ماهي تركيبة أنظمة التشغيل وبنية الحاسب
أنظمة التشغيل
يعتبر نظام التشغيل هو برنامج يعمل لأنظمة الكمبيوتر ، ويمكن أن يكون مفيدًا للعديد من الأشياء مثل: تعدد المهام ويسمح بفتح العديد من التطبيقات في وقت واحد، ومعالجة الأخطاء، حيث يشير إلى توقع واكتشاف وحل أخطاء البرمجة والتطبيق والاتصالات، وكذلك الأمان وكلمات المرور، ولن يتم تسريب أي معلومات، وضوابط الإدخال والإخراج والتحكم في الأجهزة الأخرى مثل الطابعات، كما يوجد المزيد من مزايا نظام التشغيل ولكن هذه ليست سوى بعض منها.
كما أنّ أنظمة التشغيل الأكثر شيوعًا هي: نظام التشغيل المشترك هو Windows و MAC OS و Linux و Android و UNIX و DOS. ومن بين أنظمة التشغيل الشائعة حاليا هناك لينكس وويندوز وماكوس، بالإضافة إلى نظام التشغيل Android و iOS و Blackberry للهواتف المحمولة. هناك أجهزة أخرى تحتوي على أنظمة تشغيل، مثل أجهزة التلفزيون الذكية والثلاجات الذكية. وبعض الأجهزة لا تحتاج إلى نظام تشغيل، حيث تقوم بالقيام بوظائف أساسية فقط، على سبيل المثال، مفاتيح الإضاءة لا تحتاج إلى وظائف معقدة بمجرد تشغيلها وإيقافها.
يتم تحميل برامج البدء في الذاكرة من ذاكرة القراءة فقط عند تشغيل الكمبيوتر لأول مرة، حيث يجب التأكد من وجود نظام التشغيل في الكمبيوتر وأن الأجهزة والمعالج والذاكرة الداخلية تعمل بشكل صحيح، وإذا لم توجد أية أخطاء، فسيتم تحميل نظام التشغيل في الذاكرة، وعند إيقاف تشغيل الكمبيوتر، سيتم حذف جميع البيانات التي تم تحميلها من الذاكرة (RAM)، ثم يتم تكرار نفس العملية عند تشغيل الكمبيوتر مرة أخرى.
معنى بنية الحاسب
تتكون بنية الكمبيوتر من القواعد والطرق والإجراءات التي تصف تنفيذ ووظائف نظام الكمبيوتر كلها، بصورة عامة، تشير بنية الكمبيوتر إلى كيفية تصميم نظام الكمبيوتر باستعمال تقنيات متوافقة، وقد يشير مصطلح الهندسة المعمارية في أدبيات الكمبيوتر إلى مستوى بنية النظام، وهو مصطلح أكثر توضيح لتنظيم مهام الآلة، كما يمكن لمستخدم الكمبيوتر استخدام هذا المصطلح بعدة طرق ولكن أقل دقة، وبحلول التسعينيات فقد تم بناء بنية الحاسب الجديدة وفحصها وتعديلها داخل بنية حاسب أخرى في محاكاة هندسة الحاسب، أو الجزء الداخلي من FPGA ليعمل كمعالج دقيق قبل أن تكون في شكل الأجهزة النهائي.
من مكونات بنية الحاسب
- وحدة معالجة مركزية.
- وحدة المنطق الحسابي (ALU).
- وحدة التحكم.
- وحدة ذاكرة.
وحدة معالجة مركزية: وتسمى وحدة المعالجة المركزية بـ(CPU) بـ “عقل الكمبيوتر” لأنها تتحكم في تشغيل جميع أجزاء الكمبيوتر، وتتكون من وحدتين: وحدة المنطق الحسابي (ALU) ووحدة التحكم.
وحدة المنطق الحسابي (ALU): ترسل البيانات التي يتم إدخالها في الحاسوب إلى الذاكرة العشوائية (RAM)، ثم يتم إرسالها بعد ذلك إلى وحدة المعالجة الحسابية المركزية (ALU)، حيث تتم معالجة البيانات الباقية، ويتم القيام بجميع أنواع المعالجات مثل المقارنات واتخاذ القرارات ومعالجة المعلومات غير الرقمية فيه، ثم يتم نقل البيانات مرة أخرى إلى الذاكرة العشوائية.
وحدة التحكم: يستخرج هذا الجزء من وحدة المعالجة المركزية التعليمات وينفذها ويحافظ عليها ويوجه عمليات النظام بأكمله، كما يشير الاسم.
