مفاهیم کلی
به طور کلی نرم افزارهای کامپیوتر به دو گروه تقسیم می‌شوند:یکی برنامه‌های سیستمی که عملیات کامپیوتر را مدیریت می‌کنند و دیگری برنامه‌های کاربردی .سیستم عامل (operating system=os) اصلی ترین برنامه سیستمی است که به عنوان رابط بین کاربر و سخت افزار کامپیوتر عمل می‌کند . سیستم عامل دو وظیفه (یا هدف) اصلی دارد:

سیستم عامل استفاده از کامپیوتر را ساده می‌سازد. این بدان معناست که مثلاًکاربر یا برنامه نویس بدون درگیر شدن با مسائل سخت افزاری دیسکها به راحتی فایلی را بر روی دیسک ذخیره و حذف کند . این کار در واقع با به کاربردن دستورات ساده‌ای که فراخوان های سیستمی (System Calls) را صدا می‌زنند انجام پذیرد .در صورت عدم وجود سیستم عامل کاربرو یا برنامه نویس می‌بایست آشنایی کاملی با سخت افزارهای مختلف کامپیوتر (مثل مونیتور ,فلاپی , کی بورد و غیره) داشته باشدو روتین‌هایی برای خواندن و یا نوشتن آنها به زبانهای سطح پائین بنویسد. از این جنبه به سیستم عامل با عنوان ماشین توسعه یافته(Extended machine) یا ماشین مجازی (Virtual machine) یاد می‌شود که واقعیت سخت افزار را از دید برنامه نویسان مخفی می‌سازد.

وظیفه دوم سیستم عامل مدیریت منابع(Resource Management) می‌باشد, یعنی سیستم عامل باعث استفاده بهینه و سودمند (اقتصادی) از منابع سیستم می‌گردد. منظور از منابع پردازنده‌ها ,حافظه‌ها ,دیسکها,ماوس ها , چاپگرها , فایلها , پورتها و غیره هستند. یک سیستم کامپیوتری منابع نرم افزاری و سخت افزاری بسیار دارد که ممکن است در حین اجراء برنامه لازم باشند , سیستم عامل همانند مدیر منابع عمل کرده و آنها را بر حسب نیاز به برنامه‌های مشخصی تخصیص می‌دهد. سیستم عامل معمولا اولین برنامه‌های است که پس از بوت شدن در حافظه بار می‌شود. پس از بار شدن قسمتی از سیستم عامل بطور دائم در حافظه باقی (Resident)می‌ماند. قسمتهای دیگر با توجه به کاربرد کامپیوتر توسط کاربر از دیسک به حافظه آورده می‌شود. به قسمت اصلی سیستم عامل که وظایف مهم آن را انجام می‌دهد هسته یا Kernel گفته می‌شود. هسته سیستم عامل برنامه‌ای است که در تمامی اوقات بر روی کامپیوتر در حال اجراست. سیستم عامل و معماری کامپیوتر اثر زیادی بر روی یکدیگر داشته‌اند. یعنی جهت سهولت کار با سخت افزارهای جدید, سیستم عامل‌ها توسعه یافتندو همچنین در اثنای طراحی سیستم عامل‌ها , مشخص شد که تغییراتی در طراحی سخت افزار می‌تواند سیستم عاملها را ساده تر و کارآمدتر سازد . هر چند که تطبیق نسلهای کامپیوتر با نسلهای سیستم عامل کار درستی نیست ولی این تطبیق که در ادامه انجام می‌دهیم علت ایجاد سیستم عاملهای جدید را مشخص می‌سازد.تطابق تکنیکهای سیستم عامل با نسل های کامپیوتر:
در نسل اول کامپیوترها (55-1945) که از لامپ خلأ برای ساخت آنها استفاده می‌شد,زبانهای برنامه نویسی (حتی اسمبلی)ابداع نشده بودند و سیستم عامل نیز اصلاً وجود نداشت . روند کار به این صورت بود که برنامه نویسان تنها در یک فاصله زمانی مشخص حق استفاده از کامپیوتر بزرگ و گران قیمت را داشتند.آنها برنامه‌های خود را توسط تخته مدار سوراخدار (و بعدها توسط کارتهای پانچ) و به زبان ماشین به کامپیوتر می‌دادند. اکثر برنامه‌های محاسبات عددی معمولی مانند جداول سینوس و کسینوس بود.

