نظام التشغيل

الموسوعة الحرة

في برمجة الحاسوب ، يُعرف نظام التشغيل ، أو ببساطة وقت التشغيل، بأنه نظام فرعي موجود في الحاسوب الذي يُنشأ فيه البرنامج، وكذلك في الحواسيب التي يُراد تشغيل البرنامج عليها. ويستمد هذا المصطلح من تقسيم وقت الترجمة ووقت التشغيل في اللغات المُترجمة ، والذي يميز بدوره بين عمليات الحاسوب المشاركة في إنشاء البرنامج (الترجمة) وتنفيذه على الجهاز المستهدف (وقت التشغيل). [ 1 ] أما بيئة وقت التشغيل (RTE) فهي السياق الذي يعمل فيه وقت التشغيل.

تحتوي معظم لغات البرمجة على نظام تشغيل يوفر بيئةً لتشغيل البرامج. قد تعالج هذه البيئة عددًا من المشكلات، بما في ذلك إدارة ذاكرة التطبيق ، وكيفية وصول البرنامج إلى المتغيرات ، وآليات تمرير المعاملات بين الإجراءات ، والتفاعل مع نظام التشغيل ، وغيرها. يعتمد المترجم على افتراضات معينة بناءً على نظام التشغيل المحدد لتوليد التعليمات البرمجية الصحيحة. عادةً ما يكون لنظام التشغيل مسؤولية إعداد وإدارة المكدس والكومة ، وقد يتضمن ميزات مثل جمع البيانات المهملة ، والخيوط ، أو غيرها من الميزات الديناميكية المدمجة في اللغة. [ 1 ]

ملخص

تحدد كل لغة برمجة نموذج تنفيذ ، وتُطبّق العديد منها جزءًا على الأقل من هذا النموذج في نظام التشغيل. ومن بين التعريفات الممكنة لسلوك نظام التشغيل، تعريف "أي سلوك لا يُعزى مباشرةً إلى البرنامج نفسه". ويشمل هذا التعريف وضع المعاملات على المكدس قبل استدعاء الدوال، والتنفيذ المتوازي للسلوكيات ذات الصلة، وعمليات الإدخال والإخراج على القرص .

بحسب هذا التعريف، تمتلك كل لغة برمجة تقريبًا نظام تشغيل، بما في ذلك اللغات المترجمة ، واللغات المفسرة ، واللغات المضمنة الخاصة بمجال معين . حتى نماذج التنفيذ المستقلة التي يتم استدعاؤها عبر واجهة برمجة التطبيقات ، مثل Pthreads ( خيوط POSIX )، تمتلك نظام تشغيل يُنفذ سلوك نموذج التنفيذ.

تركز معظم الأبحاث الأكاديمية حول أنظمة وقت التشغيل على تفاصيل تنفيذ أنظمة وقت التشغيل المتوازية. ومن الأمثلة البارزة على أنظمة وقت التشغيل المتوازية نظام Cilk ، وهو نموذج برمجة متوازية شائع. [ 2 ] وقد تم إنشاء مجموعة أدوات proto-runtime لتبسيط إنشاء أنظمة وقت التشغيل المتوازية. [ 3 ]

بالإضافة إلى سلوك نموذج التنفيذ، قد يقوم نظام وقت التشغيل أيضًا بتقديم خدمات دعم مثل فحص الأنواع ، وتصحيح الأخطاء ، أو توليد التعليمات البرمجية وتحسينها . [ 4 ]

مقارنة بين مفاهيم مشابهة لنظام وقت التشغيل
يكتبوصفأمثلة
بيئة التشغيلمنصة برمجية توفر بيئة لتنفيذ التعليمات البرمجيةNode.js ، .NET Framework ، StoffelVM [ 5 ]
محركمكون من مكونات بيئة التشغيل يقوم بتنفيذ التعليمات البرمجية عن طريق تجميعها أو تفسيرهامحرك جافا سكريبت في متصفحات الويب، آلة جافا الافتراضية
مترجمنوع من المحركات التي تقرأ وتنفذ التعليمات البرمجية سطرًا بسطر، دون تجميع البرنامج بأكمله مسبقًا.مترجم لغة بايثون ، وبرنامج Ruby MRI ، وجافا سكريبت (في بعض الحالات)
مترجم فورينوع من المفسرات التي تقوم بتحويل التعليمات البرمجية ديناميكيًا إلى تعليمات الآلة في وقت التشغيل، مما يحسن التعليمات البرمجية لتنفيذ أسرعV8 ، مترجم PyPy