وحدة ذاكرة: هذه هي الوحدة التي يتم فيها تخزين البيانات والتعليمات التي تم إدخالها في الحاسب، وكذلك يتم فيها تخزين النتائج التي يعرضها الحاسب، وتسمى وحدة التخزين باسم “باي.
ماهي تركيبة أنظمة التشغيل وبنية الحاسب
المقاطعات والمخازن
تُعَدُّ المقاطعات إشارة يتم إرسالها من جهاز أو برنامج إلى المعالج، مما يعني أن المعالج سيتوقف مؤقتًا خلال المقاطعة، ويمكن أن يحدث ذلك بسبب الأسباب التالية:
- يمكن لمحرك الأقراص استيعاب المزيد من البيانات.
- حدوث خطأ (على سبيل المثال: انحشار الورق في الطابعة).
- يتم الضغط على مفاتيح
. - حدوث خطأ في البرنامج.
- يمكن أن تحدث مشكلة في المخازن المؤقتة للتحميل بسبب بطء جهاز الإدخال، مما يتسبب في بطء جهاز الإخراج عن المعتاد.
نموذج فون نيومان
تم ابتكار نموذج فون نيومان من قبل عالم يدعى جون فون نيومان في عام 1945. تتألف أنظمة الكمبيوتر فون نيومان من خمسة مكونات رئيسية وهي: وحدة المعالجة المركزية (CPU)، وحدة الذاكرة، وحدة المنطق الحسابي، وأجهزة الإدخال والإخراج. تتصل هذه المكونات ببعضها البعض باستخدام نظام النقل، وتتألف مكونات نموذج فون نيومان من ما يلي
- وحدة الذاكرة أو MU هي وسيلة تخزين المعلومات (البيانات / البرامج).
- وحدة المعالجة هي معالجة المعلومات.
- – المدخلات هي الأجهزة التي تزود الكمبيوتر بالمعلومات، مثل لوحة المفاتيح والفأرة.
- الإخراج : – “الأجهزة التي تتلقى المعلومات من الكمبيوتر تشمل، على سبيل المثال، الطابعة والشاشة.
- وحدة التحكم : يجب التأكد من أن جميع الأجزاء الأخرى تؤدي مهامها بشكل صحيح وفي الوقت المناسب.
حافلات النظام الثلاثة هي كما يلي:
- ناقل العنوان: ينقل الإشارات المتعلقة بالعناوين بين المعالج والذاكرة، وهو أحادي الاتجاه، حيث تنتقل الإشارات في اتجاه واحد فقط.
- ناقل البيانات: تتم إرسال البيانات بين المعالج ووحدة الذاكرة وأجهزة الإدخال / الإخراج في كلا الاتجاهين (ذهابًا وإيابًا).
- ناقل التحكم: يحمل المباشر الذي يتعلق بالتحكم والتنسيق لجميع الأنشطة داخل الكمبيوتر، مثل العمليات القراءة والكتابة، ويعمل في كل اتجاهات بسبب الاتصالات الداخلية في هندسة الكمبيوتر.
تتم عملية تخزين عنوان البيانات في وحدة التحكم، ثم يتم إرسال العنوان إلى سجل عنوان الذاكرة (MAR) باستخدام وسيط التحكم. بعد ذلك، تقوم وحدة الذاكرة بإرسال البيانات إلى المعالج باستخدام وسيط البيانات لفك تشفيرها، ومن ثم يتم إرسالها مرة أخرى إلى وحدة الذاكرة باستخدام نفس الوسيط. بعد ذلك، يتم إرسال البيانات التي تم فك تشفيرها إلى الجهة الخارجية باستخدام وسيط البيانات.
تتبيّن خطوات نموذج فون نيومان في عملية القراءة فيما يلي:
- يتم إرسال عنوان البيانات المطلوبة عبر ناقل العنوان من المعالج، ثم يرسل المعالج إشارة قراءة عبر ناقل التحكم إلى الذاكرة.
- تنتقل البيانات من الذاكرة إلى المعالج عبر قناة البيانات.
- يقوم المعالج بفك تشفير البيانات وتنفيذها بعد ذلك.
- بينما تتبيّن خطوات عملية الكتابة في: يتم وضع عنوان الوجهة والمعالج البيانات في البداية على ناقل العنوان وناقل البيانات، ثم يرسل المعالج إشارة الكتابة عبر ناقل التحكم ويتم إرسال البيانات عبر ناقل البيانات.
