة ووضع المستخدم فقط. 1. تتمثل إحدى الاحتمالات في تقديم اختلافات مختلفة في شفرة النواة. على سبيل المثال، يسمح رمز معين لأجهزة USB أن تسمح لأجهزة USB بتشغيل برنامج التشغيل. وهذا يعني أنه يمكن صيانة أجهزة USB دون الحاجة إلى التبديل إلى وضع النواة، وذلك من خلال السماح بشكل أساسي بتشغيل برامج تشغيل USB في وضع شبه مستخدم / النواة. 2. الاحتمال الثاني هو توفير اختلافات مختلفة في وضع المستخدم. يمكن استخدام أوضاع المستخدم المتعددة لتوفير نهج أمان أكثر دقة. ربما ينفذ المستخدمون الذين ينتمون إلى المجموعة نفسها كل رمز آخر. عندما كان الجهاز في هذا الوضع، يمكن أن يعمل عضو من المجموعة ينتمي إلى أي شخص آخر في المجموعة. المؤقتات يمكن استخدامها لحساب الوقت الحالي. يمكن للبرنامج تعيين جهاز توقيت لبعض الوقت في المستقبل والذهاب إلى النوم. عندما يستيقظ من قبل المقاطعة، فإنه يمكن تحديث حالتها المحلية، والتي تستخدمها لتتبع عدد المقاطعات التي تلقتها حتى الآن. فإنه يمكن ثم تكرار هذه العملية باستمرار تعيين المقاطعات جهاز ضبط الوقت وتحديث حالته المحلية عند رفع المقاطعات بالفعل.

حوسبة الزمن الحقيقي

حوسبة الزمن الحقيقي هي دراسة للعتاد والبرامج التي تكون لها قيود في الزمن الحقيقي بمعنى أن النظام لا بد أن يضمن معالجة الأحداث أو البيانات في وقت محدد، على عكس الأنظمة الأخرى حيث لا تكون هناك قيود على مدة الاستجابة على الرغم أنه كلما كانت أسرع استجابة كلما كانت أفضل، ويتم تلبية الطلب على برامج الوقت الحقيقي بواسطة أنظمة تشغيل الوقت الحقيقي (مثل VxWork، و Windows CE، و RTLinux) ولغات البرمجة المتزامنة (مثل Averest و ChucK و SyncCharts). الصعوبات
تتمثل الصعوبة الرئيسية للمبرمج في الحفاظ على نظام التشغيل ضمن القيود الزمنية الثابتة لنظام في الوقت الحقيقي، فعلى سبيل المثال إذا لم يكمل النظام مهمة في إطار زمني معين، فقد يتسبب في انهيار النظام بأكمله الذي يعمل عليه، لذلك عند كتابة نظام تشغيل لنظام الوقت الحقيقي، يجب أن يكون المبرمج على يقين من أن مخططات الجدولة الخاصة به لا تسمح بوقت الاستجابة لتتجاوز وقت القيد.

الخدمات

صورة توضح مكانة نظام التشغيل في الحاسوب
إدارة العمليات
أي عملية في حاسوب، سواء كانت خدمة تعمل في الخلفية أو تطبيق، تجرى داخل عملية. ما دام أسلوب معمارية جون فون نيومان هو المستخدم في بناء الحاسوب، فلا يمكن تشغيل سوى عملية واحدة لكل و.م.م في كل مرة. أنظمة التشغيل الأقدم مثل إم إس-دوس لا تقدم أي محاولة لتجاوز هذه المحدودية. تستطيع الأنظمة الحديثة محاكاة تشغيل أكثر من عملية مرة واحدة (متعددة المهام) على و.م.م واحدة، في الحقيقة لا يمكن لأكثر من عملية واحدة أن تنفذ في نفس الوقت في المعالجات أحادية النواة ولكن مع السرعات الهائلة للمعالجات لا يمكننا ملاحظة ذلك، يمكن أن يستخدم ما يسمى بالتزامن الكاذب عن طريق تقسيم المهام إلى تشعبات. إدارة العمليات هي طريقة نظام التشغيل في التعامل مع العمليات العديدة العاملة. حيث أن أغلب الحواسيب تحتوى على و.م.م مفردة ذات قلب واحد، فإن الحصول على تعدد المهام يكون ببساطة عن طريق التحويل بين المهام بسرعة. ومع زيادة العمليات التي يشغلها المستخدم يصبح نصيب كل عملية من الوقت أقل، في كثير الأنظمة قد يسبب هذا مشاكل مثل تخطى أجزاء من ملفات الصوت أو حركة مرتعشة لمؤشر الفأرة. تشمل إدارة العمليات الحساب والتوزيع «للأنصبة الزمنية». القرص وأنظمة الملفات
لدى الكثير من أنظمة التشغيل العديد من أنظمة الملفات التي يمكن استخدامها بشكل طبيعي، جنو/لينكس لديه أكبر تنوع من أنظمة الملفات هذه، وهي إكس تي 2 ،إكس تي 3 ،ريسير أف أس،Reiser4 ،GFS ،GFS2 ،OCFS ،OCFS2 ،NILFS. كما يدعم جنو/لينكس أيضا أنظمة ملفات إكس إف إس وجي أف أس بشكل كامل. مع دعم لنظام ملفات جدول توزيع الملف FAT وإن تي إف إس. أما ويندوز فمحدود من ناحية دعمه لأنظمة الملفات حيث يدعم فقط: FAT12 وFAT16 وFAT32 وإن تي إف إس. بالنسبة لأغلب أنظمة الملفات التي ذكرناها هناك طريقتان لتخصيصها. فالنظام هو إما أن يكون نظام الملفات المزود بقيد حوادث (Journaling File System)، أيْ مزود بقيد للحوادث (journal) وإما غير مزود به. يعتبر النظام المزود بقيد الحوادث (Journaling File System) خياراً آمناً في حالات تعافي النظام. لو حدث أن توقف النظام عن العمل فجأة (في حالة انقطاع الكهرباء مثلا) فإن نظام الملفات غير المزود بقيد للحوادث سيحتاج إلى نوع من الفحص في حين يحدث هذا تلقائيا في أنظمة الملفات المزودة بقيد الحوادث. أنظمة ملفات ويندوز المزودة بقيد الحوادث هي NTFS فقط، في حين أن كل أنظمة ملفات لينكس هي مزودة بقيد الحوادث ماعدا ext2. يتكون كل نظام ملفات من أدلة وأدلة فرعية منفصلة. ومع ذلك هناك اختلافات غير ملحوظة فمثلا أنظمة ملفات ويندوز تفصل بين المجلدات بالشرطة المائلة الراجعة “” وأسماء الملفات غير حساسة لحالة الأحرف، على حين في يونكس يفصل بين المجلدات باستخدام الشرطة المائلة “”/”” وأسماء الملفات حساسة لحالة الأحرف. الشبكات