ما هو نظام التشغيل؟ تعريفه، وأنواعه، وميزاته

نظام التشغيل هو البرنامج الذي يُحمّل مبدئيًا على الحاسوب بواسطة برنامج الإقلاع، ويتولى إدارة جميع برامج التطبيقات الأخرى فيه. تستخدم برامج التطبيقات نظام التشغيل عن طريق طلب الخدمات من خلال واجهة برمجة تطبيقات (API) محددة. إضافةً إلى ذلك، يمكن للمستخدمين التفاعل مباشرةً مع نظام التشغيل من خلال واجهة مستخدم (UI)، مثل واجهة سطر الأوامر (CLI) أو واجهة المستخدم الرسومية (GUI).

{getToc} $title={محتويات المقال}

تعريف نظام التشغيل

نظام التشغيل هو برنامج نظامي يُدير موارد الحاسوب المادية والبرمجية، ويُسهّل تنفيذ برامج الحاسوب. كما يُدير جميع التطبيقات والبرامج الأخرى على الحاسوب.

على سبيل المثال، عند النقر لفتح تطبيق، يُخصّص نظام التشغيل الذاكرة، ويُهيّئ العمليات، ويتواصل مع وحدة المعالجة المركزية (CPU) وأجهزة التخزين لتنفيذ طلبك.

تُعدّ أنظمة التشغيل ويندوز، ولينكس، وأندرويد أمثلة على أنظمة التشغيل. فهي تُوفّر واجهة تُتيح للمستخدمين التفاعل مع النظام، وتُسهّل تشغيل تطبيقات مثل مايكروسوفت أوفيس، والمفكرة، ومتصفحات الويب، وغيرها.

يُعدّ نظام التشغيل أساسيًا لتنفيذ البرامج الرئيسية وإدارة عمليات النظام بكفاءة.

كيف يعمل نظام التشغيل؟

يعتمد نظام التشغيل على مكتبة ضخمة من برامج تشغيل الأجهزة لتخصيص خدماته بما يتناسب مع بيئة الأجهزة المحددة. على سبيل المثال، يمكن لكل تطبيق إجراء استدعاء مشترك لجهاز تخزين. يستقبل نظام التشغيل هذا الاستدعاء ويستخدم برنامج التشغيل المناسب لترجمته إلى إجراءات، أو أوامر، لازمة للأجهزة الأساسية في ذلك الحاسوب. يوفر نظام التشغيل منصة شاملة لتحديد وتكوين وإدارة ما يلي:

• مجموعة من الأجهزة، بما في ذلك المعالجات .
• أجهزة الذاكرة وإدارة ذاكرة الحاسوب.
• الشرائح الإلكترونية.
• التخزين.
• التواصل.
• واجهات اتصال المنافذ، مثل مصفوفة الرسومات المرئية، وواجهة الوسائط المتعددة عالية الوضوح، والناقل التسلسلي العالمي (USB).
• واجهات الأنظمة الفرعية، مثل Peripheral Component Interconnect Express.

أهداف ووظائف نظام التشغيل

تؤدي أنظمة التشغيل (OS) عدة وظائف أساسية لضمان تشغيل أجهزة الكمبيوتر والأجهزة الأخرى بسلاسة:

• إدارة الذاكرة: يقوم نظام التشغيل بتخصيص الذاكرة وتحريرها حسب الحاجة لمختلف البرامج، مما يضمن تشغيلها في وقت واحد دون تداخل.
• إدارة المعالج: يدير نظام التشغيل وقت وموارد وحدة المعالجة المركزية، ويختار العمليات التي تحصل على وقت المعالج، ويُحسّن استخدامه.
• إدارة الأجهزة: يتعامل نظام التشغيل مع الاتصالات بأجهزة الإدخال والإخراج باستخدام برامج تشغيل الأجهزة. كما يُخصص الأجهزة للعمليات ويتتبع حالتها.
• إدارة الملفات: يقوم نظام التشغيل بمهام مثل إنشاء الملفات وحذفها ونقلها وحفظها مع الحفاظ على أمانها.
• إدارة التخزين: يصل نظام التشغيل إلى الملفات والمجلدات وينظمها، ويُحسّن استخدام أجهزة التخزين، ويضمن استرجاع البيانات بكفاءة.
• الأمان: تستخدم أنظمة التشغيل جدران الحماية وغيرها من إجراءات الأمان لمنع الوصول غير المصرح به، وتراقب أنشطة النظام لحظر التهديدات.
• مراقبة الأداء: يتتبع نظام التشغيل جميع أنشطة النظام، بما في ذلك استخدام الموارد والأخطاء، لضمان تشغيل النظام بكفاءة.
• اكتشاف الأخطاء: يقوم النظام بفحص مستمر للأخطاء والتهديدات، لحماية النظام وتنبيه المستخدمين إلى المشكلات المحتملة.
• تنسيق البرامج والمستخدمين: يضمن نظام التشغيل عمل الأجهزة والبرامج معًا بسلاسة لتحقيق أفضل تفاعل للمستخدم.