سیستم های دسته ایBatch system

سیستم های چند برنامه ایMulti programming

سیستم spooling

سیستم اشتراک زمانیTime sharing

سیستم عاملهای کامپیوتر های شخصی و شبکه

سیستم های توزیع شدهDistributed system

سیستم ها ی چند وظیفه ایMulti tasking

سیستم های چند پردازندهای Multi processing

سیستم های بی درنگReal Time ساختار سیستم عامل

خدمات و مولفه های سیستم عامل:

مدیریت پردازش در سیستم عامل در سیستم عامل

مدیریت حافظه در سیستم عامل

مدیریت فایل در سیستم عامل

مدیریت ورودی- خروجی در سیستم عامل

مفسر فرمان

وقفه در سیستم عامل

فراخوانی سیستمی انوع سیستم عامل از نظر ساختار

تکنیک سیستم یکپارچه

تکنیک سیستم لایه ای

سیستم مجازی در سیستم عامل

سیستم مشتری –خدمتگزار

زبان های پیاده سازی سیستم عامل پردازش و زمابندی

پردازش در سیستم عامل

حالات یک پردازش

بلوک کنترلی پردازش

نخبند-رشته)

زمان بندی در سیستم عامل

انواع زمانبندیها در سیستم عامل

معیار های زمانبندی در سیستم عامل انواع زمانبندی ها
اولویتها می‌توانند بصورت اتوماتیک توسط سیستم نسبت داده شوند و یا از خارج سیستم تعیین گردند, مثلاً ممکن است یک کاربر کار فوری داشته باشدو حاضر باشد به خاطر بدست آوردن سرویس بالاتر هزینه بیشتری بپردازد , یعنی اولویت را بخرد . یک اولویت ممکن است استاتیک باشد یا دینامیک . اولویت استاتیک تغییر نمی‌کندو بنابراین پیاده سازی آن ساده است . ولی این نوع اولویت در مقابل تغییرات محیطی عکس العملی نشان نمی‌دهد . برعکس اولویت دینامیک بر اثر تغییرات محیطی تغییر می‌کند مثلا ً ممکن است در آغاز یک برنامه اولویت پائینی داشته باشد ولی به تدریج اولویت آن بهبود یابد.
فراخوانی سیستمی
فراخوان های سیستمی رابط ما بین سیستم عامل و برنامه‌های کاربردی می‌باشند. در زبان سطح بالایC)) و ((پاسکال مستقیماً می‌توان این فراخوان‌های سیستمی را به کار برد. از فراخوانهای سیستمی عبارتند از:

مدیریت پردازشها: مانند ایجاد و اتمام پردازش , بارگذاری و اجرای پردازش در سیستم عامل , تخصیص و آزاد کردن حافظه و غیره.

مدیریت فایلها و فهرستها: ایجاد و حذف فایل , باز وبسته کردن فایل , خواندن و نوشتن , تغییر صفات فایل و غیره

مدیریت وسایل: درخواست و رهاسازی وسیله,خواندن و نوشتن در وسیله وغیره

بدست آوردن اطلاعات : خواندن و تنظیم تاریخ و زمان, خواندن زمان استفاده از سیستم توسط کاربر,تعداد کاربران , میزان فضای آزاد حافظه یا دیسک , نسخه سیستم عامل وغیره. اکثر سیستم عامل (مثل UNIX,DOS) به وسایل I/O مشابه فایلها نگاه می‌کنند و ابزارهای I/Oبا نامهای فایلهای ویژه شناخته می‌شوند. در این حال برای کار با وسایل I/O می‌توان از همان دستورات readو write فایلها استفاده کرد.اگر چند منبع در یک لحظه همزمان سیگنال وقفه را ارسال کنند,CPUبا تکنیکهایی آنها را اولویت بندی کرده و سپس بر اساس اولویت سرویس می‌دهد.CPU به جای تکنیک وقفه در سیستم عامل می‌تواند با تکنیک سرکشی (polling) متوجه شودکه کدام وسیله به سرویس دهی نیاز دارد. دراینحالت ثباتهای کنترلی دستگاههای جانبی مرتباً چک می‌شود تا نیاز سرویس دهی آنها مشخص گردد. این روش باعث اتلاف وقت CPU می‌گردد.
حافظه های ثانوی با حافظه اصلی سیستم چه تفاوتها یی دارند؟

