توفر أنظمة التشغيل الحاسوبية (OSes) مجموعة من الوظائف المطلوبة والمستخدمة في معظم برامج وتطبيقات الكمبيوتر، والروابط اللازمة للتحكم في أجهزة الكمبيوتر ومزامنتها.
على أجهزة الكمبيوتر الأولى والتي كانت بدون نظام التشغيل، كل برنامج يحتاج مواصفات الأجهزة الكاملة لتشغيله بشكل صحيح وأداء المهام القياسية، وبرامج التشغيل الخاصة بها للأجهزة الطرفية مثل الطابعات واللكمات القراء بطاقة الورق. ولن التعقيد المتزايد من الأجهزة وتطبيقات البرامج جعلت في نهاية المطاف أنظمة التشغيل ضرورة للاستخدام اليومي.
خلفية تاريخية
كانت أجهزة الكمبيوتر الأولى هي مين فريم Mainframed تفتقر إلى أي شكل من أشكال نظام التشغيل. كان لكل مستخدم استخدام وحيد للجهاز لفترة زمنية محددة، ويتم تحميل البرنامج في الجهاز، وسيتم تعيين الجهاز للعمل حتى اكتمال البرنامج أو تحطمه. يمكن عموما تصحيح البرامج من خلال لوحة تحكم باستخدام لوحة التحكم وتبديل مفاتيح وأضواء اللوحة. تم تطوير لغات الترميز مثل لغة الاسمبلي assembly ولغة الكمبيلر compiler للمبرمجين ليقوموا بترجمة اكواد البرامج إلى لغة الآلة machine languge التي كانت سابقا مشفرة يدويا. الآلات فيما بعد أصبحت مدعومة بواسطة مكتبات Libraries على كروت مثقوبة أو شريط ممغنط، والتي يتم ربطها ببرنامج المستخدم للمساعدة في عمليات مثل المدخلات والمخرجات. وكان هذا هو نشأة نظام التشغيل الحديث. ومع ذلك، لا تزال الآلات تؤدي وظيفة واحدة في وقت واحد.
مين فريم أو الحاسوب الضخم
وكان أول نظام تشغيل يستخدم للعمل الحقيقي هو GM-NAA I/O، الذي أنتج في عام 1956 من قبل قسم بحوث جنرال موتورز، من أجل أي بي أم 704 (IBM 704). كما تم إنتاج معظم أنظمة التشغيل الأخرى لأجهزة آي بي إم الرئيسية من قبل العملاء.[1][2][3]
وكانت أنظمة التشغيل المبكرة متنوعة جدا، حيث قام كل بائع أو عميل بإنتاج نظام تشغيل واحد أو أكثر خاص بالكمبيوتر الرئيسي الخاص به. يمكن أن يكون لكل نظام تشغيل، حتى من نفس البائع، نماذج مختلفة جذريا من الأوامر والإجراءات للتشغيل، ومرافق مثل وسائل تصحيح الأخطاء. عادة، في كل مرة تنتج الشركة المصنعة آلة جديدة، يكون هناك نظام تشغيل جديد، ومعظم التطبيقات يجب أن يتم تعديلها يدويا، وإعادة تجميعها، وإعادة اختبارها.
الأنظمة على أجهزة أي بي أم
واستمرت الحالة حتى الستينيات عندما توقفت شركة أي بي أم، التي كانت بالفعل شركة رائدة في مجال الأجهزة، عن العمل على الأنظمة القائمة ووضعت كل جهدها في تطوير سلسلة الأجهزة / 360 من الآلات، وكلها استخدمت نفس التعليمات ومدخلات الإدخال / الإخراج. أي بي أم كانت تهدف إلى تطوير نظام تشغيل واحد للأجهزة الجديدة، أو أس / 360[الإنجليزية] (OS/360).
في أواخر السبعينيات طورت كنترول داتا وجامعة إلينوي نظام بلوتو PLOTO ، والتي تستخدم شاشات لوحة البلازما وشبكات تقاسم الوقت لمسافات طويلة. كان بلوتو مبتكر بشكل ملحوظ في وقته وكان نموذج الذاكرة المشتركة من لغة البرمجة توتور[الإنجليزية] لبلوتو يسمح بالتطبيقات مثل الدردشة في الوقت الحقيقي والألعاب الرسومية متعددة المستخدمين.
وبالنسبة لليونيفاك 1107 (UNIVAC 1107)، أنتجت أونيفاك UNIVAC، وهي أول شركة كمبيوتر تجارية، نظام التشغيل إيكسيك أي[الإنجليزية] EXEC I وقامت شركة علوم الحاسوب[الإنجليزية] بتطوير نظام التشغيل إيكسك دبل إي[الإنجليزية] EXEC II وسلمته إلى اليونيفاك. تم نقل إيكسيك إي إلى يونيفاك 1108. في وقت لاحق، وضعت أونيفاك نظام التشغيل إيكسيك 8[الإنجليزية] (EXEC 8) لأونيفاك 1108؛ وكان أساس نظم التشغيل لأفراد الأسرة اللاحقة. وكما هو الحال في جميع أنظمة الحاسوب الكبير أو الضخمة مين فريم mainfraim كان النظامان إكسيك أي وإيكسيك إي تو نظاما موجها نحو الدفعات يدير الطبول المغناطيسية والأقراص وقراء البطاقات وطابعات الخطوط، إيكسيك 8 دعم كل من نظام عمليات الباتشات ومعالجة المعاملات عبر الإنترنت. في السبعينات، أنتجت أونيفاك نظام الوقت الحقيقي الأساسي (RTB) لدعم تقاسم الوقت على نطاق واسع، أيضا منقوشة بعد نظام دارتموث باسيك Dartmouth BASIC .