تتضمن أنظمة التشغيل الحديثة أيضًا ميزات متقدمة مثل:

• دعم المحاكاة الافتراضية: يسمح بتشغيل عدة أجهزة افتراضية على جهاز فعلي واحد، مما يُحسّن استخدام الموارد.
• التكامل مع الحوسبة السحابية: تتصل أنظمة التشغيل الآن بسلاسة بخدمات الحوسبة السحابية، مما يُسهّل مزامنة البيانات ونسخها احتياطيًا عبر الأجهزة.
• إدارة الطاقة: تُعدّ إدارة الطاقة بالغة الأهمية، خاصةً في الأجهزة المحمولة، حيث تُدير أنظمة التشغيل استخدام موارد الأجهزة وعمليات الخلفية لإطالة عمر البطارية.
• أمان متقدم: تُساعد ميزات مثل المصادقة البيومترية و التشفير والتحديثات الأمنية المستمرة في الحماية من التهديدات الجديدة.
• التحديثات التلقائية: يُمكن لأنظمة التشغيل تحديث نفسها وصيانتها، مما يُحافظ على أمان الأنظمة وتحديثها دون تدخل يدوي.
• دعم إنترنت الأشياء: تُدير أنظمة التشغيل مختلف أجهزة إنترنت الأشياء وتفاعلاتها.

تُبرز هذه الإمكانيات كيف تتطور أنظمة التشغيل باستمرار لتلبية الاحتياجات التقنية الجديدة وتحسين تجربة المستخدم.

أنواع أنظمة التشغيل

شهدت أنواع أنظمة التشغيل تطورًا ملحوظًا، مواكبةً للتقدم التكنولوجي وتغير احتياجات المستخدمين. فيما يلي ملخص لأنواع أنظمة التشغيل المختلفة:

نظام التشغيل الدفعي

• التعريف: في أنظمة التشغيل الدفعية، تُجمّع المهام في دفعات، وينفذها نظام التشغيل بالتتابع دون تدخل المستخدم أثناء التنفيذ.
• مثال: أنظمة الحواسيب المركزية القديمة من IBM.

نظام التشغيل بتقاسم الوقت

• التعريف: تُمكّن هذه الأنظمة عدة مستخدمين من الوصول إلى جهاز كمبيوتر واحد في وقت واحد من خلال التبديل السريع بين المهام.
• مثال: يونكس (UNIX).

نظام التشغيل الموزع

• التعريف: يُدير مجموعة من أجهزة الكمبيوتر المستقلة ويجعلها تبدو كنظام واحد للمستخدمين.
• مثال: Apache Hadoop.

نظام التشغيل في الوقت الحقيقي (RTOS)

• التعريف: مُصمم لمعالجة البيانات في الوقت الحقيقي بأقل تأخير ممكن، ويُستخدم في التطبيقات التي يكون فيها التوقيت بالغ الأهمية.
• مثال: VxWorks، FreeRTOS.

نظام تشغيل الشبكة (NOS)

• التعريف: يوفر خدمات لأجهزة الكمبيوتر المتصلة بشبكة، مثل مشاركة الملفات والوصول إلى الطابعات.
• مثال: مايكروسوفت ويندوز سيرفر، لينكس.

نظام تشغيل الأجهزة المحمولة

• التعريف: مصمم خصيصًا للهواتف الذكية و الأجهزة اللوحية.
• مثال: أندرويد، iOS.

يلبي كل نوع من أنظمة التشغيل متطلبات محددة، بدءًا من إدارة الأجهزة في الأنظمة المدمجة وصولًا إلى دعم تعدد المهام على أجهزة الكمبيوتر الشخصية.

