برنامج تشغيل الجهاز

برنامج تشغيل الجهاز هو برنامج يقوم بتشغيل أو التحكم في نوع معين من الأجهزة المتصلة بجهاز الكمبيوتر . ^{[ 1 ]} يوفر برنامج التشغيل واجهة برمجية لأجهزة الأجهزة ، مما يتيح للبرامج الأخرى الوصول إلى وظائف الأجهزة دون الحاجة إلى معرفة تفاصيل دقيقة عنها.

يتواصل برنامج التشغيل مع الجهاز عبر ناقل البيانات أو نظام الاتصالات الفرعي الذي يتصل به الجهاز. عندما يستدعي برنامجٌ ما روتينًا في برنامج التشغيل ، يُصدر برنامج التشغيل أوامر إلى الجهاز (يُشغّله). بمجرد أن يُرسل الجهاز البيانات إلى برنامج التشغيل، قد يستدعي برنامج التشغيل روتينات في البرنامج الأصلي الذي استدعاه.

تعتمد برامج التشغيل على مكونات الجهاز ونظام التشغيل. وهي عادةً ما توفر معالجة المقاطعات اللازمة لأي واجهة أجهزة غير متزامنة تعتمد على الوقت. ^{[ 2 ]}

يتمثل الغرض الرئيسي من برامج تشغيل الأجهزة في توفير تجريد للأجهزة من خلال العمل كوسيط بين جهاز مادي والتطبيقات أو أنظمة التشغيل التي تستخدمه. ^{[ 1 ]} يمكن للمبرمجين كتابة تعليمات برمجية عالية المستوى للتطبيقات بشكل مستقل عن نوع الأجهزة التي يستخدمها المستخدم النهائي.

على سبيل المثال، قد يحتوي تطبيق عالي المستوى للتفاعل مع منفذ تسلسلي على وظيفتين فقط لإرسال البيانات واستقبالها . وعلى مستوى أدنى، يتواصل برنامج تشغيل الجهاز الذي يُنفذ هاتين الوظيفتين مع وحدة تحكم المنفذ التسلسلي المُثبتة على جهاز المستخدم. تختلف الأوامر اللازمة للتحكم في وحدة UART 16550 اختلافًا كبيرًا عن الأوامر اللازمة للتحكم في محول USB إلى منفذ تسلسلي ، ولكن كل برنامج تشغيل جهاز خاص بالأجهزة يُجرّد هذه التفاصيل في واجهة برمجية واحدة (أو واجهة مشابهة).

يتطلب كتابة برنامج تشغيل جهاز فهمًا معمقًا لكيفية عمل المكونات المادية والبرمجية لوظيفة منصة معينة . ولأن برامج التشغيل تتطلب وصولًا مباشرًا إلى وظائف المكونات المادية لكي تعمل، فإنها عادةً ما تعمل في بيئة ذات صلاحيات عالية ، وقد تتسبب في مشاكل تشغيلية للنظام في حال حدوث أي خلل. في المقابل، يمكن إيقاف أي خلل في معظم برامج مستوى المستخدم على أنظمة التشغيل الحديثة دون التأثير بشكل كبير على بقية النظام. حتى برامج التشغيل التي تعمل في وضع المستخدم قد تتسبب في تعطل النظام إذا تمت برمجة الجهاز بشكل خاطئ . هذه العوامل تجعل تشخيص المشاكل أكثر صعوبة وخطورة. ^{[ 3 ]}