قدمت شركة بوروس Burroughs Corporation بإنتاج B5000 في عام 1961 مع نظام التشغيل أم سي بي MCP (برنامج التحكم الرئيسي[الإنجليزية])، كان B5000 آلة تعتمد على الحزم Stack machine وكانت آلة مصممة لدعم لغات عالية المستوى High level languages ، مع عدم وجود برامج، وكانت نظم التشغيل في مستواها الادنى لا تكتب بلغة الآلة أو لغة الأسمبلي وكان أم سي بي MCP هو أول نظام تشغيل يكتب بلغة ذات مستوى أعلى high-level language وكانت تسمى أي أس بي أوه أل[الإنجليزية] ESPOL من لغة ALGOL 60
قامت شركة ديجيتال إكويبمنت كوربوراشون Digital Equipment Corporation بإنشاء العديد من أنظمة التشغيل لآلاتها بي دي بي-11 PDP-11 ذات سعة 16 بت، بما في ذلك نظام آر تي-11 البسيط RT-11، ونظام تشغيل تقاسم الوقت آر أس تي أس[الإنجليزية] RSTS وعائلة أر أس أكس-11 RSX-11 من أنظمة التشغيل ذات الوقت الحقيقي Real-Time ، فضلا عن نظام في أم أس VMS لأجهزة في أيه أكس VAX ذو 32 بت.
العديد من المنافسين من شركة المعدات الرقمية (ديجيتال إكويبمنت كوربوراشون) مثل داتا جينيرال، هيوليت باكارد، كمبيوتر اتوميشن[الإنجليزية] صنعوا أنظمة التشغيل الخاصة بهم. واحد مثل، «ماكس الثالث» MAX III ، لأنظمة الحاسوب مودكومب[الإنجليزية] دبل إي أو الثاني (Modcomp II) وأجهزة الكمبيوتر مودكومب الثالث أو تريبل أي (Modcomp III).
لم يكن باستطاعة الحاسبات في أول عهدها بتخزين الكم الهائل من المعلومات فكانت أقل بكثير من إمكانيات التخزين المتوفرة الآن وبالتالي فإن كم العمليات المنفذة أقل كثيرا من المتاحة الآن.
التطور التاريخي لنظم التشغيل من حيث التركيب:
بدأت الحاسبات بالصمامات المفرغة ثم الترانزستورات وبعد ذلك بالدوائر المتكاملة (integrated circuits) ومن الشرائح الصغيرة (micro chips) وبالتالي أصبحت الحاسبات الحالية صغيرة الحجم جدا.
التطور التاريخي لنظم التشغيل من حيث التجهيزات البرمجية
حدث تطور هائل على البرمجيات خاصة برمجيات نظم التشغيل حيث مرت برمجيات نظم التشغيل بالمراحل التالية:
في عام 1960 بدأت تطورات عديدة على وسائط التخزين وتطور على الذاكرة الرئيسية وبالتالي حدث تطور في نظم التشغيل بحيث يكون قادر على التعامل مع أكثر من برنامج في نفس الوقت (multiplying programming).
في عام 1972 حدثت ثورة هائلة في تصنيع الذاكرة المساندة وأصبحت جزء من الذاكرة الرئيسية وعرفت بالذاكرة الفعالة (virtual memory).
حدث أيضا تطور هائل على وحدات الإدخال والإخراج بحيث يمكن أن تخدم أكثر من مستخدم في نفس الوقت (virtual I/O devices).
في الأعوام التالية حدث تطورات هائلة وسريعة في نظم التشغيل حيث أصبح كل حاسب يملك نظام تشغيل خاص بة وعلى درجة عالية من التطور.
من أنظمة التشغيل المشهورة: MS DOS – PRIMOS - CP/M – يونكس– لينكس وجنو
نظام التشغيل
مر بتاريخ تطوير طويل يلخص في الآتي:
أنظمة الباتشات Batch Systems
صممت خلال خمسينيات القرن العشرين للتحكم بالكمبيوترات المركزية. في ذلك الوقت كانت الكمبيوترات أجهزة ضخمة تستخدم مايسمى البطاقات المثقوبة (punched cards)للإدخال والطابعات الخطية (line printers) للإخراج ومحركات الأشرطة (tape drives) كوسط تخزين ثانوي.أي برنامج سيُنفَذ يسمى مهمة (Job).عندما يرغب المبرمج بتنفيذ مهمة ما يرسل طلب إلى غرفة العمليات مرفق بالبطاقة المثقوبة للبرنامج والبيانات. ليس للمبرمج أي تحكم أو تفاعل مع النظام.تتم معالجة البطاقة بواسطة مشغل (operator) إذا كان البرنامج ناجحًا تُرسل نتيجته إلى المبرمج، وفي حالة فشله تُرسل نسخة بالخطأ.
