مقدمة
في هذه المقالة سوف نتعرف معاً عن المكون الأساسي الذي لا نراه ويتحكم تقريباً في كل العمليات خلف الكواليس مع أنظمة التشغيل وماهي الإدارات المسؤولة لعمل كل عملية داخل أجهزتنا الإلكترونية كيفية التعامل معها من خلال أنظمة التشغيل ووصولاً إلى الواجهات التشغيلية في مقالات آخرى.
تطور أنظمة التشغيل
تطورت أنظمة التشغيل بشكل كبير منذ ظهورها في الخمسينيات من القرن الماضي. في البداية، كانت أنظمة التشغيل بسيطة للغاية، وكانت تركز فقط على إدارة الموارد المادية للكمبيوتر لمعرفة المزيد أقرأ هنا. ومع تطور التكنولوجيا، أصبحت أنظمة التشغيل أكثر تعقيدًا وتقدمًا، وأصبحت قادرة على تقديم مجموعة واسعة من الخدمات للمستخدمين.
مستقبل أنظمة التشغيل
من المتوقع أن تستمر أنظمة التشغيل في التطور في المستقبل. ومن المتوقع ظهور أنظمة تشغيل جديدة قادرة على تقديم ميزات وخدمات جديدة للمستخدمين. كما من المتوقع أن تصبح أنظمة التشغيل أكثر أمانًا واستقرارًا.
تعريف نظام التشغيل
نظام التشغيل هو برنامج يمكّن التطبيقات من التفاعل مع أجهزة الكمبيوتر. يُطلق على البرنامج الذي يحتوي على المكونات الأساسية لنظام التشغيل بأسم Kernel.
ماهو الكيرنل (Kernel) أو النواة
هو مكون أساسي لنظام التشغيل وتعمل بمثابة الواجهة الرئيسية بين الأجهزة المادية للكمبيوتر والعمليات الجارية عليها. تمكن النواة تطبيقات متعددة من مشاركة موارد الأجهزة من خلال توفير الوصول إلى وحدة المعالجة المركزية والذاكرة و التحكم في الإدخال / الإخراج ادارة الأمان والشبكات.
تخيل أن الكمبيوتر يتكون من سلسلة من الطبقات، الطبقة الأعمق هي الأجهزة، والطبقات الخارجية هي التطبيقات البرمجية التي تعمل على الكمبيوتر. في هذا التشبيه، يتم وضع النواة بين الأجهزة والتطبيقات لأنها ليست مسؤولة فقط عن إدارة موارد الأجهزة وتنفيذ البرامج، ولكن أيضًا عن الإشراف على التفاعلات بين هذه الطبقات.
تقوم أجهزة الكمبيوتر الحديثة بتقسيم الذاكرة إلى وضع النواة و وضع المستخدم.
وضع المستخدم هو المكان الذي يتم فيه تنفيذ البرامج التطبيقية، في حين يتم تخصيص مساحة kernel للعمل خلف الكواليس اللازم لتشغيل الكمبيوتر، مثل تخصيص الذاكرة وإدارة العمليات. وبسبب هذا الفصل بين النواة و وضع المستخدم، فإن العمل الذي تقوم به النواة لا يكون مرئيًا للمستخدم عادةً.
في اللغة العربية، يمكن أن تُترجم كلمة "kernel" إلى "النواة" أو "القلب".
فيما يلي بعض الأمثلة على النواة في نظم التشغيل المختلفة:
- Linux kernel: هي النواة المفتوحة المصدر المستخدمة في معظم أنظمة التشغيل Linux.
- Windows kernel: هي النواة الخاصة مغلقة المصدر المستخدمة في أنظمة التشغيل Windows.
- macOS kernel يسمى (XNU): هي النواة الخاصة مفتوحة المصدر المستخدمة في أنظمة التشغيل macOS.