العلاقة ببيئات وقت التشغيل

يُعد نظام التشغيل بمثابة البوابة التي يتفاعل من خلالها البرنامج قيد التشغيل مع بيئة التشغيل . لا تقتصر بيئة التشغيل على قيم الحالة المتاحة فحسب، بل تشمل أيضًا الكيانات النشطة التي يمكن للبرنامج التفاعل معها أثناء التنفيذ. على سبيل المثال، تُعد متغيرات البيئة من خصائص العديد من أنظمة التشغيل، وهي جزء من بيئة التشغيل؛ حيث يمكن للبرنامج قيد التشغيل الوصول إليها عبر نظام التشغيل. وبالمثل، تُعد الأجهزة المادية مثل الأقراص أو محركات أقراص DVD كيانات نشطة يمكن للبرنامج التفاعل معها عبر نظام التشغيل.

من التطبيقات الفريدة لبيئة التشغيل استخدامها ضمن نظام تشغيل لا يسمح إلا بتشغيلها. بمعنى آخر، من لحظة بدء التشغيل وحتى إيقاف التشغيل، يكون نظام التشغيل بأكمله مخصصًا للتطبيقات التي تعمل ضمن بيئة التشغيل هذه فقط. أي محاولة تشغيل لبرنامج آخر، أو أي عطل في التطبيقات، سيؤدي إلى تعطيل بيئة التشغيل. بدوره، يؤدي تعطيل بيئة التشغيل إلى تعطيل نظام التشغيل، مما يوقف جميع العمليات ويتطلب إعادة تشغيل الجهاز. إذا تم بدء التشغيل من ذاكرة للقراءة فقط، يتم إنشاء نظام آمن ومخصص لمهمة واحدة.

تتضمن أمثلة أنظمة وقت التشغيل المدمجة مباشرة ما يلي:

أمثلة

نظام التشغيل في لغة C عبارة عن مجموعة محددة من التعليمات التي يُدرجها المُصرّف في الملف التنفيذي. ومن بين وظائف هذه التعليمات إدارة مكدس العمليات، وإنشاء مساحة للمتغيرات المحلية، ونسخ معلمات استدعاء الدوال إلى أعلى المكدس.

غالبًا ما تفتقر اللغة إلى معايير واضحة لتحديد سلوكياتها التي تُعد جزءًا من نظام التشغيل نفسه، وتلك التي يُمكن تحديدها بواسطة أي برنامج مصدر مُحدد. على سبيل المثال، في لغة C، يُعد إعداد المكدس جزءًا من نظام التشغيل، ولا يتحدد بدلالات برنامج مُعين، لأن هذا السلوك ثابت عالميًا، أي أنه ينطبق على جميع عمليات التنفيذ. يُجسد هذا السلوك المنهجي نموذج تنفيذ اللغة ، على عكس تجسيد دلالات البرنامج المُحدد (حيث يُترجم النص مباشرةً إلى كود يُحسب النتائج).

ينعكس هذا الفصل بين دلالات برنامج معين وبيئة التشغيل في اختلاف طرق تجميع البرنامج: تجميع الشيفرة المصدرية إلى ملف كائن يحتوي على جميع الدوال، مقابل تجميع البرنامج بأكمله إلى ملف تنفيذي ثنائي. يحتوي ملف الكائن على شيفرة التجميع المتعلقة بالدوال المضمنة فقط، بينما يحتوي الملف التنفيذي الثنائي على شيفرة إضافية تُنفذ بيئة التشغيل. من جهة، قد يفتقر ملف الكائن إلى معلومات من بيئة التشغيل، والتي تُحل بالربط . ومن جهة أخرى، لا تزال الشيفرة في ملف الكائن تعتمد على افتراضات نظام التشغيل؛ فعلى سبيل المثال، قد تقرأ دالة ما معلمات من سجل أو موقع معين في المكدس، وذلك بحسب اصطلاح الاستدعاء المُستخدم في بيئة التشغيل.