لذا، تقع مهمة كتابة برامج التشغيل عادةً على عاتق مهندسي البرمجيات أو الحاسوب العاملين في شركات تطوير الأجهزة. ويعود ذلك إلى امتلاكهم، بصفتهم موظفين، معلوماتٍ أفضل من معظم غير المتخصصين حول تصميم الأجهزة. علاوةً على ذلك، كان يُعتبر من مصلحة مُصنِّع الأجهزة تقليديًا ضمان استخدام عملائه لأجهزتهم على النحو الأمثل. في العادة، يتولى مُورِّد نظام التشغيل كتابة الجزء الخاص بتجريد الأجهزة من برنامج التشغيل، بينما يتولى مُورِّد الجهاز تنفيذ الجزء الخاص بالوصول المادي إلى الجهاز على مستوى أدنى. مع ذلك، في السنوات الأخيرة، قام مُصنِّعون من جهات غير مُورِّدة بكتابة العديد من برامج تشغيل الأجهزة الاحتكارية، لا سيما للاستخدام مع أنظمة التشغيل المجانية والمفتوحة المصدر . في مثل هذه الحالات، من المهم أن يُقدِّم مُورِّد الجهاز معلوماتٍ حول كيفية تواصل الجهاز. على الرغم من إمكانية الحصول على هذه المعلومات من خلال الهندسة العكسية ، إلا أن ذلك أصعب بكثير مع الأجهزة منه مع البرمجيات.

يستخدم نظام التشغيل ويندوز مزيجًا من برامج التشغيل وبرامج التشغيل المصغرة، حيث يتم توفير برنامج تشغيل الفئة/المنفذ الكامل مع نظام التشغيل، بينما يتم تطوير برامج تشغيل الفئة/المنفذ المصغرة من قبل الموردين، وتُنفذ مجموعة فرعية خاصة بالأجهزة أو الوظائف من حزمة برامج التشغيل الكاملة. ^{[ 4 ]} يُستخدم نموذج المنفذ المصغر في برامج تشغيل NDIS و WDM و WDDM و WaveRT و StorPort و WIA و HID ؛ حيث يستخدم كل منها واجهات برمجة تطبيقات خاصة بالجهاز، ومع ذلك يتطلب من المطور التعامل مع مهام إدارة الجهاز.

سعت مايكروسوفت إلى الحد من عدم استقرار النظام الناتج عن برامج تشغيل الأجهزة ذات التصميم الرديء، وذلك من خلال إنشاء إطار عمل جديد لتطوير برامج التشغيل، يُسمى إطار عمل برامج تشغيل ويندوز (WDF). يتضمن هذا الإطار إطار عمل برامج تشغيل وضع المستخدم (UMDF) الذي يشجع على تطوير أنواع معينة من برامج التشغيل - وخاصة تلك التي تُنفذ بروتوكولًا قائمًا على الرسائل للتواصل مع أجهزتها - كبرامج تشغيل في وضع المستخدم. في حال تعطل هذه البرامج، فإنها لا تُسبب عدم استقرار النظام. أما نموذج إطار عمل برامج تشغيل وضع النواة (KMDF) فيُتيح تطوير برامج تشغيل الأجهزة في وضع النواة، ولكنه يسعى إلى توفير تطبيقات قياسية للوظائف المعروفة بتسببها في مشاكل، بما في ذلك إلغاء عمليات الإدخال/الإخراج، وإدارة الطاقة، ودعم التوصيل والتشغيل للأجهزة.

لدى شركة آبل إطار عمل مفتوح المصدر لتطوير برامج التشغيل على نظام macOS ، ويسمى I/O Kit.

في بيئات لينكس، يستطيع المبرمجون بناء برامج تشغيل الأجهزة كجزء من النواة ، أو بشكل منفصل كوحدات قابلة للتحميل ، أو كبرامج تشغيل في وضع المستخدم لأنواع معينة من الأجهزة التي تتوفر لها واجهات نواة، مثل أجهزة USB. تتضمن أداة Makedev قائمة بالأجهزة في لينكس، بما في ذلك ttyS (طرفية)، وlp ( منفذ متوازي )، وhd (قرص)، وloop، وsound (تشمل هذه الأجهزة الخلاط ، والمُسلسل ، ومعالج الإشارات الرقمية ، والصوت). ^{[ 5 ]}

يمكن أن تحتوي ملفات .sys الخاصة بنظام التشغيل مايكروسوفت ويندوز وملفات .ko الخاصة بنظام التشغيل لينكس على برامج تشغيل أجهزة قابلة للتحميل. وتكمن ميزة برامج تشغيل الأجهزة القابلة للتحميل في إمكانية تحميلها عند الحاجة فقط ثم إلغاء تحميلها، مما يوفر مساحة في ذاكرة النواة.

