نکات کلیدی
1. سیستم‌عامل‌ها منابع کامپیوتر را مدیریت می‌کنند
سیستم‌عامل سخت‌افزار را کنترل کرده و استفاده از آن را بین برنامه‌های مختلف کاربردی برای کاربران مختلف هماهنگ می‌کند.
تخصیص منابع. سیستم‌عامل به‌عنوان تخصیص‌دهنده منابع عمل می‌کند و زمان CPU، فضای حافظه، ذخیره‌سازی و دستگاه‌های ورودی/خروجی را مدیریت می‌کند. این سیستم‌عامل درخواست‌های متعارض را حل کرده و توزیع کارآمد و عادلانه منابع را بین برنامه‌ها و کاربران تضمین می‌کند. این مدیریت برای عملکرد کلی و پایداری سیستم کامپیوتری بسیار حیاتی است.
برنامه کنترل. سیستم‌عامل همچنین به‌عنوان یک برنامه کنترل عمل می‌کند و اجرای برنامه‌های کاربر را مدیریت می‌کند تا از بروز خطاها و استفاده نادرست از کامپیوتر جلوگیری کند. این سیستم‌عامل به‌ویژه نگران عملکرد و کنترل دستگاه‌های ورودی/خروجی است و اطمینان حاصل می‌کند که به‌درستی و به‌طور کارآمد استفاده می‌شوند. این کنترل برای حفظ یکپارچگی و امنیت سیستم ضروری است.
هسته به‌عنوان هسته. هسته تنها برنامه‌ای است که در تمام اوقات بر روی کامپیوتر اجرا می‌شود و هسته سیستم‌عامل را تشکیل می‌دهد. این هسته مسئول مدیریت منابع سیستم و ارائه خدمات به برنامه‌های کاربر است. برنامه‌های سیستمی که با سیستم‌عامل مرتبط هستند اما بخشی از هسته نیستند و برنامه‌های کاربردی که شامل تمام نرم‌افزارهای دیگر می‌شوند، بر روی هسته اجرا می‌شوند.
2. وقفه‌ها برای عملکرد سیستم‌عامل اساسی هستند
سخت‌افزار ممکن است در هر زمان با ارسال سیگنالی به CPU، معمولاً از طریق باس سیستم، یک وقفه را فعال کند.
سیگنال‌های سخت‌افزاری. وقفه‌ها سیگنال‌هایی هستند که توسط سخت‌افزار به CPU ارسال می‌شوند و آن را از رویدادهایی که نیاز به توجه فوری دارند مطلع می‌کنند. این رویدادها می‌توانند از اتمام عملیات ورودی/خروجی تا بروز خطاهای سخت‌افزاری متغیر باشند. CPU با تعلیق فعالیت فعلی خود و انتقال کنترل به یک مکان ثابت که شامل روال خدمات وقفه است، به این وقفه‌ها پاسخ می‌دهد.
بردار وقفه. بردار وقفه جدولی از اشاره‌گرها به روال‌های وقفه است که با یک شماره منحصر به فرد مرتبط با هر درخواست وقفه فهرست شده است. این امکان را به CPU می‌دهد که به‌سرعت به مدیریت مناسب منتقل شود بدون اینکه نیاز به بررسی تمام منابع ممکن وقفه‌ها باشد. سیستم‌های مبتنی بر ویندوز و UNIX از این مکانیزم استفاده می‌کنند.
مدیریت وقفه. سیستم‌عامل‌های مدرن به ویژگی‌های پیچیده مدیریت وقفه نیاز دارند، از جمله توانایی به تعویق انداختن مدیریت وقفه در حین پردازش‌های بحرانی، توزیع کارآمد به مدیریت مناسب و وقفه‌های چندسطحی برای اولویت‌بندی وظایف فوری. این ویژگی‌ها توسط سخت‌افزار CPU و کنترل‌کننده وقفه ارائه می‌شوند.
