ما هو نظام التشغيل؟

يتفاعل المستخدم مع نظام التشغيل من خلال واجهة مستخدم (UI)، والتي تصدر أوامر بلغة يفهمها نظام التشغيل. يمكن أن تكون واجهة المستخدم إما واجهة مستخدم رسومية (GUI) أو واجهة سطر أوامر (CLI). يعتمد مليارات الأشخاص على أنظمة التشغيل باعتبارها نظام الإدارة الأساسي لمهام مثل إرسال رسائل البريد الإلكتروني وتصفح الإنترنت وتشغيل ألعاب الفيديو وغيرها.

جميع أنظمة الكمبيوتر—من الكمبيوتر المركزي إلى أجهزة الكمبيوتر المكتبية إلى الأجهزة المحمولة—تحتاج إلى نظام تشغيل واحد على الأقل لأداء المهام وتشغيل التطبيقات والتفاعل مع الأجهزة.

في تقرير صادر عن Statista، يعتبر نظام التشغيل Microsoft Windows هو نظام التشغيل الأكثر استخدامًا في جميع أنحاء العالم، حيث يسيطر على 67% من سوق أنظمة تشغيل أجهزة الكمبيوتر المكتبية والأجهزة اللوحية ووحدات التحكم.¹ يحتل macOS من Apple المرتبة الثانية في هذه الفئة.

يتصدر نظام التشغيل أندرويد بحصة سوقية تبلغ حوالي 72.04% في فئة أنظمة تشغيل الأجهزة المحمولة، بينما يحتل نظام التشغيل iOS من Apple المركز الثاني بحصة سوقية تبلغ 27.49%.²

في عالم البرمجيات مفتوحة المصدر، يُعدّ Linux الأكثر شيوعًا — والمفضّل على نطاق واسع من قبل كل من المؤسسات والأفراد لمرونته وأمانه.

بدأ تاريخ نظام التشغيل (OS) بأجهزة الكمبيوتر المبكرة التي تطلبت برامج نظام مخصصة لإدارة المهام. في البداية كانت أنظمة التشغيل بسيطة وتعمل بنظام الدفعات، ثم تطورت لدعم تعدد المهام والواجهات التفاعلية، وذلك بفضل التقدم في الأجهزة والبرمجيات.

أدّى اختراع الدائرة المتكاملة (IC) في الخمسينيات من القرن الماضي إلى ظهور الرقائق الدقيقة، ممّا عزّز قوة المعالجة وقلّل من حجم الكمبيوتر، ومكّن من إنجاز مهام أكثر تعقيدًا. في عام 1964، قدمت شركة IBM نظام التشغيل OS/360، والذي اعتمد على لغة البرمجة التجميعية، لنظام IBM System/360. قام نظام التشغيل OS/360 بتوحيد البرامج عبر أجهزة الكمبيوتر المركزية، مما أثر على تصميمات أنظمة التشغيل المستقبلية. بالإضافة إلى ذلك، كان نظام التشغيل OS/360 أول نظام تشغيل متعدد البرامج، والذي كان بإمكانه تشغيل العديد من البرامج في وقت واحد على جهاز بمعالج واحد.

مع مرور الوقت، تطور نظام التشغيل OS/360 إلى ®z/OS ، وهو نظام التشغيل الحديث للكمبيوتر المركزي من IBM. (تعمل أجهزة الكمبيوتر المركزية ®IBM Z اليوم أيضًا على Linux و z/TPF، مع وجود أنظمة تشغيل متعددة تعمل غالبًا على كمبيوتر مركزي واحد.)

لقد أرست نشأة نظام التشغيل Unix بتقنية المشاركة الزمنية في الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي سوابق مهمة لأنظمة التشغيل الحديثة من خلال تقديم مفاهيم مثل تعدد المهام وقابلية النقل ونظام ملفات هرمي، والتي تعتبر أساسية لأنظمة اليوم.

في أواخر الثمانينيات والتسعينيات، تم تقديم وحدات معالجة الرسوميات (GPUs) للتعامل مع معالجة الرسوميات. مع تطور وحدات معالجة الرسوميات لدعم الحسابات للأغراض العامة، وخاصة في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، بدأت شركات مثل Apple و Microsoft بدمجها بشكل أعمق في أنظمة التشغيل الخاصة بها. اليوم، أصبحت وحدات معالجة الرسوميات (GPUs) ميزة قياسية في معظم أنظمة الحوسبة، حيث تشغل كل شيء بدءًا من الألعاب والوسائط المتعددة وصولًا إلى الحوسبة العلمية والتعلم الآلي (ML).

وقد ظهرت ابتكارات مثل المحاكاة الافتراضية والنقل بالحاويات مع تزايد الحاجة إلى قدر أكبر من الكفاءة وقابلية التوسع، وخاصةً في الحوسبة السحابية. تتيح المحاكاة الافتراضية تشغيل العديد من الآلات الافتراضية (VMs) على جهاز فعلي واحد. يتولى مراقب الأجهزة الافتراضية (Hypervisor) إدارة هذه الآلات الافتراضية، ويعمل مثل نظام تشغيل خفيف الوزن من خلال التعامل مع إدارة الموارد وتخصيص الذاكرة دون الحاجة إلى نظام تشغيل كامل. تعتبر VMware رائدة في سوق المحاكاة الافتراضية وبرامج مراقبة الأجهزة الافتراضية.