حافظه اصلی سیستم :(Main Memory)

سریع (fast) چون الکترونیکی میباشد

کوچک (small) چون قیمت آن بالا می باشد

فرار (Volatile) در صورت قطع برق پاک میشود

سرعت دسترسی به داده: حدود 12 نانو ثانیه

حافظه ثانوی :(Secondary Storage)

کند (Slow) چون اجزائ مکانیکی دارد

بزرگ (Large) چون قیمت آن ارزان است

ثابت و پایدار (Stable & Persistent) در صورت قطع برق پاک نمیشود

سرعت دسترسی به داده: حدود 30 میلی ثانیه

مقایسه اختلاف زمان دسترسی به این دو حافظه بکمک یک مثال:

زمان جستجوی داده در ایندکس یک کتاب (20 sec)

زمان جستجوی همان داده بدون ایندکس در یک کتابخانه بزرگ (58 days)

بنابراین دو هدف اصلی این درس چه خواهد بود؟

پایین آوردن زمان دسترسی به داده در حافظه ثانوی

پایین آوردن فاصله میان داده های مرتبط با یکدیگرساختارهای حافظهبه هر وسیله که توانایی نگهداری اطلاعات را داشته باشد، حافظه می گویند. حافظه یکی از قسمت های ضروری و اساسی یک رایانه به شمار می رود. همان طور که انسان برای نگهداری اطلاعات مورد نیاز خود علاوه بر حافظه درونی خویش از ابزارهای مختلف دیگری همانند کاغذ، تخته سیاه، نوار ضبط صوت، نوار ویدیو و … استفاده می کند رایانه هم می تواند از انواع مختلف حافظه استفاده کند. به طور کلی دو نوع حافظه داریم : 1- حافظه ((اصلی)) که به آن ((حافظه اولیه)) و ((درونی)) می گویند . 2- حافظه ((جانبی)) که به آن ((حافظه ثانویه)) و ((کمکی)) می گویند .
الف ) حافظه اصلی :کلیه دستورالعمل ها و داده ها، برای این که مورد اجرا و پردازش قرارگیرند اول باید به حافظه اصلی رایانه منتقل گردند و نتایج پردازش نیز به آنجا فرستاده شود. حافظه اصلی رایانه از جنس نیمه هادی ( الکترونیکی ) است و در نتیجه، سرعت دسترسی به اطلاعات موجود در آنها در مقایسه با انواع دیگر حافظه بالاست و قیمت آن نیز گرانتر است. حافظه‌های اصلی نیز به دو دسته تبدیل می شوند (ROM، RAM) . حافظه فقط خواندنی ( ROM) Cpu معمولاً اطلاعات موجود در این نوع حافظه را تغییر نمیدهد، بلکه فقط می تواند آن را بخواند. هنگام خاموش شدن نیز این اطلاعات از بین نمی‌رود و ثابت می ماند. برنامه BIOS که وظیفه آزمایش و راه اندازی قسمت های مختلف رایانه را به هنگام روشن شدن سیستم برعهده دارد در این نوع حافظه قرار داده می‌شود. حافظه‌های فقط خواندنی انواع مختلفی دارند :
PROM : در این نوع حافظه فقط خواندنی، داده ها و دستورالعمل ها را می توانیم روی آن فقط یک بار به وسیله PROM Programmer ذخیره کنیم اما بعد از آن قابل تغییر نیستند .
EPROM : این حافظه در واقع PROM قابل پاک شدن است.