3. سیستم‌های چندپردازنده‌ای توان عملیاتی را افزایش می‌دهند
مزیت اصلی سیستم‌های چندپردازنده‌ای افزایش توان عملیاتی است.
اجرا به‌صورت موازی. سیستم‌های چندپردازنده‌ای، از جمله سیستم‌های چند هسته‌ای، با اجازه دادن به چندین فرآیند یا رشته برای اجرا به‌طور همزمان، توان عملیاتی را افزایش می‌دهند. این می‌تواند زمان لازم برای تکمیل وظایف پیچیده را به‌طور قابل توجهی کاهش دهد. با این حال، نسبت سرعت افزایش خطی نیست به‌دلیل بار اضافی در حفظ عملکرد صحیح تمام اجزا.
پردازش همزمان متقارن (SMP). در سیستم‌های SMP، هر پردازنده CPU تمام وظایف، از جمله عملکردهای سیستم‌عامل و فرآیندهای کاربر را انجام می‌دهد. این مدل اجازه می‌دهد تا فرآیندها و منابع به‌طور پویا بین پردازنده‌ها به اشتراک گذاشته شوند که منجر به استفاده کارآمدتر از منابع می‌شود.
کارایی چند هسته‌ای. سیستم‌های چند هسته‌ای، جایی که چندین هسته محاسباتی بر روی یک تراشه واحد قرار دارند، می‌توانند به‌دلیل ارتباط سریع‌تر درون‌تراشه و کاهش مصرف انرژی، کارآمدتر از چندین تراشه با هسته‌های تکی باشند. این ویژگی آن‌ها را برای دستگاه‌های موبایل و لپ‌تاپ‌ها ایده‌آل می‌سازد.
4. عملیات دوگانه از سیستم‌عامل محافظت می‌کند
برای اطمینان از اجرای صحیح سیستم، باید بتوانیم بین اجرای کد سیستم‌عامل و کد تعریف‌شده توسط کاربر تمایز قائل شویم.
حالت کاربر در مقابل حالت هسته. برای محافظت از سیستم‌عامل در برابر کاربران خطاکار و کاربران خطاکار در برابر یکدیگر، بیشتر سیستم‌های کامپیوتری از پشتیبانی سخت‌افزاری برای تمایز بین حالت‌های مختلف اجرا برخوردارند. حداقل، به دو حالت جداگانه عملیات نیاز داریم: حالت کاربر و حالت هسته.
دستورات ویژه. سخت‌افزار اجازه می‌دهد که دستورات ویژه تنها در حالت هسته اجرا شوند. اگر تلاشی برای اجرای یک دستور ویژه در حالت کاربر انجام شود، سخت‌افزار دستور را اجرا نمی‌کند بلکه آن را غیرقانونی تلقی کرده و به سیستم‌عامل منتقل می‌کند.
فراخوانی‌های سیستمی. فراخوانی‌های سیستمی وسایلی هستند که به یک برنامه کاربر اجازه می‌دهند از سیستم‌عامل بخواهد وظایفی را که مختص سیستم‌عامل است به‌نمایندگی از برنامه کاربر انجام دهد. یک فراخوانی سیستمی به روش‌های مختلفی فراخوانی می‌شود که به عملکرد ارائه‌شده توسط پردازنده زیرین بستگی دارد.
5. مدیریت منابع یک عملکرد اصلی سیستم‌عامل است
یک سیستم کامپیوتری دارای منابع زیادی است که ممکن است برای حل یک مشکل مورد نیاز باشد: زمان CPU، فضای حافظه، فضای ذخیره‌سازی، دستگاه‌های ورودی/خروجی و غیره.
مدیریت فرآیند. سیستم‌عامل مسئول ایجاد و حذف فرآیندها، زمان‌بندی فرآیندها و رشته‌ها بر روی CPUها، تعلیق و از سرگیری فرآیندها و ارائه مکانیزم‌هایی برای همگام‌سازی و ارتباط فرآیندها است. این فعالیت‌ها برای مدیریت اجرای برنامه‌ها در یک محیط چندوظیفه‌ای ضروری هستند.
