تعرف على مهام نظام التشغيل

نسلط الضوء في مقال اليوم على مهام نظام التشغيل الذي يعد أهم برنامج في أجهزة الحواسيب، فهو البرنامج الأساسي الذي يُمكّن الحاسوب من أداء الوظائف المختلفة المطلوبة منه، ويجعله قادرًا على التعامل مع العتاد وتشغيل البرامج والتطبيقات وغيرها من الوظائف الأخرى التي سنتعرف عليها في سياق المقال والتي بدونها لن يكون الحاسوب سوى خردة لا نفع لها.

ما هو نظام التشغيل

ويمكن اعتبار نظام التشغيل Operating System أو اختصارًا OS بمثابة المدير العام لجهاز الحاسوب فهو الذي يدير جميع البرامج والأجهزة الموجودة على الحاسوب فهو البرنامج الأساسي المدمج في جهاز الحاسوب والذي يُحمَّل ويعمل تلقائيًا بمجرد أن تشغيل حاسوبك ويكون بمثابة وسيط بينك كمستخدم وبين جهاز الحاسوب الخاص بك ويسمح لك بالتفاعل مع العتاد والبرامج المختلفة بسهولة إما من خلال واجهة رسومية GUI أو من خلال واجهة سطر أوامر كما يسمح للمستخدم بالقيام بعدة مهام في نفس الوقت.

وكي يتمكن نظام التشغيل من إدارة الحاسوب بكفاءة يحتاج للقيام بالعديد من المهام المسؤولة عن إدارة كافة موارد وخدمات الحاسوب والإشراف على تشغيل البرامج والتطبيقات وتحديد ما هي التطبيقات التي يجب تشغيلها وبأي ترتيب والتحكم بمكونات الحاسوب وطرفياته المختلفة مثل القرص الصلب أو ذاكرة الوصول العشوائي أو الطابعة، وتشغيل الشبكات الحاسوبية، وإدارة عملية تخزين البيانات على وسائط التخزين كما يهتم نظام التشغيل بأمور حماية الحاسوب من البرمجيات الضارة وغيرها من المهام المختلفة التي سنشرحها بالتفصيل في الفقرات اللاحقة.

هناك العديد من أنواع أنظمة التشغيل فنظام التشغيل مطلوب لعمل مختلف أنواع الأجهزة الذكية كالهواتف الذكية أو الأجهزة اللوحية أو أجهزة التلفزيون الحديثة أو الساعات الذكية وحتى المعدات الطبية وأجهزة الصراف الآلي أو غيرها من الأجهزة والهدف الأساسي منه هو المحافظة على تشغيل الجهاز بكفاءة وسهولة لكن قد تختلف طريقة تصميم نظام التشغيل وأسلوب أدائه للمهام بحسب الاحتياجات والمتطلبات المختلفة لكل جهاز لذا تختلف المهام من نوع نظام تشغيل لآخر لكننا سنركز في مقال اليوم على شرح مهام نظام التشغيل المخصص للعمل على أجهزة الحاسوب ومن أشهر هذه الأنظمة نظام ويندوز Windows ولينكس Linux وماك macOS.

وللاطلاع على مزيد من المعلومات حول أنواع أنظمة التشغيل وأهم الاختلافات والفروقات فيما بينها وأبرز الأمثلة حولها يمكنك مطالعة مقال مدخل إلى نظام التشغيل Operating System.

ما هي مهام نظام التشغيل

يقوم نظام التشغيل بالعديد من المهام والوظائف التي تضمن عمل جهاز الحاسوب بالشكل الأمثل وإليك قائمة بأبرزها:

إدارة موارد الحاسوب.
توفير واجهة مستخدم.
إدارة الملفات والمجلدات.
إدارة الأجهزة الطرفية.
إدارة الذاكرة.
التحكم في أجهزة الإدخال والإخراج.
إدارة العمليات.
إدارة المستخدمين وصلاحيات وصولهم.
إدارة المعالجات
الحماية واكتشاف الأخطاء.

لنناقش بمزيد من التفصيل كل مهمة من هذه المهام ونتعرف على آلية عملها.

