سیستم‌عامل یا سامانهٔ عامل نرم‌افزاری است که مدیریت منابع رایانه را به عهده گرفته و بستری را فراهم می‌سازد که نرم‌افزار کاربردی اجرا شده و از خدمات آن استفاده کنند. سیستم‌عامل جزء ضروری‌ترین نرم‌افزارهای یک سیستم کامپیوتری است. سیستم‌عامل خدماتی به برنامه‌های کاربردی و کاربر ارائه می‌دهد. برنامه‌های کاربردی یا از طریق واسط‌های برنامه‌نویسی کاربردی یا از طرق فراخوانی‌های سیستم به این خدمات دسترسی دارند. با فراخوانی این واسط‌ها، برنامه‌های کاربردی می‌توانند سرویسی را از سیستم‌عامل درخواست کنند، پارامترها را انتقال دهند، و پاسخ عملیات را دریافت کنند. ممکن است کاربران با بعضی انواع واسط کاربری نرم‌افزار مثل واسط خط فرمان یا یک واسط گرافیکی کاربر با سیستم‌عامل تعامل کنند. برای کامپیوترهای دستی و رومیزی، عموماً واسط کاربری به عنوان بخشی از سیستم‌عامل در نظر گرفته می‌شود. در سیستم‌های بزرگ و چند کاربره مثل یونیکس و سیستم‌های شبیه یونیکس، واسط کاربری معمولاً به عنوان یک برنامه کاربردی که خارج از سیستم‌عامل اجرا می‌شود پیاده‌سازی می‌شود. نمونه‌هایی از محبوب‌ترین سیستم‌عامل‌های نوین شامل: اندروید، بی‌اس‌دی، آی‌اواس، لینوکس،اواس ده، کیوان‌اکس، مایکروسافت ویندوز، ویندوز فون و زد/اواس می‌باشند.

انواع سیستم‌عامل

سیستم‌های بی‌درنگ

سیستم‌های بی‌درنگ یا زمان واقعی یک سیستم عامل چند وظیفه‌ای است که معمولاً بعنوان یک کنترل کننده در یک کاربرد خاص استفاده می‌شوند. سیستم در این حالت می‌بایست در زمانی مشخص و معین حتماً جواب مورد نظر را بدهد. سیستم‌های کنترل آزمایش‌های علمی، تصویربرداری پزشکی، کنترل صنعتی و برخی از سیستم‌های نمایش از این دسته‌اند. هدف اصلی استفاده از سیستم‌های بی‌درنگ واکنش سریع و تضمین شده در برابر یک رویداد خارجی می‌باشد. در سیستم‌های بی‌درنگ معمولاً وسایل ذخیره‌سازی ثانویه وجود ندارد و به جای آن از حافظه‌های ROM استفاده می‌شود. سیستم‌عامل‌های پیشرفته نیز در این سیستم‌ها وجود ندارند چرا که سیستم‌عامل کاربر را از سخت‌افزار جدا می‌کند و این جداسازی باعث عدم قطعیت در زمان پاسخ‌گویی می‌شود. سیستم‌هایی که در آن مهلت زمانی باید پاسخ داده شود را بی‌درنگ سخت و سیستم‌هایی که مهلت زمانی را پشتیبانی نمی‌کنند بی‌درنگ نرم می‌نامند. از کاربرد سیستم‌های بی‌درنگ سخت می‌توان به کنترل موتور یک خودرو (پاسخ با تأخیر می‌تواند نتایج فاجعه‌باری را به همراه داشته باشد) و در سیستم‌های بی‌درنگ نرم می‌توان به اسکن بارکد در پایانه فروشگاه (با اینکه سرعت پاسخ‌دهی باید سریع باشد اما به حادّی سیستم‌های سخت نمی‌باشد) اشاره کرد.