أنظمة التشغيل الشائعة

تشمل بعض أنظمة التشغيل الأكثر شيوعًا اليوم ما يلي:

• ويندوز (Windows): يُعد ويندوز نظام التشغيل الأكثر شيوعًا لأجهزة الكمبيوتر المكتبية، حيث يستخدمه أكثر من مليار مستخدم حول العالم. يتميز بمجموعة واسعة من الميزات والتطبيقات، بما في ذلك حزمة أوفيس، والألعاب، وأدوات الإنتاجية.
• ماك أو إس (MacOS): نظام التشغيل ماك أو إس هو نظام التشغيل لأجهزة الكمبيوتر المكتبية المستخدمة في أجهزة ماك من آبل. يُقدّر المستخدمون واجهته البسيطة وسهلة الاستخدام، مما يجعله شائعًا بين المحترفين المبدعين.
• لينكس (Linux): لينكس هو نظام تشغيل مفتوح المصدر. وهو متاح مجانًا، ويمكن للمستخدمين تخصيصه لتلبية احتياجاتهم الخاصة. يستخدمه المطورون والشركات والأفراد الذين يفضلون نظام تشغيل مفتوح المصدر وقابل للتخصيص.
• آي أو إس (IOS): نظام التشغيل آي أو إس هو نظام التشغيل للأجهزة المحمولة المستخدم في أجهزة آيفون وآيباد من آبل. اكتسب شهرته من واجهته سهلة الاستخدام، وتكامله الوثيق مع أجهزة وبرامج آبل، وميزات الأمان القوية.
• أندرويد (Android): نظام التشغيل أندرويد هو نظام التشغيل الأكثر شيوعًا للأجهزة المحمولة، حيث يستخدمه أكثر من ملياري مستخدم حول العالم. تنبع شهرته من طبيعته مفتوحة المصدر، والتي توفر خيارات تخصيص وتوافقًا مع مجموعة واسعة من الأجهزة.

نظام التشغيل - الحماية والأمان

يشير الأمان إلى توفير نظام حماية لموارد نظام الحاسوب، مثل وحدة المعالجة المركزية، والذاكرة، والقرص، وبرامج الحاسوب، والأهم من ذلك، البيانات والمعلومات المخزنة فيه. إذا قام مستخدم غير مصرح له بتشغيل برنامج حاسوبي، فقد يتسبب ذلك في أضرار جسيمة للحاسوب أو البيانات المخزنة فيه. لذا، يجب حماية نظام الحاسوب من الوصول غير المصرح به، والوصول الخبيث إلى ذاكرة النظام، وما إلى ذلك. سنتناول المواضيع التالية في هذا الفصل:

• المصادقة
• كلمات المرور لمرة واحدة
• تهديدات البرامج
• تهديدات النظام
• تصنيفات أمان الحاسوب

المصادقة

تشير المصادقة إلى تحديد هوية كل مستخدم للنظام وربط البرامج المنفذة به. تقع على عاتق نظام التشغيل مسؤولية إنشاء نظام حماية يضمن أن المستخدم الذي يشغل برنامجًا معينًا هو مستخدم موثوق. تستخدم أنظمة التشغيل عادةً ثلاث طرق لتحديد هوية المستخدمين والتحقق منها:

• اسم المستخدم/كلمة المرور: يحتاج المستخدم إلى إدخال اسم المستخدم وكلمة المرور المسجلين لدى نظام التشغيل لتسجيل الدخول.
• بطاقة المستخدم/المفتاح: يحتاج المستخدم إلى إدخال بطاقة في فتحة البطاقة، أو إدخال مفتاح مُولّد بواسطة مولد المفاتيح في الخيار الذي يوفره نظام التشغيل لتسجيل الدخول.
• بيانات المستخدم - بصمة الإصبع/نمط شبكية العين/التوقيع: يحتاج المستخدم إلى إدخال بياناته عبر جهاز الإدخال المخصص الذي يستخدمه نظام التشغيل لتسجيل الدخول.

كلمات المرور لمرة واحدة

توفر كلمات المرور لمرة واحدة مستوى أمان إضافيًا إلى جانب المصادقة العادية. في نظام كلمات المرور لمرة واحدة، يُطلب من المستخدم إدخال كلمة مرور فريدة في كل مرة يحاول فيها تسجيل الدخول إلى النظام. بمجرد استخدام كلمة مرور لمرة واحدة، لا يمكن استخدامها مرة أخرى. تُطبَّق كلمات المرور لمرة واحدة بطرق مختلفة.

• الأرقام العشوائية: يُزوَّد المستخدمون ببطاقات عليها أرقام مطبوعة مع الأحرف المقابلة لها. يطلب النظام أرقامًا مقابلة لبعض الأحرف المختارة عشوائيًا.
• المفتاح السري: يُزوَّد المستخدمون بجهاز مادي يُنشئ مُعرِّفًا سريًا مرتبطًا بمعرِّف المستخدم. يطلب النظام هذا المُعرِّف السري الذي يُنشأ في كل مرة قبل تسجيل الدخول.
• كلمة مرور الشبكة: تُرسل بعض التطبيقات التجارية كلمات مرور لمرة واحدة إلى المستخدم على هاتفه المحمول/بريده الإلكتروني المُسجَّل، ويجب إدخالها قبل تسجيل الدخول.