تاریخچه
نیلس بور (Niels Bohr)، 85-1962 فیزیكدان نظری دانماركی، مدیر موسسه فیزیك نظری (حالا موسسه نیلس پور) در كپنهاك). مطالعات خود را در انگلستان تحت نظر ج.ج. تامسون و رادرفورد به انجام رسانید. پس از تدوین نظریه قدیمی» ساختار اتم خود كه به همین اعتبار در سال 1922 جایزه نوبل دریافت كرد، نقش پیشاهنگ در پیشبرد و تفسیر و تعبیر نظریه كوانتومی جدید» كه بر پایه مكانیك موجی استوار است، بازی كرد. بعداً توجه بور به فیزیك هسته ای معطوف شد، كه در این حوزه سهم خود را با ارائه مدل قطره ای هسته، مدل مركب مربوط به واكنشهای هسته ای، و همراه با آ. ویلر، نخستین تحلیل نظری از فرایند شكافت هسته ای، ادا كرد. وی در بنیانگذاری مركز اروپایی تحقیقات هسته ای (سرن) بسیار موثر بود. پس از مرگ بور، پسرش ایگ نیلس بور(1922-) به عنوان سرپرست موسسه نیلس بور جانشین وی شد، و در سال 1975 (همراه بك بن موتلسون ، 1926 – ، و جیمز رین واتر، 1917-)، به خاطر كار در زمینه ساختار هسته، موفق به دریافت جایزه نوبل شد.
این اصل موضوع با اندكی اصلاحات ویرایشی، از خلاصه نهایی سه مقاله بور در:
(1913) 857-479-1-26.Mag.Phil برگرفته شده است. در مقاله اول از این مجموعه مقالات، بور ابتدا كوانتش انرژی را با استدلال نسبتاً مغشوشی در خصوص بسامد تابیده شده هنگامی كه الكترون كه در ابتدا نامقید است و سپس در یك مدار مقید قرار می گیرد، استنتاج می كند؛ كوانتش تكانه زاویه ای فقط به صورت یك چاره اندیشی جلوه گر می شود.
نی بوهر- متولد 7 اكتبر 85، كپنهاگ و فیلتر هنریك دیوید بوهر كه اولین كسی بود كه تئوری كوآنتومی ارائه كرد، كه انرژی محدود است از یك سیستم به میزان فاصله ای خاص، و مشكل ساختار اتمی و مولكولی برای این كار او جایزه نوبل فیزیك را در 1922 دریافت كرد. او به اصطلاح تئوری بوهر در مورد اتم و مدل مایع را هسته اتم را گسترش داد.
Chaptery:
دیدیم كه فیزیك كوآنتومی به انرژی تابشی الكترومغناطیسی می پردازد – كه به آن نور گفته میشود.
اما در آغاز ما گفتیم كه فیزیك كوانتومی به ما می گوید كه اجسام ماده توسط فیزیك كوانتومی توصیف می شود پس ماده چیست؟ از قضا نی بوهر از قضا ماده است. بوهر یك فیزیكدانی بود كه والدینش هر دو دانشمند بودند. ظاهراً نی جوان در جوی مطلوب برای علم رشد یافته بود. او دكترایش را در 1911 از دانشگاه كپنهاگ دریافت كرد.
توضیحی درباره این نظریه و مدلهای اتمی دیگر