سیستم‌های چند کاربره

سیستم‌های چند کاربره اجازه می‌دهند تا کاربران متعدد بصورت همزمان به یک سیستم کامپیوتری دسترسی داشته باشند. سیستم‌های اشتراک زمانی و کارساز وب را می‌توان بعنوان سیستم‌های چند کاربره طبقه‌بندی کرد. در سیستم‌های اشتراک زمانی تنها یک پردازنده قرار دارد که توسط مکانیزم‌های زمانبندی بین برنامه‌های مختلف کاربرها با سرعت زیاد سوئیچ می‌شود و بنابراین هر کاربر تصور می‌کند کل رایانه در اختیار اوست.

سیستم‌عامل تک پردازنده

این نوع سیستم‌عامل‌ها، سیستم‌عامل‌های نسل چهارم (نسل فعلی) هستند که بر روی یک پردازنده اجرا می‌شوند. از قبیل XP,Vista,98,Me که بیشتر محصول شرکت مایکرو سافت می‌باشند.

سیستم‌عامل شبکه‌ای

سیستم عاملهایی مثل ناول نت که بیشترین استفاده و امکانات این سیستم عامل برای شبکه می‌باشد.

سیستم‌عامل توزیع شده[ویرایش]

این سیستم‌عامل‌ها خود را مانند سیستم‌عامل‌های تک پردازنده به کاربر معرفی می‌کنند، اما در عمل از چندین پردازنده استفاده می‌کنند. این نوع سیستم‌عامل در یک محیط شبکه‌ای اجرا می‌شود در این نوع سیستم یک برنامه پس از اجرا در کامپوترهای مختلف جواب نهایی به سیستم اصلی کاربر برمی‌گردد سرعت پردازش در این نوع سیستم بسیار بالاست.

دلایل ایجاد سیستم‌عامل

یک سیستم کامپیوتری پیشرفته از یک یا چند پردازنده، مقداری حافظه اصلی، دیسک‌ها، چاپگرها، صفحه‌کلید، صفحه نمایش، واسط‌های شبکه‌ای و دیگر دستگاه‌های ورودی و خروجی تشکیل شده‌است. اگر سیستم یکپارچه‌ای برای مدیریت این منابع وجود نداشته باشد، هر برنامه باید به تنهایی این کار را انجام دهد. سیستم‌عامل یک لایه نرم‌افزاری فراهم می‌کند که وظیفه مدیریت منابع سیستم را از دوش برنامه‌های کاربردی رهانیده و کار برنامه‌نویسی را ساده‌تر می‌نماید؛ که با توجه به نسخه‌های جدید سیستم عامل‌ها که به دلیل بهره‌مندی از تکنولوژی گرافیک و امکان استفاده از ماوس، امکان استفاده ساده و آسان را برای کاربران مبتدی فراهم نموده‌است. در حقیقت سیستم‌عامل واسط بین سخت‌افزار رایانه و کاربر می‌باشد.

وظایف سیستم‌عامل

سیستم‌عامل دو کار عمده انجام می‌دهد:

1. در نگرش پایین به بالا، منابع منطقی (مانند فایل‌ها) و منابع فیزیکی (مانند دستگاه‌های سخت‌افزاری) رایانه را مدیریت و کنترل می‌کند.
2. در نگرش بالا به پایین، وظیفه سیستم‌عامل این است که یک ماشین توسعه یافته یا ماشین مجازی را به کاربران ارائه کند تا آنها بتوانند آسان‌تر برنامه‌نویسی نمایند و درگیر پیچیدگی‌های سخت‌افزاری رایانه نشوند.

به طور کلی، وظایف سیستم‌عامل شامل موارد زیر است:

• استفاده بهینه‌تر از منابع و جلوگیری از به هدر رفتن آنها
• تخصیص و آزاد سازی منابع
• اداره صف‌ها و زمان‌بندی استفاده از منابع
• حسابداری میزان استفاده از منابع
• ایجاد امنیت
• ایجاد، حذف و اداره فرایندها
• ایجاد مکانیسم‌های ارتباط بین فرایندها و همگام‌سازی آن‌ها
• مدیریت فایل‌ها و پوشه‌ها
• مدیریت حافظه‌های اصلی و جانبی
• برقراری امکان دسترسی چندتایی و اجرای هم روند فرایندها
• به اشتراک گذاری منابع
• تعیین راهکارهایی برای اداره بن‌بست
• جلوگیری از وضعیت رقابتی و تداخل یا در هم قفل شدن فرایندها
• جلوگیری از گرسنگی