كان نظام التشغيل خلال هذه الفترة بسيط جدًا، مهمته الوحيدة التأكد من أن جميع المصادر قد انتقلت من مهمة لأخرى.
استخدام أنظمة المشاركة الزمنية (Time-Sharing Systems)
مصادر نظام الكمبيوتر بكفاءة ظهر مصطلح البرمجة المتعددة (multiprogramming). تتلخص فكرته في تحميل أكثر من مهمة في الذاكرة ويتم تخصيص مصدر واحد للمهمة التي تحتاجه بشرط أن يكون المصدر متاح في تلك اللحظة. مثلاً: عندما يستخدم برنامج ما جهاز الـ ادخال/إخراج تكون وحدة المعالجة المركزية (CPU) متاحة فيمكن استخدامه بواسطة برنامج آخر.البرمجة المتعددة قادت إلى فكرة أخرى “مشاركة الوقت” (time sharing) تتلخص في إمكانية مشاركة المصادر بين المهام المختلفة، كل مهمة تستطيع حجز المصدر لفترة زمنية معينة. ولأن الكمبيوتر أسرع من الإنسان كل مستخدم يشعر بأن كامل النظام يخدمه.البرمجة المتعددة ومشاركة الوقت طورت من كفاءة نظام الكمبيوتر بشكل كبير وأصبح يحتاج بدوره نظام تشغيل أكثر تعقيدًا. فأصبحت نظم التشغيل تحتاج للقيام بالجدولة (scheduling) أي حجز المصادر لبرامج مختلفة واتخاذ القرار:” أي برنامج يجب أن يستخدم هذا المصدر؟”.
خلال هذه الفترة العلاقة بين جهاز الكمبيوتر والمستخدم تغيرت أيضًا. أصبح المستخدم يستطيع التعامل مع النظام مباشرة دون الحاجة إلى وجود مشغل. وظهر كذلك مصطلح جديد: عملية (process).المهمة هي البرنامج الذي سينفذ. العملية هي البرنامج الموجود في الذاكرة منتظرًا المصادر.
الأنظمة الشخصية (Personal Systems)
بظهور الحاسبات الشخصية ظهرت أيضًا الحاجة لنظم تشغيل خاصة بتلك الأنواع من الحاسبات. فظهر مايسمى بالـ single-user operating systems مثل الـDOS
الأنظمة المتوازية (Parallel Systems)
الحاجة إلى سرعة أكبر وكفاءة أكثر قادت إلى تصميم الأنظمة المتوازية parallel.تتلخص في وجود أكثر من وحدة معالجة مركزية على نفس الجهاز. كل وحدة معالجة تُستخدم لخدمة برنامج أو جزء من برنامج مايعني أن أكثر من مهمة ممكن أن تُنفذ بالتوازي بدلاً من التسلسل. نظام التشغيل لمثل هذه الأنظمة أكثر تعقيدًا من تلك المستخدمة في وجود وحدة معالجة واحدة.
الأنظمة الموزعة (Distributed Systems)
الشبكات وشبكة الإنترنت أوجدت بُعد جديد في عالم نظم التشغيل. المهمات التي كانت سابقًا تتم على كمبيوتر واحد أصبحت الآن مشتركة بين كمبيوترات تبعد عن بعضها آلاف الأميال. أصبح جزء من البرنامج يعمل على كمبيوتر والجزء الآخر يعمل على كمبيوتر آخر متصل معه بواسطة شبكة كشبكة الإنترنت مثلاً. إضافة إلى أن المصادر أصبحت موزعة.قد يحتاج البرنامج ملفات موجودة في جزء مختلف من العالم، الأنظمة الموزعة تجمع بين مزايا أجيال النظم السابقة والمهام الجديدة كالتحكم بالأمان.
الآن أصبحت نظم التشغيل أكثر تعقيدًا، وأصبح نظام التشغيل بحاجة إلى التعامل مع مصادر مختلفة لنظام الكمبيوتر وصار أشبه بمنظمة تحوي عدة مدراء. كل مدير مسئول عن إدارة قسمه وهو بدوره بحاجة إلى التعاون مع الأقسام الأخرى. نظم التشغيل الحديثة عليها القيام بأربع واجبات على الأقل: إدارة الذاكرة، إدارة العمليات، إدارة الجهاز، وإدارة الملفات. كالعديد من المنظمات التي تحوي أقسامًا لا تندرج تحت إدارة معينة، نظام التشغيل يحوي أيضًا هذا القسم وهو ما يُسمى واجهة المستخدم (user interface) أو a shell وهو المسئول عن الاتصال خارج نظام التشغيل.