1. إدارة موارد الحاسوب

تتحكم أنظمة التشغيل في موارد الحاسوب وتوفر واجهة للمستخدمين ليتمكنوا من التواصل مع هذه الموارد، والمقصود بموارد الحاسوب أي أجزاء قابلة للاستخدام من الحاسوب سواء كانت برامج أو عتاد مثل أجهزة الإدخال والإخراج ووحدة المعالجة المركزية CPU والذاكرة ومحرك الأقراص وبطاقة الشبكة والطابعة …إلخ. إذ يتولى نظام التشغيل مهمة التحكم بهذه الموارد وإدارتها وتوزيعها بشكل منظم وعادل بين البرامج المختلفة ليسمح بتشغيل عدة مهام في نفس الوقت ويضمن عملها بالشكل الصحيح ودون أخطاء. لذا تعد إدارة الموارد أحد أهم وظائف نظام التشغيل فهو يدير كل الموارد المتاحة ويخصصها لكل العمليات التي تجري في الحاسوب بطريقة فعالة، وقد يعتمد نظام التشغيل مبدأ مشاركة الموارد بحسب الزمن Time-sharing أو بحسب المساحة Space-sharing.

على سبيل المثال عندما تحتاج عدة مهام أو عمليات إلى استخدام وحدة المعالجة المركزية CPU يعتمد نظام التشغيل مبدأ مشاركة الزمن أي يضع العمليات في قائمة انتظار ويخصص فترات زمنية لكل عملية حيث تحصل العملية الأولى على وحدة المعالجة المركزية، وعندما تنتهي الفترة الزمنية الخاصة بها ينتقل الدور إلى العملية التالية المنتظرة لتستخدم وحدة المعالجة المركزية. وكمثال على مشاركة المساحة يمكن أن تتقاسم عدة عمليات تعمل بذات الوقت مساحة الذاكرة الرئيسية حيث تقسم المساحة الكلية لأجزاء أصغر وتأخذ كل عملية جزء مخصص منها.

2. توفير واجهة مستخدم

يعمل نظام التشغيل كصلة وصل بين المستخدم وجهاز الحاسوب ويوفر له واجهات مستخدم تسمح له بالتفاعل معه وإعطائه الأوامر، وقد تكون هذه الواجهات كما ذكرنا سابقًا إما واجهات رسومية GUI تتضمن أيقونات ونوافذ رسومية سهلة الاستخدام أو واجهات سطر أوامر CLI تمكن المستخدم من التفاعل مع نظام التشغيل من خلال كتابة أوامر نصية.

تمنح هذه الواجهات المستخدم الكثير من المرونة والتحكم في التعامل مع النظام لكنها مخصصة للمستخدمين ذوي الخبرة وصعبة على المبتدئين، وحديثًا ومع تقدم تقنيات الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة فقد بدأت بعض أنظمة التشغيل توفر واجهات بلغة طبيعية Natural Language تمكّن المستخدم من التفاعل مع الحاسوب من خلال لغته البشرية المكتوبة أو المنطوقة وطلب مهمة معينة.

3. إدارة الملفات والمجلدات

من مهام نظام التشغيل الأساسية إدارة الملفات والمجلدات التي تسمح للمستخدمين بالتعامل مع المجلدات والملفات بمختلف أنواعها كإنشائها وحذفها ونسخها ونقلها وإعادة تسميتها.

كما يخزن نظام التشغيل كافة التفاصيل المتعلقة بالملفات المختلفة ويسهل البحث عنها ومن أهم المعلومات التي يخزنها نوع أو تنسيق الملف، وحجم الملف، وموقع تخزينه ووقت إنشائه، ومتى عُدّل آخر مرة.

والجدير بالذكر أن هناك عدة أنواع لنظام الملفات file system التي يستخدمها نظام التشغيل ولكل نظام أسلوب مختلف في تخزين وتنظيم الملفات والمجلدات، ومن أشهر هذه الأنواع:

نظام FAT وهو اختصار لعبارة File Allocation Table وتعني جدول تخصيص الملفات وهو أقدم أنظمة الملفات وطورته مايكروسوفت وكان يستخدم في الإصدارات القديمة لنظام التشغيل ويندوز.
نظام NTFS وهو اختصار لعبارة New Technology File System وهو نظام ملفات حديث طورته مايكروسوفت ويستخدم في نظام تشغيل Windows NT والإصدارات الأحدث، ويدعم ميزات مثل الضغط والتشفير وميزة أذونات الملفات والمجلدات.
نظام ext وهو اختصار لعبارة Extended File System أي نظام الملفات الموسع وهو نظام ملفات يستخدمه نظام التشغيل لينكس Linux ويونكس Unix.
نظام الملفات الهرمي HFS وهو اختصار لـ Hierarchical File System حيث يستخدم بنية هرمية لتنظيم الملفات وقد طورته آبل بشكل مخصص لنظام التشغيل ماك macOS.
نظام ملفات APFS وهو اختصار لعبارة Apple File System وهو خاص بنظام التشغيل ماك Mac وأجهزة iOS الحديثة.