مثال آخر هو استخدام واجهة برمجة التطبيقات (API) للتفاعل مع نظام التشغيل. تبدو استدعاءات واجهة برمجة التطبيقات هذه مماثلة لاستدعاءات مكتبة برمجية عادية ، إلا أن نموذج التنفيذ يتغير في مرحلة ما أثناء الاستدعاء. يُطبّق نظام التشغيل نموذج تنفيذ مختلفًا عن نموذج لغة البرمجة المستخدمة في كتابة المكتبة. يستطيع قارئ كود مكتبة عادية فهم سلوكها بمجرد معرفة لغة البرمجة المستخدمة في كتابتها. أما قارئ كود واجهة برمجة التطبيقات التي تستدعي نظام التشغيل، فلن يستطيع فهم سلوك استدعاء واجهة برمجة التطبيقات بمجرد معرفة لغة البرمجة المستخدمة في كتابة الاستدعاء. في مرحلة ما، ومن خلال آلية معينة، يتوقف نموذج التنفيذ عن كونه نموذج لغة البرمجة المستخدمة في كتابة الاستدعاء، ويتحول إلى نموذج التنفيذ الذي يُطبّقه نظام التشغيل. على سبيل المثال، تُعدّ تعليمة trap إحدى طرق تبديل نماذج التنفيذ. هذا الاختلاف هو ما يُميّز نموذج التنفيذ المُستدعى عبر واجهة برمجة التطبيقات، مثل Pthreads، عن نموذج التنفيذ الخاص بمكتبة برمجية عادية. يتم استدعاء كل من استدعاءات Pthreads واستدعاءات مكتبات البرامج عبر واجهة برمجة التطبيقات (API)، ولكن لا يمكن فهم سلوك Pthreads من خلال لغة الاستدعاء. بل إن استدعاءات Pthreads تُفعّل نموذج تنفيذ خارجي، يتم تنفيذه بواسطة نظام تشغيل Pthreads (وهذا النظام غالبًا ما يكون نواة نظام التشغيل).

كمثالٍ متطرف، يمكن اعتبار وحدة المعالجة المركزية (CPU) نفسها بمثابة تطبيق لنظام التشغيل الخاص بلغة تجميع محددة. من هذا المنظور، يتم تنفيذ نموذج التنفيذ بواسطة وحدة المعالجة المركزية وأنظمة الذاكرة. وبالمثل، يتم تنفيذ أنظمة التشغيل للغات البرمجة عالية المستوى باستخدام لغات أخرى. هذا يُنشئ تسلسلاً هرمياً لأنظمة التشغيل، حيث تعمل وحدة المعالجة المركزية نفسها - أو بالأحرى منطقها على مستوى الشفرة المصغرة أو ما دونه - كنظام تشغيل على أدنى مستوى.

ميزات متقدمة

تُوفّر بعض لغات البرمجة المُصرّفة أو المُفسّرة واجهةً تسمح لرمز التطبيق بالتفاعل مباشرةً مع نظام التشغيل. ومن الأمثلة على ذلك Threadفئة `input` في لغة جافا . تُمكّن هذه الفئة الكود (الذي يُدار بواسطة خيط واحد) من القيام بمهام مثل بدء وإيقاف خيوط أخرى. عادةً، لا يُمكن الوصول إلى الجوانب الأساسية لسلوك اللغة، مثل جدولة المهام وإدارة الموارد، بهذه الطريقة.