 

فهرست مطالب:

فصل اول: نگاه کلی به سخت افزار

چهار عنصر اصلی سخت افزار

واحد پردازش مرکزی

ثبات های پردازنده

حافظه

ثبات قابل رؤیت برای کاربرد

ثبات های آدرس

ثبات های کنترل وضعیت

چرخه دستورالعمل

وقفه

پردازش یک وقفه

وقفه های چندگانه

سلسله مراتب حافظه

حافظه پنهان

روشهای انتقال ورودی / خروجي

و...

فصل دوم: نگاه کلی به سیستم عامل

وظایف سیستم عامل

سه هدف سیستم عامل

سیستم عامل به عنوان مدیر منابع

هسته سیستم عامل

دلایل تغییر سیستم عامل

تکامل تدریجی سیستم عامل

پردازش ردیفی

مسئله اصلی سیستم های اولیه

سیستم های دسته ای

سیستم های اشتراک زمانی

سه محور برای ایجاد و توسعه سیستم کامپیوتر

علت بروز خطاها در سیستم نرم افزاری

اجزای یک فرآیند

ثبات های پایه و حد

و...

فصل سوم: طراحی شی گرا

نگاهی کلی به WINDOWS NT

معماری NT

مجری NT

مولفه های خدمات سیستم

سیستم UNIX

بخشهای سیستم UNIX

و...

فصل چهارم: شرح و کنترل فرآیند

حالات فرآیند

نمودار تغییر حالت

نمودار صف بندی

ایجاد و پایان فرآیند

انواع خطا

پنج حالت ممکن برای فرآیند

فرآیند معلق

دلایل تعلیق فرآیند

ساختارهای کنترلی سیستم عامل

انواع جداول

اجزای متداول تصویر یک فرآیند

و...

فصل پنجم: نخها، چندپردازشی متقارن و ریز هسته ها

فرآیندها و نخ ها

چندنخی

موارد همراه فرآیند

مقاسیه فرآیند تک نخی و چند نخی

حالات نخ

همگام سازی نخ ها

نخ های سطح کاربر

نخ های سطه هسته

امتیاز نخ سطح کاربر به سطح هسته

و...

فصل ششم: همزمانی، انحصار متقابل و همگام سازی

همزمانی در سه زمینه متفاوت طراحی می گردد

اصول همزمانی

ملاحظات سیستم عامل در همزمانی

محاوره فرآیندها

همکاری فرایند ها توسط اشتراک

همکاری فرایند ها توسط ارتباط

ملزومات انحصار متقابل

دستور العمل آزمون و مقدار گذاری

ویژگیهای رویکرد دستورالعمل ماشین

راهنماها

و...

فصل هفتم: همزمانی، بن بست و گرسنگی

اصول بن بست

انواع منابع

شرایط بن بست

سه رویکرد در برخورد با بن بست

پیشگیری از بن بست

مزایای پیشگیری از بن بست

دو رویکرد برای اجتناب از بن بست

و...

فصل هشتم: مدیریت حافظه

نیازهای مدیریت حافظه

مزایای سازمان دهی منطقی

علت نا کارآمدی سازمان دهی فیزیکی

روش های مدیریت حافظه

مزایا

معایب

تکه تکه داخلی

صفحه بندی

مراحل لازم برای ترجمه

و...

فصل نهم: حافظه مجازی

مشخصه صفحه بندی و قطعه بندی

حافظه حقیقی و مجازی

کوبیدگی

اصل محلی بودن

ساختار جدول

طراحی بخش مدیریت حافظه

و...

فصل دهم: زمان بندی تک پردازنده

انواع زمان بندی

زمانبندی و تغییر حالتهای فرآیند

معیارهای زمانبندی

سیاست های زمان بندی

حالت تصمیم گیری

زمانبندی FCFS

زمانبندی نوبت گردشی RR

و...