بحسب نظام التشغيل، قد يُسمح لبرامج تشغيل الأجهزة بالعمل بمستويات صلاحيات مختلفة . ويُحدد نوع نواة النظام المستخدم مستوى صلاحيات برامج التشغيل إلى حد كبير. فنظام التشغيل الذي يستخدم نواة متجانسة ، مثل نواة لينكس ، يُشغّل برامج تشغيل الأجهزة عادةً بنفس صلاحيات جميع عناصر النواة الأخرى. في المقابل، يُشغّل النظام المصمم حول نواة مصغرة ، مثل مينيكس ، برامج التشغيل كعمليات مستقلة عن النواة، ولكنها تستخدم برامج التشغيل لوظائف الإدخال والإخراج الأساسية . ^{[ 6 ]} أما في نظام ويندوز إن تي ، وهو نظام ذو نواة هجينة ، فمن الشائع أن تعمل برامج تشغيل الأجهزة إما في وضع النواة أو وضع المستخدم . ^{[ 7 ]}

تُعدّ حلقات الحماية الآلية الأكثر شيوعًا لفصل الذاكرة إلى مستويات امتياز مختلفة . في العديد من الأنظمة، مثل تلك التي تستخدم معالجات x86 و ARM ، يُؤدي التبديل بين الحلقات إلى انخفاض الأداء، وهو عامل يأخذه مطورو أنظمة التشغيل ومهندسو البرمجيات المدمجة في الاعتبار عند إنشاء برامج تشغيل للأجهزة، مثل بطاقات واجهة الشبكة ، التي تُفضّل العمل بزمن استجابة منخفض. تتمثل الفائدة الرئيسية لتشغيل برنامج التشغيل في وضع المستخدم في تحسين الاستقرار، حيث لا يُمكن لبرنامج تشغيل جهاز مكتوب بشكل سيئ في وضع المستخدم أن يُسبب تعطل النظام عن طريق الكتابة فوق ذاكرة النواة. ^{[ 8 ]}

تشمل مستويات التجريد الشائعة لبرامج تشغيل الأجهزة ما يلي:

• بالنسبة للأجهزة:
  • التفاعل المباشر
  • الكتابة إلى سجل التحكم بالجهاز أو القراءة منه
  • باستخدام واجهة ذات مستوى أعلى (مثل واجهة BIOS للفيديو )
  • استخدام برنامج تشغيل جهاز آخر منخفض المستوى (مثل برامج تشغيل نظام الملفات التي تستخدم برامج تشغيل الأقراص)
  • محاكاة العمل باستخدام الأجهزة، أثناء القيام بشيء مختلف تمامًا ^{[ 9 ]}
• بالنسبة للبرامج:
  • السماح لنظام التشغيل بالوصول المباشر إلى موارد الأجهزة
  • تنفيذ العناصر الأساسية فقط
  • تنفيذ واجهة لبرامج غير برامج التشغيل (مثل TWAIN )
  • تنفيذ لغة برمجة، وأحيانًا تكون لغة عالية المستوى (مثل PostScript )

بسبب تنوع العصر الحديثتعمل برامج التشغيل، التي تشمل الأجهزة وأنظمة التشغيل، في بيئات مختلفة. ^{[ 10 ]} قد تتفاعل برامج التشغيل مع:

• الطابعات
• محولات الفيديو
• بطاقات الشبكة
• بطاقات الصوت
• شرائح الكمبيوتر الشخصي
• إدارة الطاقة والبطارية
• الحافلات المحلية بمختلف أنواعها - وخاصةً لإتقان استخدام الحافلات في الأنظمة الحديثة
• ناقلات الإدخال/الإخراج ذات النطاق الترددي المنخفض من أنواع مختلفة ( لأجهزة التأشير مثل الفأرات ولوحات المفاتيح وما إلى ذلك).
• أجهزة تخزين الكمبيوتر مثل القرص الصلب ، وقرص CD-ROM ، وناقلات الأقراص المرنة ( ATA ، SATA ، SCSI ، SAS )
• تنفيذ دعم أنظمة الملفات المختلفة
• الماسحات الضوئية للصور
• الكاميرات الرقمية
• أجهزة استقبال البث التلفزيوني الرقمي الأرضي
• محولات أجهزة الإرسال والاستقبال للاتصالات بترددات الراديو لشبكات المناطق الشخصية اللاسلكية المستخدمة للاتصالات اللاسلكية قصيرة المدى ومنخفضة المعدل في أتمتة المنزل (على سبيل المثال Bluetooth Low Energy (BLE) و Thread و Zigbee و Z-Wave ).
• محولات الأشعة تحت الحمراء