بنابر فیزیك كلاسیك، اتم هسته ای را در فورد، دچار یك عدم پایداری جدی است. از آنجا كه الكترونهای منفی تحت تاثیر ربایش الكتریكی هسته مثبت قرار دارند، نمی توانند در فاصله ای معین از هسته در حالت سكون باقی بمانند؛ بلكه باید در مداری حول هسته بگردند، شبیه گردش شتابدار امواج الكترومغناطیسی تابیش می كند و به این وسیله انرژی از دست میدهد. یك محاسبه ساده نشان میدهد كه به عنوان پیامدی از این اتلاف انرژی، الكترونی كه هسته، مثلاً یك اتم هیدروژن را دور می زند با حركتی مارپیچی به دورن اتم میرود و در مدتی كمتر s10-10به هسته برخورد می كند. یعنی، اتم ناپایدار است، تقریباً فوراً می رمید. به علاوه در داخل این فرایند رمبش، همراه با هر چه سریعتر شدن سرعت چرخش الكترون به دور هسته، برخورد میكند. یعنی ، اتم ناپایدار است، تقریباً فوراً می رمبد. به علاوه، در خلال این فرایند رمبش، همراه با هر چه سریعتر شدن سرعت چرخش الكترون به دور هسته، فورانی از امواج الكترومغناطیسی با بسامدی پیوسته افزاینده (شبیه صدای جیغ مانند و تیز» آلات موسیقی) گسیل میدارد. این تصویر با حقایق در تعارض شدیدی است: اتمهای هیدروژن بسیار پایدارند، اصلا گرایشی به رمبیدن ندارند؛ و وقتی تابش گسیل می دارند، طیف آنها دارای یك دسته بسامد گسسته است، نه گستره پیوسته ای از بسامدها.
در سال 1913 نیلس بورگام جسورانه ای را درجهت حل این مشكلات برداشت. وی پیشنهاد كرد كه مدارها و انرژیهای اتم هیدروژن كوانتیده اند، یعنی فقط مدارها و انرژیهای گسسته معینی مجازند. این كوانتش حاكی از آن است كه قوانین مكانیك كلاسیك و الكترومغناطیس كلاسیك در مقیاس و سطح اتمی غیر قابل كاربردند، و قوانین نوینی باید به جای آنها بنشیند، یا تكمیلشان كنند، بور این قوانین جدید مكانیك اتمی را به قرار زیر خلاصه كرد.
با نگاه كردن به ابتدای زندگی علمی نی بوهر كه "تئوری اتمی" ماده – كه گفته می شود ماده از اتمهای ریز تشكیل شده است كه از حاشیه به قلب فیزیك درزمان بسیار كوتاهی وارد شد. پایان نامه دكترای بوهر ضعف فیزیك كلاسیك برای شرح رفتار ماده در تراز اتم پرداخته بود.
در قرن 19 و فیزیكدانانی كه ب ارزش تئوری اتمی پی برده بودند، نظرشان در مورد اتم به عنوان یك خرده جزء غیر قابل تقسیم و غیر قابل مشاهده از ماده و كوچكترین واحد ممكن كه ماده می توانست به آن تفكیك شود. در آزمایشات به تاثیر نورابرقی پرداختند، در طول دیگر مشاهده است، به جرئت پیشنهاد كردند كه اتم دارای ساختار داخلی است، از آن زمان به بعد ذرات كه الكترون نامیده نشدند، از آنها خارج شدند.
مدل را در خورد و نقطه ضعفهای آن
مدلی از اتم بوسیله یك فیزیكدان انگلیسی ارنست رادرفورد در 1911 توصیف شد، و آن به عنوان مدل سیستم خورشیدی شناخته شد. آن بسیاری ساده است، و هنوز برای تدریس