مدیریت حافظه. سیستم‌عامل پیگیری می‌کند که کدام بخش‌های حافظه در حال حاضر در حال استفاده هستند و توسط کدام فرآیند، فضای حافظه را به‌طور لازم تخصیص و آزاد می‌کند و تصمیم می‌گیرد که کدام فرآیندها (یا بخش‌هایی از فرآیندها) و داده‌ها را به داخل و خارج از حافظه منتقل کند. این اطمینان می‌دهد که از حافظه به‌طور کارآمد استفاده می‌شود و از تداخل فرآیندها با یکدیگر جلوگیری می‌کند.
مدیریت سیستم فایل. سیستم‌عامل مسئول ایجاد و حذف فایل‌ها و دایرکتوری‌ها، پشتیبانی از اصول اولیه برای دستکاری فایل‌ها و دایرکتوری‌ها، نگاشت فایل‌ها به ذخیره‌سازی انبوه و پشتیبان‌گیری از فایل‌ها بر روی رسانه‌های ذخیره‌سازی پایدار است. این فعالیت‌ها یک نمای منطقی و یکنواخت از ذخیره‌سازی اطلاعات برای کاربران فراهم می‌آورد.
6. مجازی‌سازی سخت‌افزار را انتزاع می‌کند
مجازی‌سازی یک فناوری است که به ما اجازه می‌دهد سخت‌افزار یک کامپیوتر واحد (CPU، حافظه، درایوهای دیسک، کارت‌های شبکه و غیره) را به چندین محیط اجرایی مختلف انتزاع کنیم.
ایجاد توهمات. مجازی‌سازی به ما اجازه می‌دهد سخت‌افزار یک کامپیوتر واحد را به چندین محیط اجرایی مختلف انتزاع کنیم و توهمی ایجاد کنیم که هر محیط بر روی یک کامپیوتر خصوصی خود اجرا می‌شود. این محیط‌ها می‌توانند به‌عنوان سیستم‌عامل‌های فردی مختلف که ممکن است به‌طور همزمان اجرا شوند و با یکدیگر تعامل داشته باشند، مشاهده شوند.
شبیه‌سازی در مقابل مجازی‌سازی. شبیه‌سازی شامل شبیه‌سازی سخت‌افزار کامپیوتر در نرم‌افزار است و معمولاً زمانی استفاده می‌شود که نوع CPU منبع با نوع CPU هدف متفاوت باشد. در مقابل، مجازی‌سازی اجازه می‌دهد که یک سیستم‌عامل که به‌طور بومی برای یک معماری CPU خاص کامپایل شده است، درون یک سیستم‌عامل دیگر که نیز بومی برای آن CPU است، اجرا شود.
مدیر ماشین مجازی (VMM). VMM سیستم‌عامل‌های مهمان را اجرا کرده، استفاده از منابع آن‌ها را مدیریت کرده و هر مهمان را از دیگری محافظت می‌کند. این سیستم خدمات و مدیریت منابع را به فرآیندهای ماشین مجازی ارائه می‌دهد و به چندین کاربر اجازه می‌دهد تا وظایف را بر روی سیستمی که برای یک کاربر طراحی شده است، اجرا کنند.
7. سیستم‌های توزیع‌شده منابع را به اشتراک می‌گذارند
یک سیستم توزیع‌شده مجموعه‌ای از سیستم‌های کامپیوتری فیزیکی جداگانه و ممکن است ناهمگن باشد که به‌هم پیوسته‌اند تا به کاربران دسترسی به منابع مختلفی که سیستم نگهداری می‌کند، فراهم کنند.
افزایش عملکرد. دسترسی به یک منبع مشترک سرعت محاسبات، عملکرد، در دسترس بودن داده‌ها و قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد. برخی از سیستم‌عامل‌ها دسترسی به شبکه را به‌عنوان یک نوع دسترسی به فایل تعمیم می‌دهند و جزئیات شبکه در درایور دستگاه رابط شبکه گنجانده شده است.