لذا فإن اختيار وتثبيت برامج تشغيل الأجهزة الصحيحة للأجهزة المحددة غالباً ما يكون عنصراً أساسياً في تكوين نظام الكمبيوتر. ^{[ 11 ]}

تُمثل برامج تشغيل الأجهزة الافتراضية نوعًا خاصًا من برامج تشغيل الأجهزة. تُستخدم هذه البرامج لمحاكاة جهاز مادي، لا سيما في بيئات المحاكاة الافتراضية ، على سبيل المثال، عند تشغيل نظام تشغيل ضيف على مضيف Xen . ^{[ 12 ]} فبدلاً من تمكين نظام التشغيل الضيف من التحكم في الجهاز المادي، تُحاكي برامج تشغيل الأجهزة الافتراضية قطعةً من الجهاز، بحيث يُمكن لنظام التشغيل الضيف وبرامج تشغيله العاملة داخل جهاز افتراضي أن يتوهم الوصول إلى جهاز مادي حقيقي. تُوجّه محاولات نظام التشغيل الضيف للوصول إلى الجهاز المادي إلى برنامج تشغيل الجهاز الافتراضي في نظام التشغيل المضيف. كما يُمكن لبرنامج تشغيل الجهاز الافتراضي إرسال أحداث مُحاكاة متعلقة بالأجهزة، مثل المقاطعات، إلى الجهاز الافتراضي.

قد تعمل الأجهزة الافتراضية أيضًا في بيئة غير افتراضية. على سبيل المثال، يُستخدم محول الشبكة الافتراضي مع الشبكة الخاصة الافتراضية ، بينما يُستخدم جهاز القرص الافتراضي مع بروتوكول iSCSI . ومن الأمثلة الجيدة على برامج تشغيل الأجهزة الافتراضية برنامج Daemon Tools .

توجد عدة أنواع من برامج تشغيل الأجهزة الافتراضية، مثل VxDs و VLMs و VDDs.

• برنامج تشغيل جهاز الرسومات
• الطابعات: أكواب
• أنظمة RAID: CCISS ^{[ 13 ]} (واجهة أوامر Compaq لدعم SCSI-3 ^{[ 14 ]} )
• أجهزة المسح الضوئي: SANE
• فيديو: فيديكس ، بنية تحتية للعرض المباشر

وصف برامج تشغيل الأجهزة الشائعة الاستخدام في نظام سولاريس :

• fas: وحدة تحكم SCSI سريعة/واسعة
• hme:  إيثرنت سريع (10/100 ميجابت/ثانية)
• مزود خدمة الإنترنت: وحدات تحكم SCSI التفاضلية وبطاقة SunSwift
• glm: (وحدة ربط جيجابود ^{[ 15 ]} ) وحدات تحكم UltraSCSI
• SCSI: أجهزة واجهة الاتصال التسلسلي للحاسوب الصغير (SCSI)
• sf: soc+ أو حلقة تحكيم قناة الألياف الاجتماعية (FCAL)
• soc: وحدات تحكم مصفوفة تخزين SPARC (SSA) وجهاز التحكم
• اجتماعي: وحدات تحكم بصرية تسلسلية لـ FCAL (soc+)