قد تتضمن السلوكيات عالية المستوى التي ينفذها نظام التشغيل مهامًا مثل رسم النصوص على الشاشة أو إنشاء اتصال بالإنترنت. غالبًا ما توفر أنظمة التشغيل هذه الأنواع من السلوكيات أيضًا، وعند توفرها، يُنفذ نظام التشغيل كطبقة تجريدية تُترجم استدعاء نظام التشغيل إلى استدعاء لنظام التشغيل. هذا يُخفي التعقيد أو الاختلافات في الخدمات التي تقدمها أنظمة التشغيل المختلفة. وهذا يعني أيضًا أنه يمكن اعتبار نواة نظام التشغيل نفسها نظام تشغيل، وأن مجموعة استدعاءات نظام التشغيل التي تستدعي سلوكيات نظام التشغيل يمكن اعتبارها تفاعلات مع نظام التشغيل.

في أقصى الحالات، قد يوفر نظام التشغيل خدمات مثل آلة P-code أو الآلة الافتراضية ، التي تخفي حتى مجموعة تعليمات المعالج . هذا هو النهج الذي تتبعه العديد من اللغات المفسرة مثل AWK ، وبعض اللغات مثل Java ، المصممة ليتم ترجمتها إلى رمز وسيط مستقل عن الآلة (مثل رمز البايت ). يُبسط هذا الترتيب مهمة تنفيذ اللغة وتكييفها مع مختلف الآلات، ويُحسّن كفاءة ميزات اللغة المتقدمة مثل البرمجة الانعكاسية . كما يسمح بتنفيذ البرنامج نفسه على أي آلة دون الحاجة إلى إعادة ترجمة صريحة، وهي ميزة اكتسبت أهمية بالغة منذ انتشار شبكة الإنترنت العالمية . ولتسريع التنفيذ، تتميز بعض أنظمة التشغيل بالترجمة الفورية إلى رمز الآلة.

من السمات الحديثة لأنظمة التشغيل سلوكيات التنفيذ المتوازي، مثل سلوكيات بنى mutex في Pthreads وبنى المقاطع المتوازية في OpenMP . ويمكن تقسيم نظام التشغيل الذي يتمتع بسلوكيات التنفيذ المتوازي هذه إلى وحدات نمطية وفقًا لمنهجية proto-runtime.

تاريخ

من الأمثلة المبكرة البارزة لأنظمة التشغيل المفسرات الخاصة بلغتي BASIC و Lisp . تضمنت هذه البيئات أيضًا جامعًا للبيانات المهملة . تُعد لغة Forth مثالًا مبكرًا للغة مصممة ليتم تجميعها إلى رمز تمثيلي وسيط؛ وكان نظام تشغيلها عبارة عن آلة افتراضية تُفسر هذا الرمز. ومن الأمثلة الشائعة الأخرى، وإن كانت نظرية، حاسوب MIX لدونالد كنوث .

في لغة C واللغات اللاحقة التي تدعم تخصيص الذاكرة الديناميكي، تضمن نظام وقت التشغيل أيضًا مكتبة تدير مجموعة ذاكرة البرنامج.