- يستخدم ذاكرة التخزين المؤقت بهدف تخزين البيانات بشكل عالي السرعة.
- يتم تسجيل والاحتفاظ بالبيانات أو التعليمات خلال عملية المعالجة
- قام Accumulator بتسجيل العمليات الحسابية.
وظائف نظام تشغيل الكمبيوتر
- إدارة الذاكرة
- إدارة ذاكرة نظام التشغيل
- إدارة المهام أو العمليات
- إدارة التخزين
- الجهاز أو إدارة الإدخال / الإخراج
- الجدولة
إدارة الذاكرة : تتمثل إدارة الذاكرة في عملية إدارة ذاكرة الكمبيوتر المكونة من ذاكرة أساسية وثانوية، كما يتم تخصيص جزء من الذاكرة للبرامج وتحرير مساحة الذاكرة بعد استخدام البرامج.
إدارة ذاكرة نظام التشغيل : إدارة الذاكرة هي مهمة أساسية لنظام التشغيل المتعدد المهام، حيث يتطلب نظام التشغيل تحويل مساحة الذاكرة من عملية إلى أخرى، ويتطلب كل برنامج بعضا من المساحة في الذاكرة لتنفيذه، وتوفر وحدة إدارة الذاكرة هذه المساحة، ويتكون معالج الحاسوب من نوعين من وحدات الذاكرة
تنقسم الذاكرة في الحاسوب إلى الذاكرة الافتراضية والذاكرة الفعلية، حيث تشير الذاكرة الافتراضية إلى ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، وتشير الذاكرة الفعلية إلى القرص الصلب. ويقوم نظام التشغيل بإدارة عناوين الذاكرة الافتراضية، وتتم مراقبة تعيين الذاكرة الفعلية عن طريق عناوين الذاكرة الافتراضية.
إدارة المهام أو العمليات : تعتبر إدارة العملية هي مثيل لبرنامج يتم تنفيذه، حيث تتكون العملية من عدد من العناصر، مثل المعرف وعداد البرنامج ومؤشر الذاكرة وبيانات السياق وما إلى ذلك، والعملية هي في الواقع تنفيذ لتلك التعليمات، وكذلك المهام، حيث يتم تنفيذ عمليات متعددة في وقت واحد.
إدارة التخزين : تخزين البيانات هي وظيفة في نظام التشغيل تعنى بتخصيص الذاكرة، ويتألف النظام من أجهزة ذاكرة متعددة مثل الذاكرة العشوائية (RAM) والقرص الصلب وذاكرة التخزين المؤقت، وتحفظ التعليمات والبيانات في الذاكرة الأساسية أو التخزين المؤقت
تحدث البيانات التي يتم الرجوع إليها من خلال البرنامج الذي يعمل عليه، ومع ذلك، يتم فقدان هذه البيانات في حالة انقطاع التيار الكهربائي، وتعد الذاكرة الثانوية هي جهاز تخزين دائم، يخصصه نظام التشغيل لتخزين الملفات الجديدة وجدولة طلبات الوصول إليها.
الجهاز أو إدارة الإدخال / الإخراج : وحدة المعالجة المركزية والذاكرة الرئيسية في بنية الكمبيوتر هما أساس الكمبيوتر، ويتحكم فيهما من خلال الموارد المستخدمة للإدخال والإخراج. يتفاعل الأشخاص مع الأجهزة عن طريق توفير المعلومات عبر واجهات الإدخال/الإخراج، مثل الشاشات ولوحات المفاتيح والطابعات والماوس. تؤثر إدارة هذه الأجهزة على سرعة نقل البيانات، ولذلك، يكون إدارة مدخلات ومخرجات النظام هي المسؤولية الرئيسية لنظام التشغيل.
الجدولة : جدولة العمليات بواسطة نظام التشغيل تعني التحكم في الرسائل المرسلة إلى المعالج وتحديد أولوياتها، ويقوم نظام التشغيل بتوزيع العمل بشكل متوازن على المعالج، مما يضمن أداء مستقرا، وبناء على ذلك، يتم الانتهاء من كل عملية في وقت محدد. لذا، فإن جدولة العمليات هامة جدا في أنظمة الوقت الفعلي، وتتكون المنظمون في الغالب من ثلاثة أنواع وهي كالتالي
- جدولة طويلة المدى.
- جدولة قصيرة المدى.
- جدول متوسط المدى.