تعريف نظام التشغيل

يُعد نظام التشغيل الطبقة الأساسية التي تربط بين أجهزة الحاسوب والمستخدمين، إذ يدير موارد الأجهزة والبرمجيات ويقدم خدمات موحدة للتطبيقات. يعمل نظام التشغيل على تنظيم تخصيص الموارد، إدارة العمليات، إدارة الذاكرة، صيانة نظام الملفات، وتوفير واجهات الاستخدام، حيث يُبسّط العمليات المعقدة للأجهزة إلى واجهات عملية تتيح سهولة الاستفادة من موارد الحاسوب. تطورت منصات أنظمة التشغيل، من أنظمة الدُفعات الأولى إلى الأنظمة الموزعة الحديثة، لتصبح ركناً أساسياً لا غنى عنه في بيئات الحوسبة الراهنة.

الخلفية: نشأة أنظمة التشغيل

بدأت فكرة أنظمة التشغيل في خمسينيات القرن العشرين، إذ كانت البرامج في البداية تُشغّل بشكل مباشر على الأجهزة دون وجود طبقة موحدة تدير الموارد وتنسق استخدامها.

• ظهر الجيل الأول من أنظمة التشغيل في عصر الحواسيب الرئيسية كنظم معالجة دفعات، مثل OS/360 من IBM.
• وفي ستينيات القرن الماضي، ساهمت أنظمة مشاركة الوقت في انتقال أنظمة التشغيل إلى بيئات متعددة المستخدمين وتفاعلية.
• ومع انتشار الحواسيب الشخصية، ساعدت MS-DOS من Microsoft وMac OS من Apple في ترسيخ أنظمة التشغيل المكتبية بين المستخدمين.
• وفي عام 1991، أنشأ Linus Torvalds نواة Linux، وفتح بذلك المجال أمام أنظمة التشغيل مفتوحة المصدر.
• وفي عصر الإنترنت المتنقل، أصبحت Android وiOS أنظمة التشغيل الأساسية للأجهزة المحمولة.

انتقلت أنظمة التشغيل من برامج تحميل بسيطة إلى منصات متقدمة لإدارة الموارد، مما يعكس تطور تقنيات الحوسبة.

آلية العمل: طريقة عمل أنظمة التشغيل

تعمل أنظمة التشغيل على مستوى الأجهزة عبر هيكلية متعددة الطبقات:

• طبقة النواة: القلب الأساسي للنظام، تدير الموارد الحيوية

  • إدارة العمليات: إنشاء وجدولة وإنهاء العمليات، وتنظيم تعدد المهام
  • إدارة الذاكرة: تخصيص واسترجاع مساحة الذاكرة، وتطبيق أنظمة الذاكرة الافتراضية
  • إدارة الأجهزة: التحكم في أجهزة الإدخال/الإخراج، وتوفير واجهات التعريفات
  • نظام الملفات: تنظيم وإدارة تخزين البيانات الدائمة

• واجهة نداء النظام: تقدم واجهات موحدة للتطبيقات للوصول إلى الموارد

• طبقة واجهة المستخدم: تشمل واجهة الأوامر النصية (CLI) أو واجهة المستخدم الرسومية (GUI)

تستخدم أنظمة التشغيل آليات المقاطعات لمعالجة أحداث الأجهزة ونداءات النظام، وتقوم بجدولة وقت وحدة المعالجة المركزية باستخدام خوارزميات جدولة العمليات، وتطبق آليات الحماية لعزل العمليات بين التطبيقات والمستخدمين، ما يضمن أمان واستقرار النظام.

المخاطر والتحديات التي تواجه أنظمة التشغيل

رغم تطور تكنولوجيا أنظمة التشغيل، إلا أن هناك تحديات مستمرة:

• التهديدات الأمنية

  • استغلال ثغرات النظام للوصول غير المصرح به أو تنفيذ هجمات
  • هجمات تصعيد الامتيازات التي تهدد السيطرة على النظام
  • إصابة الأنظمة بالبرمجيات الخبيثة عبر ثغرات أنظمة التشغيل

• الأداء وإدارة الموارد

  • تحسين جدولة الموارد في بيئات التطبيقات المعقدة
  • الموازنة بين توسيع الإمكانيات وزيادة الحمل على النظام

• التوافق والتوحيد القياسي

  • مشاكل توافق تعريفات الأجهزة
  • صعوبة نقل التطبيقات بين منصات أنظمة التشغيل المختلفة

• مواكبة التقنيات الحديثة

  • التغييرات الهيكلية الناتجة عن تقنيات الافتراضية والحاويات
  • متطلبات أنظمة التشغيل الخفيفة لأجهزة إنترنت الأشياء
  • احتياجات جديدة لمعالجة الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة

تدفع هذه التحديات أنظمة التشغيل نحو مزيد من التطور في اتجاهات أكثر أماناً وكفاءة وذكاءً.

تشكل أنظمة التشغيل أساس البنية التحتية في بيئات الحوسبة، فهي تدير موارد الأجهزة، وتوفر منصات تشغيل التطبيقات، وتمثل واجهة التفاعل للمستخدمين. ومع تقدم الحوسبة نحو السحابة، الحوسبة الطرفية، وإنترنت الأشياء، تواصل أنظمة التشغيل تبني تقنيات النواة المصغرة والافتراضية لتلائم البيئات الحديثة. في المستقبل، سيزداد تركيز أنظمة التشغيل على الأمن، قابلية التوسع، والذكاء، لتظل الجسر بين الأجهزة والبرمجيات، وتدعم تطور التطبيقات المبتكرة.