4. إدارة الأجهزة الطرفية

من مهام نظام التشغيل أيضًأ إدارة مختلف الأجهزة الطرفية peripherals المتصلة بالحاسوب، أي الأجهزة التي ترسل البيانات من وإلى الحاسوب مثل الفأرة ولوحة المفاتيح والطابعة والماسح الضوئي والكاميرا …إلخ. حيث يستخدم نظام التشغيل برنامجًا يسمى برنامج تشغيل الجهاز الطرفي ويكون لكل جهاز برنامج تشغيل خاص يتحكم بطريقة عمله.

الجدير بالذكر أن معظم الأجهزة الطرفية اليوم تعمل وفق مبدأ التوصيل والتشغيل Plug & Play أو اختصارًا PnP فكل ما على المستخدم فعله هو توصيل الجهاز بالمنفذ المناسب وسيتعرف عليه نظام التشغيل تلقائيًا ويقوم بإعداده وتحميل برامج التشغيل الصحيح له تلقائيًا وتخصيص الموارد المطلوبة له وتجهيزه للعمل دون أي تدخل من المستخدم.

5. إدارة الذاكرة

يتولى نظام التشغيل مهمة إدارة الذاكرة ويوفر للمستخدم إمكانية تشغيل أكثر من برنامج في نفس الوقت أو العمل على أكثر من مستند في نفس الوقت، ويعتمد نظام التشغيل في تحقيق ذلك على عدة طرق ومنهجيات من أهمها منهجية تبديل الصفحات paging وفيها يتم تقسيم الذاكرة إلى كتل ذات حجم متساوي تعرف بالصفحات pages ويختلف حجم هذه الصفحات من نظام تشغيل لآخر.

وعند تشغيل أي برنامج وتحميله في الذاكرة يحدد نظام التشغيل حجم الذاكرة التي يحتاجها هذا البرنامج ويخصص له عدد صفحات كافية تكفي لعمله وعند إغلاق البرنامج تحرر هذه الصفحات وتصبح متاحة للاستخدام من قبل البرامج الأخرى.

6. التحكم في أجهزة الإدخال والإخراج

من مهام نظام التشغيل الأساسية التحكم في أجهزة الإدخال والإخراج وإدارة طريقة استخدامها حيث يدير نظام التشغيل أجهزة الإدخال والإخراج بطرق مختلفة فهو يسجل كافة الأجهزة التي تطلب استخدام وحدة المعالجة المركزية CPU ويمكّنها من استخدامها بحسب أولوية الطلب.

على سبيل المثال إذا أراد المستخدم الكتابة في مستند نصي وضغط على مفتاح ما على لوحة المفاتيح فيجب أن يعطى هذا الطلب مستعجل وله أولوية قصوى ويقاطع تنفيذ باقي العمليات ليظهر الحرف الذي كتبه مباشرة.

7. إدارة العمليات

في بداية ظهور أنظمة التشغيل كان يسمح بتنفيذ عملية واحدة في الوقت الواحد وبالتالي كان بإمكان هذه العملية قيد التشغيل الاستفادة من كافة موارد النظام. والمقصود بالعملية أي جزء أو مهمة من برنامج أو تطبيق قيد التشغيل حاليًا والذي ينفذه معالج الحاسوب.

لكن أنظمة التشغيل الحديثة التي تشغل الحواسيب الحالية تدعم تعدد العمليات أو تعدد المهام multitasking أي أنها تشغل أكثر من عملية في وقت واحد لذا يحتاج نظام التشغيل لإدارة تشغيل هذه العمليات التي تتشارك نفس الموارد مثل المعالج ووحدة المعالجة المركزية CPU والذاكرة RAM ووحدات الإدخال والإخراج وغيرها وتنظيم عملية استخدامها باستخدام خوارزميات مخصصة.