أنواع نواة الكيرنل في أنظمة التشغيل:
- النواة المتجانسة (Monolithic kernel): هي نواة واحدة كبيرة تنفذ كافة خدمات نظام التشغيل، مثل برامج تشغيل الأجهزة وأنظمة الملفات ومكدسات الشبكة. تعتبر النوى المتجانسة سهلة التصميم والتنفيذ، ولكنها قد تكون أقل كفاءة وقابلة للتطوير من أنواع النواة الأخرى. تتضمن أمثلة أنظمة التشغيل التي تستخدم نواة متجانسة Linux و macOS و Windows.
- النواة الدقيقة (Microkernel): هي نواة صغيرة تنفذ فقط خدمات نظام التشغيل الأساسية، مثل إدارة الذاكرة وإدارة العمليات والاتصال بين العمليات. يتم تنفيذ جميع خدمات نظام التشغيل الأخرى كعمليات منفصلة لمساحة المستخدم. تعد النوى الدقيقة أكثر نمطية ومرونة من النوى المتجانسة، ولكنها قد تكون أيضًا أقل كفاءة. تتضمن أمثلة أنظمة التشغيل التي تستخدم النوى الدقيقة Mach و L4.
- النواة الهجينة (Hybrid kernel): تجمع النواة الهجينة بين ميزات النواة المتجانسة والنواة الدقيقة. تنفذ النواة الهجينة عادةً خدمات نظام التشغيل الأساسية في النواة، ولكنها تسمح أيضًا بتحميل وتفريغ الخدمات غير الأساسية حسب الحاجة. وهذا يجعل النواة الهجينة فعالة ومرنة. تتضمن أمثلة أنظمة التشغيل التي تستخدم النواة الهجينة Windows NT و macOS.
بالإضافة إلى هذه الأنواع الثلاثة الرئيسية من النوى، هناك أيضًا عدد من بنيات النواة المتخصصة الأخرى، مثل:
- النواة النانوية (Nanokernel): هي نواة أصغر من النواة الدقيقة. وعادة ما ينفذ فقط الحد الأدنى من خدمات نظام التشغيل، مثل إدارة الذاكرة وإدارة العمليات. يتم تنفيذ جميع الخدمات الأخرى كعمليات مساحة المستخدم. تعتبر النواة النانوية فعالة للغاية، ولكن قد يكون من الصعب أيضًا تطويرها واستخدامها.
- إكسو كيرنل (Exokernel): هو نوع من النواة يوفر فقط خدمات تجريد الأجهزة الأساسية، مثل إدارة الذاكرة ومعالجة المقاطعات. يتم تنفيذ كافة خدمات نظام التشغيل الأخرى، مثل برامج تشغيل الأجهزة وأنظمة الملفات ومكدسات الشبكة، كعمليات مساحة المستخدم. تتميز النواة الخارجية بأنها مرنة وفعالة للغاية، ولكنها قد تكون أيضًا معقدة في التطوير والاستخدام.
يعتمد نوع النواة الأفضل لنظام تشغيل معين على عدد من العوامل، مثل متطلبات أداء النظام، ومتطلبات قابلية التوسع، ومتطلبات الأمان.
تختلف النواة من نظام تشغيل إلى آخر، ولكن لها نفس الوظيفة الأساسية، وهي إدارة موارد النظام وتوفير واجهة للبرامج الأخرى للتفاعل مع الأجهزة.
في الختام:
يمكننا تصور ان الكيرنل عبارة عن الجهاز العصبي في جسم الإنسان لا يمكن لجسم الإنسان ان يخطو اي حركة بدون أوامر من الجهاز العصبي، في نواة الكيرنل بنظام التشغيل تعمل كالأعصاب لا يمكن إتخاذ أي قرار بالأجهزة الا عند مرورها بنواة الكيرنل لتنفيذ العمليات المطلوبة.
سوف نتطرق في موضوع آخر عن مهام الكيرنل (نظام التشغيل) و وظائفه.