انواع شبکه. شبکه‌ها بر اساس پروتکل‌های استفاده‌شده، فاصله‌ها بین گره‌ها و رسانه‌های حمل و نقل متفاوت هستند. TCP/IP رایج‌ترین پروتکل شبکه است و معماری بنیادی اینترنت را فراهم می‌کند. شبکه‌ها بر اساس فاصله‌ها بین گره‌های خود، شامل LAN، WAN، MAN و PAN طبقه‌بندی می‌شوند.
سیستم‌عامل‌های شبکه. یک سیستم‌عامل شبکه، سیستمی است که ویژگی‌هایی مانند اشتراک‌گذاری فایل در سراسر شبکه را فراهم می‌کند و همچنین یک طرح ارتباطی که به فرآیندهای مختلف در کامپیوترهای مختلف اجازه می‌دهد تا پیام‌ها را تبادل کنند، ارائه می‌دهد. یک کامپیوتر که یک سیستم‌عامل شبکه را اجرا می‌کند، به‌طور مستقل از سایر کامپیوترها در شبکه عمل می‌کند.
8. ساختارهای داده هسته برای پیاده‌سازی سیستم‌عامل ضروری هستند
در این بخش، به‌طور مختصر چندین ساختار داده بنیادی که به‌طور گسترده در سیستم‌عامل‌ها استفاده می‌شوند، توصیف می‌کنیم.
آرایه‌ها و لیست‌ها. آرایه یک ساختار داده ساده است که در آن هر عنصر می‌تواند به‌طور مستقیم دسترسی پیدا کند. لیست‌ها شاید بنیادی‌ترین ساختارهای داده در علوم کامپیوتر باشند. در حالی که هر مورد در یک آرایه می‌تواند به‌طور مستقیم دسترسی پیدا کند، موارد در یک لیست باید به‌صورت خاصی دسترسی پیدا کنند.
پشته‌ها و صف‌ها. یک پشته یک ساختار داده به‌صورت ترتیبی است که از اصل آخرین ورودی، اولین خروجی (LIFO) برای افزودن و حذف موارد استفاده می‌کند. در مقابل، یک صف یک ساختار داده به‌صورت ترتیبی است که از اصل اولین ورودی، اولین خروجی (FIFO) استفاده می‌کند.
درخت‌ها و توابع هش. یک درخت یک ساختار داده است که می‌تواند برای نمایش داده‌ها به‌صورت سلسله‌مراتبی استفاده شود. یک تابع هش داده‌ها را به‌عنوان ورودی می‌گیرد، یک عملیات عددی بر روی داده‌ها انجام می‌دهد و یک مقدار عددی بازمی‌گرداند. این مقدار عددی می‌تواند به‌عنوان یک شاخص در یک جدول برای بازیابی سریع داده‌ها استفاده شود.
آخرین به‌روزرسانی::
نقد و بررسی
کتاب مفاهیم سیستم‌عامل نظرات متفاوتی را به خود جلب کرده است. بسیاری از خوانندگان به پوشش جامع موضوعات سیستم‌عامل در این کتاب اشاره می‌کنند، اما از سبک نوشتاری خشک و عمق ناهماهنگ آن انتقاد می‌کنند. برخی آن را دشوار و خسته‌کننده می‌یابند، در حالی که دیگران از توضیحات دقیق آن قدردانی می‌کنند. خوانندگان متوجه می‌شوند که محتوا به‌طور ناگهانی بین سطوح بالا و پایین جابه‌جا می‌شود. این کتاب به‌عنوان یک مرجع توصیه می‌شود، اما برای مطالعه‌ی خودآموز ایده‌آل نیست. برخی به متون جایگزین مانند آثار تاننباوم تمایل دارند. با وجود نقاط ضعف، این کتاب همچنان به‌عنوان یک منبع درسی پرکاربرد برای دوره‌های سیستم‌عامل شناخته می‌شود و برخی آن را برای درک مفاهیم اصلی مفید می‌دانند.