لهذا يتولى نظام التشغيل كل ما يتعلق بإدارة العمليات مثل إنشاءها، وتحديد ترتيب تنفيذها بناءً على أولوية معينة، وجدولتها، وإيقافها، والمزامنة بينها، وتخصيص الموارد المناسبة لكل منها، لضمان تشغيلها بشكل فعال يحقق أقصى استفادة من الموارد المتاحة.

8. إدارة المستخدمين وصلاحيات وصولهم

تتيح أنظمة التشغيل الحالية مثل ويندوز ولينكس إنشاء عدة مستخدمين وإدارة حساباتهم ومنح كل مستخدم أذونات خاصة بها والتحكم في وصولهم للبيانات والبرامج بناءً على مستوى الصلاحيات والأذونات الممنوحة لهم وإنشاء جلسة لكل منهم كي يتفاعل مع نظام التشغيل، بخلاف نظام التشغيل المستخدم الواحد يمكن لمستخدم واحد فقط الوصول إلى الموارد وتنفيذ مهامه ومن الأمثلة عليه نظام MS-DOS.

لذلك من مهام أنظمة التشغيل الأساسية اليوم إدارة المستخدمين المتعددين، وتمكين وصولهم إلى مجموعة من الأجهزة واستخدام مواردها في نفس الوقت، وتمكين أي مستخدم من مشاركة الملف الذي يعمل عليه ليكون قابلًا للوصول من قبل باقي المستخدمين والاهتمام بحماية بيانات المستخدمين وصلاحيات وصولهم.

9. إدارة المعالجات

كانت معظم أنظمة التشغيل في بداية ظهور الحواسيب أنظمة ذات معالج واحد Single-processor systems أي أنها تحتوي على وحدة معالجة مركزية واحدة فقط، في حين تدعم معظم أنظمة التشغيل اليوم إمكانية استخدام أكثر من معالج واحد ويطلق عليها اسم الأنظمة متعددة المعالجات Multi-processor systems حيث يتولى نظام التشغيل في هذه الحالة إدارة هذه المعالجات التي تعمل معًا على التوازي في نفس جهاز الحاسوب ويوزع الموارد بينها بالشكل الأمثل.

ملاحظة: هناك فرق بين تعدد المهام وتعدد المعالجات ففي حال تعدد العمليات يكون هناك معالج واحد يشغل برامج متعددة، ومن أبرز الأمثلة على تعدد المهام استخدام مفهوم الخيوط المتعددة Multi-threading في المعالجة، بينما في حال تعدد المعالجات يكون هناك عدة معالجات Multi-processing تشغل عمليات متعددة بهدف تحسين أداء النظام وموثوقيته وتحقيق سرعات تنفيذ عالية جدًا بتكلفة مناسبة.

10. الحماية واكتشاف الأخطاء

يجب أن يحقق نظام التشغيل حماية وأمان جهاز الحاسوب ويراقب سير العمل، ويكتشف أي خطأ أو خلل قد يحدث في جهاز الحاسوب، ويفحص النظام بشكل دوري بحثًا عن أي تهديد خارجي أو محاولة اختراق أو نشاط برمجي ضار. كما يجب عليه أيضًا فحص كافة العتاد والأجهزة المتصلة بالحاسوب للتأكد من عدم وجود أي ضرر فيها وفي حال وجد أي طارئ أو ضرر يجب عرض تنبيه للمستخدم ويوجهه ليقوم باتخاذ الإجراء المناسب.

كما يعمل نظام التشغيل على منع وصول أي مستخدم غير مصرح به لموارد الحاسوب ويمكّن المستخدمين الذين يملكون دور مسؤول من منح صلاحيات محددة للمستخدمين الآخرين على سبيل المثال يمكن منح صلاحية حذف الملفات أو تثبيت البرامج لمستخدمين معينين فقط وأن يتضمن مجموعة برامج مساعدة تساعد على حماية الحاسوب مثل برنامج جدار الحماية ومكافحة الفيروسات والتهديدات وبرامج التحديث التلقائي.

الخلاصة

تعرفنا في مقالنا اليوم على أهمية نظام التشغيل ودوره الحيوي في الربط بين المستخدمين وعتاد الحاسوب ويتولى إدارة الجهاز وتوزيع الموارد بكفاءة، كما تعرفنا على أبرز مهام نظام التشغيل مثل إدارة الذاكرة والمعالج واكتشاف الأخطاء وإدارة المستخدمين وغيرها من الوظائف الأساسية التي تضمن عمل الحاسوب بسلاسة.