تهديدات البرامج

تقوم عمليات نظام التشغيل ونواة النظام بالمهام المُحدَّدة لها وفقًا للتعليمات. إذا قام برنامج المستخدم بجعل هذه العمليات تقوم بمهام ضارة، يُعرف ذلك بتهديدات البرامج. من الأمثلة الشائعة على تهديدات البرامج، برنامج مُثبّت على جهاز كمبيوتر، قادر على تخزين بيانات اعتماد المستخدم وإرسالها عبر الشبكة إلى مُخترق. فيما يلي قائمة ببعض تهديدات البرامج المعروفة:

• حصان طروادة (Trojan Horse): يقوم هذا البرنامج باصطياد بيانات اعتماد تسجيل دخول المستخدم وتخزينها لإرسالها إلى مُستخدم خبيث، والذي بدوره يستطيع تسجيل الدخول إلى الكمبيوتر والوصول إلى موارد النظام.
• الباب الخفي (Trap Door): إذا كان البرنامج مُصمماً للعمل كما هو مطلوب، ولكنه يحتوي على ثغرة أمنية في شفرته، ويقوم بتنفيذ إجراءات غير قانونية دون علم المستخدم، يُطلق عليه اسم "الباب الخفي".
• القنبلة المنطقية (Logic Bomb): هي حالة يُظهر فيها البرنامج سلوكاً غير طبيعي فقط عند استيفاء شروط مُعينة، وإلا فإنه يعمل كبرنامج سليم. يصعب اكتشافها.
• الفيروس (Virus): كما يوحي اسمه، يستطيع الفيروس التكاثر داخل نظام الكمبيوتر. وهو شديد الخطورة، حيث يُمكنه تعديل/حذف ملفات المستخدم، أو تعطيل النظام. عادةً ما يكون الفيروس عبارة عن شفرة صغيرة مُدمجة في برنامج. بمجرد وصول المستخدم إلى البرنامج، يبدأ الفيروس بالتغلغل في ملفات/برامج أخرى، مما قد يجعل النظام غير قابل للاستخدام بالنسبة للمستخدم.

تهديدات النظام

تشير تهديدات النظام إلى إساءة استخدام خدمات النظام واتصالات الشبكة لإلحاق الضرر بالمستخدم. يمكن استخدام تهديدات النظام لشن هجمات برمجية على الشبكة بأكملها، وهو ما يُعرف بالهجوم البرمجي. تُهيئ تهديدات النظام بيئةً تُساء فيها استخدام موارد نظام التشغيل وملفات المستخدم. فيما يلي قائمة ببعض تهديدات النظام المعروفة:

• الدودة (Worm): الدودة هي عملية تُعيق أداء النظام من خلال استهلاك موارده بشكل مفرط. تُنشئ عملية الدودة نسخًا متعددة منها، حيث تستهلك كل نسخة موارد النظام، مما يمنع جميع العمليات الأخرى من الحصول على الموارد اللازمة. قد تُؤدي عمليات الدودة إلى تعطيل الشبكة بأكملها.
• فحص المنافذ (Port Scanning): فحص المنافذ هو آلية أو وسيلة يستخدمها المخترقون لاكتشاف ثغرات النظام لشن هجوم عليه.
• حجب الخدمة (Denial of Service): عادةً ما تمنع هجمات حجب الخدمة المستخدم من استخدام النظام بشكل مشروع. على سبيل المثال، قد لا يتمكن المستخدم من استخدام الإنترنت إذا هاجمت هجمات حجب الخدمة إعدادات محتوى المتصفح.

تصنيفات أمن الحاسوب

وفقًا لمعايير تقييم أنظمة الحاسوب الموثوقة، توجد أربعة تصنيفات أمنية لأنظمة الحاسوب: (أ)، (ب)، (ج)، (د). تُستخدم هذه المواصفات على نطاق واسع لتحديد وتصميم نماذج أمن الأنظمة وحلول الأمان. فيما يلي وصف موجز لكل تصنيف.

التصنيف (أ): أعلى مستوى. يستخدم مواصفات تصميم رسمية وتقنيات تحقق. يضمن درجة عالية من أمان العمليات.