في لغات البرمجة الموجهة للكائنات ، كان نظام وقت التشغيل مسؤولاً في كثير من الأحيان عن التحقق الديناميكي من الأنواع وحل مراجع الأساليب.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 أهو، ألفريد ف .؛ لام، مونيكا سين-لينغ ؛ سيثي، رافي ؛ أولمان، جيفري ديفيد (2007). المترجمات: المبادئ والتقنيات والأدوات (الطبعة الثانية  ). بوسطن، ماساتشوستس، الولايات المتحدة الأمريكية: بيرسون للتعليم . ص 427. ISBN  978-0-321-48681-3يجب على المترجم أن يتعاون مع نظام التشغيل وبرامج النظام الأخرى لدعم هذه التجريدات على الجهاز المستهدف.
  2. ↑ بلوموف، روبرت ديفيد [بالألمانية] ؛ يورغ، كريستوفر ف.؛ كوزماول، برادلي س.؛ ليسرسون، تشارلز إي.؛ راندال، كيث هـ.؛ تشو، يولي (أغسطس 1995). "سيلك: نظام تشغيل متعدد الخيوط فعال". وقائع الندوة الخامسة لجمعية آلات الحوسبة SIGPLAN حول مبادئ وممارسات البرمجة المتوازية . جمعية آلات الحوسبة (ACM). الصفحات 207-216 . doi : 10.1145/209936.209958 . ISBN  9780897917001. S2CID 221936412 . 
  3. ↑ معهد أبحاث المصادر المفتوحة (2011). "مرحباً بكم في الصفحة الرئيسية لمجموعة أدوات Proto-Runtime" . مجموعة أدوات Proto-Runtime (PRT) . مؤرشف من الأصل بتاريخ 11 فبراير 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 يناير 2020 .
  4. ↑ أبيل، أندرو ويلسون (مايو 1989). "نظام وقت التشغيل" (ملف PDF) . جامعة برينستون . مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ 30 ديسمبر 2013. تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 ديسمبر 2013 .
  5. ↑ "تنفيذ StoffelVM" . وثائق Stoffel . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-01-2026 .
  6. ↑ "اطلع على الجديد في مكتبة تطبيقات CP/M لأجهزة IBM PC - عرض موفر للوقت - احصل على Concurrent CP/M مجانًا" (ملف PDF) (نشرة المنتج). باسيفيك غروف، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية: Digital Research, Inc. 1983. مؤرشف (PDF) من الأصل بتاريخ 11 فبراير 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 فبراير 2020. [...] يُسهّل SpeedStart استخدام برامجنا. جميع البرامج في مكتبة تطبيقات CP/M مُدمجة مع إصدار SpeedStart الجديد من نظام تشغيل CP/M مباشرةً على قرص البرنامج. كل ما عليك فعله لاستخدام هذه التطبيقات هو إدخال القرص في جهاز IBM PC الخاص بك ، وتشغيل النظام، وستكون جاهزًا للعمل. هذا يُغنيك عن تحميل نظام تشغيل منفصل، وتغيير الأقراص، وتشغيل برنامج التطبيقات. يوفر برنامج SpeedStart من مكتبة تطبيقات CP/M أيضًا ما يلي: [...] يوفر لك نسخة تشغيل مجانية من CP/M [...] يُغنيك عن تثبيت كل برنامج جديد [...] يمنحك التوافق مع نظام التشغيل القوي CP/M-86 ذي 16 بت من Digital Research ، ونظام التشغيل المتزامن CP/M المتطور متعدد المهام . [...]
  7. ↑ "شركة DRI تُصدر نسخة 128 كيلوبايت من برنامج Dr. Logo" (ملف PDF) . ملاحظات دقيقة - معلومات تقنية عن منتجات Digital Research . المجلد 2، العدد 2. باسيفيك غروف، كاليفورنيا، الولايات المتحدة الأمريكية: شركة Digital Research، مايو 1984. صفحة 4. NWS-106-002. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 11 فبراير 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 فبراير 2020. [...] ظهر برنامج Dr. Logo لأول مرة في سوق التجزئة في خريف عام 1983 لأجهزة IBM PC ، وتصدر قائمة Softsel Hot List . تضمن الإصدار المخصص للبيع بالتجزئة SpeedStart CP/M ، وهو إصدار مختصر من CP/M يبدأ التشغيل تلقائيًا عند تشغيل النظام. [...]   