ساختار اتمی ابتدایی به دانش آموزان استفاده می شود.

یك اتم شامل یك هسته مركزی است. این هسته دارای بارهای مثبت، پروتون، و بدون بار الكتریكی نوترون است.

الكترونها با بار منفی اطراف هسته در مدار معین در حال چرخیدن هستند.

خود مدارها می توانند در هر فاصله ای از هسته مركزی باشند.

درهر اتم شمار پروتونها برابر با شمار الكترونها است، و بنابراین از نظر الكتریكی خنثی است.را درخورد از قانون حركت كه قبلاً توسط ایساك نیوتن برای توصیف اتم به كار برده شده بود، استفاده كرد. برطبق توصیف رادرفورد، الكترون یك اتم می تواند یكی از شمار بی پایان مدارها را اشغال كند، براساس قانون نیوتن، مشكلاتی در توصیف رادفورد از اتم از ابتدا وجود داشت. اجازه بدهید دوایراد نظریه رادرفورد را پیدا كنیم.1- ناپایداری ذاتی اتم
بر طبق نظریه رادرفورد، الكترونها می توانند دور مدار هسته در هر فاصله ای حركت كنند. وقتی حلقه الكترونهای اطراف هسته، دائماً مسیرشان را تغییر میدهند. بر اساس الكترودینامیك كلاسیك (كه به حركت الكترونها می پردازد) چنین الكترونهایی كه دائماً هم مسیرشان را و یا سرعتشان را تغییر میدهند یا هر دو باید به طور پیوسته اشعه ساطع كنند.
2- طیف اتمی
توصیف رادرفورد از اتم نمی توانست كاملاً صحیح باشد زیرا بعضی مشاهدات كه تقریباً به دست آمده بود را توضیح نمیداد. شاید مهمترین این مشاهدات به رفتار گازهای خاص می پرداخت. این گازها در فشار كم نور ساطع میكنند در یك مجموعه از فرزهای مجزا از طیف الكترومغناطیسی.
این كاملاً متفاوت از ساطع شدن نور توسط ماده جامد است، كه به طور یكنواخت در میان طیف الكترومغناطیس پخش می شود. تابش نور از این گازها مهم بودند زیرا آنها نشان می دادند كه حداقل تحت بعضی شرایط، مدارهای الكترون نمی توانستند در هر فاصله ای از هسته باشند، محدود به فواصل مجزا بودند.
اگر الكترونهای این گازها آزاد بودند تا در هر فاصله ای بچرخند، سپس نور ساطع شده از آنها به صورت یكنواخت در میان طیف الكترومغناطیس پخش می شد. در عوض، آنچه آزمایشگران دیدند این بود كه نور این گازها نشاندهنده یك مرز واضح بود.
می توان گفت كه نور ساطع شده تنها در یك مجموعه خاصی از طول موجها دیده می شد، با فضای خالی در بین آنها این مرز نوری برای هر گازی متفاوت بود، و فهمیدند كه به ویژگی اتم بستگی دارد.
امروزه، ستاره شناسان از این مرز نوری برای شناسایی عناصر موجود در ستاره ها استفاده می كنند.
توضیح بوهر
نی بوهر این مشكل را فوری غنیمت شمرد و از آن برای پیشنهاد توصیف كمیت اتم استفاده كرد.
1- بوهر پیشنهاد داد كه در چرخش هسته اتم، الكترونها تنها مدارهای مجزای خاصی را می توانند اشغال كنند، كه به آن تراز انرژی میگویند. بوهر از معادلات مكس پلنكس در تابش كوآنتوم آنچه این مدارهای مجزا می توانستند باشند، استفاده كرد.
تا زمانیكه الكترونها در این تراز انرژی بمانند، آنها پایدار هستند.
2- بوهر گفت الكترونها تنها زمانی الكترون میدهند یا می گیرند كه سطح انرژی شان را تغییر دهند. اگر آنها به بالا حركت كنند، انرژی میگیرند، و اگر به پائین حركت كنند، انرژی آزاد می كنند. این انرژی در بسته های مجزا بهنام "فوتون" منتشر می شود.
3- علاوه بر این، بوهر همچنین بیان كرد كه یك الكترون كه در تراز انرژی طبیعی خودش نیست (به بیان دیگر، در سطح بالاتری از تراز انرژی برانگیخته شده) همیشه باید به حالت پایدار برگردد.
بوهر طیف نوری گازها را به عنوان انتقال الكترونها در ترازهای مختلف انرژی تغییر كرد. این كاملاً در مورد اتم هیدروژن اثبات شد، و درستی آن درك شد.
فرمول بور بسیار خوب با مشاهدات موقعیت مرزها تطابق داشت.
این توضیح كه الكترونها می توانند تنها مدارهای خاصی را اشغال كنند مدل صدفی اتم نامیده می شود، زیرا بور مدارهای ممكن الكترون را به عنوان اوربیتال یا صدف توصیف كرد.
وقت یك اتم از یك گاز انرژی آزاد میكند، یك الكترون به سمت مدار پایین تر حركت میكند، و زمانیكه یك اتم انرژی بدست می آورد، یك الكترون به سمت بالا و سطح انرژی بیشتر حركت میكند اما این مدارها یاصدف از یكدیگر مجزا هستند. مدارها صاف و هموار نبودند، پیوسته مجموعه ای از پیشامدها به عنوان یك یافته در دنیای معمولی، اما بیشتر یك مجموعه از حالتهای مشخص مجزا از یكدیگر، بیشتر شبیه تفكیك كوانتوم از تابش الكترومغناطیس كه پلنك كشف كرد. این منجر به مرزهای آشكار در طیف می شود.
برای اولین بار فیزیك كوآنتومی به ماده پرداخت.
آیا فرضیه بور كاملاً اتفاقی بود؟
بله