التصنيف (ب): يوفر نظام حماية إلزامي. يتمتع بجميع خصائص نظام الفئة ج2. يُلحق تصنيف حساسية بكل عنصر. وهو من ثلاثة أنواع:

• ب1 - يحتفظ بتصنيف أمان كل عنصر في النظام. يُستخدم التصنيف لاتخاذ قرارات التحكم في الوصول.
• ب2 - يُوسّع تصنيفات الحساسية لتشمل كل مورد من موارد النظام، مثل عناصر التخزين، ويدعم القنوات السرية ومراجعة الأحداث.
• ب3 - يسمح بإنشاء قوائم أو مجموعات مستخدمين للتحكم في الوصول، لمنح أو إلغاء الوصول إلى عنصر مُحدد.

التصنيف (ج): يوفر الحماية ومساءلة المستخدم باستخدام إمكانيات المراجعة. وهو من نوعين:

• ج1 - يتضمن ضوابط تُمكّن المستخدمين من حماية معلوماتهم الخاصة ومنع المستخدمين الآخرين من قراءة/حذف بياناتهم عن طريق الخطأ. معظم إصدارات يونكس من الفئة ج1.
• ج2 - يضيف تحكمًا فرديًا في الوصول إلى إمكانيات نظام المستوى ج1.

التصنيف (د): أدنى مستوى. حماية محدودة. يندرج نظاما MS-DOS وWindows 3.1 ضمن هذه الفئة.

الخلاصة

نظام التشغيل هو البرنامج الأساسي الذي يُتيح التفاعل السلس بين المستخدم وجهاز الحوسبة، كالهاتف الذكي أو الحاسوب أو الجهاز اللوحي. وهو وسيط بين المكونات المادية (كالمعالج والذاكرة والتخزين) والبرمجيات (كالتطبيقات والبرامج).

أسئلة شائعة حول أنظمة التشغيل

لماذا يُعدّ نظام التشغيل ضروريًا؟

يُعدّ نظام التشغيل ضروريًا لأنه يُدير موارد الجهاز، ويُسهّل التفاعل بين المستخدمين ومكونات الجهاز، ويُشغّل التطبيقات. إنه العمود الفقري لنظام الحوسبة، حيث يُتيح الوظائف وسهولة الاستخدام. بدون نظام التشغيل، لن يتمكن المستخدم من تشغيل الكمبيوتر أو تنفيذ البرامج بكفاءة وفعالية.

كيف يتفاعل نظام التشغيل مع مكونات الجهاز؟

يُعدّ نظام التشغيل الوسيط بين المستخدم ومكونات جهاز الكمبيوتر. فهو يُدير ويتحكم في استخدام مكونات الجهاز بين مختلف برامج النظام والتطبيقات. عندما يُصدر المستخدم أمرًا أو يُرسل أحد التطبيقات طلبًا يتضمن موارد الجهاز، فإن نظام التشغيل هو الذي يُنفّذ المهمة.

ما الفرق بين برامج النظام وبرامج التطبيقات؟

تشمل برامج النظام أنظمة التشغيل وبرامج الأدوات المساعدة التي تُدير موارد الأجهزة والبرامج. أما برامج التطبيقات، فهي البرامج المصممة للمستخدمين النهائيين، مثل معالجات النصوص والألعاب ومتصفحات الويب.

كيف يضمن نظام التشغيل تعدد المهام؟

تستخدم أنظمة التشغيل خوارزميات جدولة العمليات لتوزيع وقت وحدة المعالجة المركزية بين العمليات المتعددة، مما يضمن تشغيل المهام بشكل متزامن على المعالجات الحديثة متعددة النوى.

لماذا تُسمى النواة "جوهر" نظام التشغيل؟

تتفاعل النواة مباشرةً مع الأجهزة وتُدير وظائف أساسية مثل تخصيص الذاكرة وتنفيذ العمليات والتواصل مع الأجهزة، مما يجعلها الجزء الأكثر أهمية في نظام التشغيل.

ماذا يحدث في حال تعطل نظام التشغيل؟

في حال تعطل نظام التشغيل، يصبح النظام عادةً غير مستجيب، مما يؤدي إلى أخطاء مثل التعطل أو التجميد. قد تُحل المشاكل المؤقتة بإعادة تشغيل النظام، ولكن المشاكل المستمرة قد تتطلب استكشاف الأخطاء وإصلاحها أو إعادة تثبيت نظام التشغيل.

هل يمكن لنظام التشغيل العمل بدون واجهة مستخدم رسومية؟

نعم، يمكن لأنظمة التشغيل مثل لينكس ويونكس أن تعمل بدون واجهة رسومية. فهي تستخدم واجهة سطر الأوامر (CLI) للتفاعل مع المستخدم، وهو ما يُفضل في بيئات الخوادم لكفاءته وانخفاض استهلاكه للموارد.