• نموذج برنامج تشغيل شاشة ويندوز (WDDM) - بنية برنامج تشغيل شاشة العرض الرسومية لنظام التشغيل ويندوز فيستا والإصدارات الأحدث.
• نموذج الصوت الموحد (UAM) ^{[ 16 ]}
• مؤسسة برامج تشغيل ويندوز (WDF)
• برنامج تشغيل الأجهزة المكونة التصريحية (DCH) - برنامج تشغيل منصة ويندوز العالمية ^{[ 17 ]}
• نموذج برنامج تشغيل ويندوز (WDM)
• مواصفات واجهة برنامج تشغيل الشبكة (NDIS) - واجهة برمجة تطبيقات قياسية لبرنامج تشغيل بطاقة الشبكة
• بنية الصوت المتقدمة لنظام لينكس (ALSA) – واجهة برنامج تشغيل الصوت القياسية لنظام لينكس
• برنامج الوصول السهل الآن إلى الماسح الضوئي (SANE) - واجهة متاحة للجميع لأجهزة الماسح الضوئي للصور النقطية
• نظام الملفات القابل للتثبيت (IFS) - واجهة برمجة تطبيقات لنظام الملفات لأنظمة التشغيل IBM OS/2 و Microsoft Windows NT
• واجهة ربط البيانات المفتوحة (ODI) – واجهة برمجة تطبيقات لبطاقة الشبكة مشابهة لـ NDIS
• واجهة تعريف موحدة (UDI) – مشروع واجهة تعريف متعددة المنصات
• إطار عمل Dynax Driver (dxd) - إطار عمل مفتوح المصدر متعدد المنصات مكتوب بلغة C++ لبرامج تشغيل KMDF و IOKit ^{[ 18 ]}

يُعرَّف الجهاز على ناقل PCI أو USB بواسطة مُعرِّفين، كلٌّ منهما يتألف من بايتين . يُحدِّد مُعرِّف المُورِّد الشركة المُصنِّعة للجهاز، بينما يُحدِّد مُعرِّف الجهاز جهازًا مُحدَّدًا من تلك الشركة المُصنِّعة/المُورِّدة.

غالباً ما يحتوي جهاز PCI على زوج معرفات للشريحة الرئيسية للجهاز، وكذلك زوج معرفات النظام الفرعي الذي يحدد البائع، والذي قد يختلف عن الشركة المصنعة للشريحة.

غالباً ما تحتوي أجهزة الكمبيوتر على العديد من برامج تشغيل الأجهزة المتنوعة والمخصصة التي تعمل في نواة نظام التشغيل الخاص بها، والتي غالباً ما تحتوي على العديد من الأخطاء والثغرات الأمنية ، مما يجعلها هدفاً للاستغلال . ^{[ 19 ]}يقوم مهاجم " إحضار برنامج تشغيل خاص به قابل للاختراق " (BYOVD) بتثبيت أي برنامج تشغيل قديم موقّع من طرف ثالث يحتوي على ثغرات أمنية معروفة تسمح بإدخال برمجيات خبيثة في نواة النظام. ^{[ 20 ]} تشمل برامج التشغيل التي قد تكون عرضة للاختراق برامج تشغيل الواي فاي والبلوتوث، ^{[ 21 ] [ 22 ]} وبرامج تشغيل الألعاب/الرسومات، ^{[ 23 ]} وبرامج تشغيل الطابعات. ^{[ 24 ]}

يوجد نقص في أدوات الكشف الفعّالة عن ثغرات نواة النظام، لا سيما لأنظمة التشغيل مغلقة المصدر مثل مايكروسوفت ويندوز ^{[ 25 ]،} حيث يكون رمز المصدر لبرامج تشغيل الأجهزة في الغالب ملكية خاصة وغير متاح للفحص ^{[ 26 ]} ، وغالبًا ما تتمتع برامج التشغيل بصلاحيات واسعة ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] .}

تعتبر مجموعة من باحثي الأمن أن غياب العزل أحد العوامل الرئيسية التي تقوض أمن النواة ، ^{[ 31 ]} وقد نشروا إطار عمل للعزل لحماية نواة أنظمة التشغيل، ولا سيما نواة لينكس المتجانسة التي يقولون إن برامج تشغيلها تتلقى حوالي 80,000 تحديث سنويًا. ^{[ 32 ] [ 33 ]}

• مركز تطوير أجهزة ويندوز
• قوائم توافق الأجهزة مع نظام لينكس وبرامج تشغيل لينكس
• فهم برامج تشغيل الأجهزة الحديثة (لينكس)
• BinaryDriverHowto, Ubuntu.
• مصدر برامج تشغيل لينكس