  8. ↑ شركة الأبحاث الرقمية (فبراير 1984). "تقديم برنامج لجهاز IBM PC مع مكافأة قدرها 350 دولارًا!" . بايت (إعلان). المجلد 9، العدد 2، الصفحات 216-217 . تاريخ الاسترجاع: 22 أكتوبر 2013 .   
  9. ↑ شركة الأبحاث الرقمية (7 فبراير 1984). "تقديم برنامج لجهاز IBM PC مع مكافأة قدرها 350 دولارًا!" . مجلة PC (إعلان). المجلد 3، العدد 2. شركة PC Communications . الصفحات 50-51 . الرقم الدولي الموحد للدوريات 0745-2500 . مؤرشف من الأصل في 11 فبراير 2020. تم الاطلاع عليه في 11 فبراير 2020 .    
  10. ↑ شركة الأبحاث الرقمية (ديسمبر 1983). "نقدم لكم برنامجًا لأجهزة IBM PC مع مكافأة قدرها 350 دولارًا!" . مجلة PC (إعلان). المجلد 2، العدد 7. شركة PC Communications . الصفحات 306-307 . الرقم الدولي الموحد للدوريات 0745-2500 . مؤرشف من الأصل في 11 فبراير 2020. [...] نقدم لكم SpeedStart - نظام البرامج الحصري سهل الاستخدام. لا تقتصر مكتبة تطبيقات CP/M على تقديم أفضل برامج IBM PC ذات العلامات التجارية المعروفة فحسب ، بل يوفر كل تطبيق من تطبيقاتنا راحة لا مثيل لها بفضل نظام SpeedStart الحصري أحادي القرص. SpeedStart هو إصدار خاص من نظام التشغيل القوي CP/M-86 المدمج في كل قرص من أقراص برامجنا. عندما تكون مستعدًا للعمل، ما عليك سوى تحميل القرص، وتشغيل جهاز IBM PC الخاص بك، والانطلاق! يُغنيك برنامج SpeedStart عن مهمة تحميل قرص تشغيل منفصل ثم "تثبيت" البرنامج، وهي مهمة تستغرق وقتًا طويلاً. في الواقع، يُمكّنك نظام SpeedStart من العمل بشكل أسرع وأسهل من أي برنامج آخر متوفر اليوم. والأفضل من ذلك كله، أنه مُتاح لك مجانًا. علاوة على ذلك، يُمكن تجاوز SpeedStart لتشغيل البرامج تحت نظام تشغيل IBM PC المُستقبلي - نظام Concurrent CP/M الرائع متعدد المهام .    
  11. 1 2 3 كراوتر، توماس؛ بارنز، كريس جيه. (14-06-2006) [29-12-1999]. "GEM/4" . تطوير GEM . مؤرشف من الأصل في 16-03-2013 . تم الاسترجاع في 12-01-2020 . [...] تم تحديث نظام التشغيل Artline 2 إلى GEM/4 [...] تم إجراء جميع التغييرات على GEM/4 بالتعاون مع لي لورينزن ودون هيسكيل للحفاظ على التوافق مع برنامج Ventura Publisher . [...]
  12. ↑ إليوت، جون سي. (9 مايو 1999). "مقارنة بين GEM و ViewMAX" . Seasip.info . مؤرشف من الأصل في 7 نوفمبر 2016. تم الاطلاع عليه في 7 نوفمبر 2016 .
  13. ^ بول ماتياس ر. (13/04/1997) [1993]. DRDOS6UN.TXT — Zusammenfassung der documentierten und undomentierten Fähigkeiten von DR DOS 6.0 (باللغة الألمانية) (60 ed.). مؤرشفة من الأصلي بتاريخ 2016-11-07 . تم الاسترجاع 2016/11/07 . {{cite book}}تم |work=تجاهله ( مساعدة )
  14. ^ بول ماتياس ر. (1997-06-07) [1994]. NWDOS7UN.TXT — Zusammenfassung der documentierten und undomentierten Fähigkeiten von Novell DOS 7 (باللغة الألمانية) (85 ed.). مؤرشفة من الأصلي بتاريخ 2016-11-07 . تم الاسترجاع 2016/11/07 . {{cite book}}تم |work=تجاهله ( مساعدة )
  15. ↑ جورجيف، لوتشيزار إي. (2008-11-02). "نسخة التشغيل من 4DOS وBATCOMP وتشفير ملفات الدفعات" . أرشيف مجموعة أخبار Narkive . مجموعة الأخبار : comp.os.msdos.4dos . مؤرشف من الأصل في 2020-01-11 . تم الاسترجاع في 2020-01-11 . 

للمزيد من القراءة