يعتمد النقل بالحاويات على المحاكاة الافتراضية من خلال تقديم نهج أخف لتشغيل التطبيقات المعزولة. على عكس الآلات الافتراضية، لا تتضمن الحاويات نسخة كاملة من نظام التشغيل. بدلاً من ذلك، يتم تثبيت محرك وقت تشغيل الحاويات (على سبيل المثال، Docker) على نظام التشغيل الخاص بالنظام المضيف، ويعمل كواجهة يتم من خلالها مشاركة جميع الحاويات لنفس نظام التشغيل. تُمكِّن هذه القدرة الحاويات من محاكاة نظام التشغيل، مما يسمح للتطبيقات وتبعياتها بالعمل بشكل مستقل على نظام تشغيل واحد، وبالتالي تحسين كفاءة استخدام الموارد.

في سياقات المستخدم الفردي والمؤسسات على حد سواء، يقوم نظام التشغيل بإدارة وتنسيق الأجهزة والبرامج، مما يوفر بيئة يمكن للمستخدمين التفاعل فيها بفعالية. في بيئات المؤسسات، يدعم نظام التشغيل عمليات أوسع نطاقًا لدعم العديد من المستخدمين والعمليات والخدمات عبر المؤسسة، بما في ذلك ما يلي:

• إدارة العمليات: يدير نظام التشغيل تنفيذ عمليات وسلاسل عمليات متعددة، بما في ذلك مهام مثل الجدولة والمزامنة والاتصال بين العمليات. تتفاعل تطبيقات المستخدم مع نظام التشغيل من خلال استدعاءات النظام لإنشاء وإدارة وإنهاء العمليات وتسهيل الاتصال بين العمليات. على سبيل المثال، في إدارة عمليات الأعمال التي تركز على التكامل (BPM)، يلعب نظام التشغيل دورًا رئيسيًا في ضمان تفاعل سلس بين مختلف أنظمة البرمجيات. بينما تقوم فِرق تكنولوجيا المعلومات أو مُشغّلو الأنظمة بدمج نظام إدارة علاقات العملاء (CRM) مع تطبيقات المؤسسة الأخرى، يقوم نظام التشغيل بإدارة واجهات برمجة التطبيقات (APIs)، وتخصيص الموارد، وتأمين تدفق البيانات، مما يُمكّن العمليات الآلية بأقل تدخل بشري.

• إدارة الذاكرة: يقوم نظام التشغيل بتخصيص ذاكرة الكمبيوتر والتحكم فيها. يضمن أن البرامج لديها موارد كافية للتشغيل دون التدخل في برامج أخرى. يتعامل بكفاءة مع كل من الذاكرة الرئيسية (RAM) والتخزين الثانوي (محركات الأقراص الثابتة، ومحركات الأقراص ذات الحالة الصلبة)، وذلك باستخدام التجزئة والتبديل لنقل البيانات بينهما حسب الحاجة.

• إدارة نظام الملفات: يقوم نظام التشغيل بتنظيم واسترجاع الملفات، وإدارة الدلائل وتسمية الملفات والصلاحيات. ويضمن سلامة البيانات من خلال آليات مثل التحقق من صحة البيانات والمجاميع الاختبارية وأكواد تصحيح الأخطاء.

• إدارة الأجهزة: يقوم نظام التشغيل بإدارة أجهزة الإدخال/الإخراج (I/O) (على سبيل المثال، لوحات المفاتيح، ومحركات الأقراص، والطابعات، والشاشات)، مما يوفر واجهة للبرامج للتفاعل مع المكونات. في البيئة الافتراضية، يتضمن ذلك الآلات الافتراضية والمحولات الافتراضية وما إلى ذلك.

• الأمان والتحكم في الوصول: ينفذ نظام التشغيل بروتوكولات الأمان، بما في ذلك المصادقة والتشفير وتعيين أذونات المستخدم، مما يضمن الوصول المصرح به فقط إلى الموارد.

• الشبكات: يدير نظام التشغيل الشبكات، مما يتيح الاتصال بين أجهزة الكمبيوتر عبر الشبكات المحلية (LANs) أو الإنترنت والتعامل مع بروتوكولات مثل TCP / IP.

• اكتشاف الأخطاء ومعالجتها: يراقب نظام التشغيل الأخطاء المتعلقة بالبرمجيات والأجهزة، ويوفر آليات للإبلاغ عن الأخطاء والتعافي منها.

• تخصيص الموارد: يقوم نظام التشغيل بتخصيص الموارد بكفاءة مثل وقت وحدة المعالجة المركزية (CPU) والذاكرة وأجهزة الإدخال/الإخراج للحصول على الأداء الأمثل للنظام.

• مراقبة أداء النظام: يقوم نظام التشغيل بتتبع أداء النظام (على سبيل المثال، استخدام الذاكرة، والعمليات قيد التشغيل، وسجلات النظام) وضبط العمليات أو الموارد لتحسين الكفاءة.

يتكون نظام التشغيل من عدة مكونات أساسية تعمل معًا لضمان وظائف النظام وكفاءته:

• نواة

• جدولة العمليات

• مدير الذاكرة

• مدير الإدخال/الإخراج

• مدير نظام الملفات

• واجهة المستخدم

يمكن تصنيف أنظمة التشغيل إلى عدة أنواع بناءً على ميزاتها ووظائفها وتوافقها مع الأجهزة والتطبيقات البرمجية المختلفة. وتشمل ما يلي:

• أنظمة التشغيل المدمجة

• أنظمة التشغيل الموزعة

• أنظمة التشغيل الآنية

• أنظمة تشغيل الشبكات

• أنظمة تشغيل المجموعة

تم تصميم نظام التشغيل المدمج لإدارة موارد الأجهزة في أجهزة مُتخصصة مثل الهواتف الذكية وأنظمة السيارات والأجهزة المنزلية. على عكس أنظمة التشغيل ذات الأغراض العامة، تم تحسين أنظمة التشغيل المدمجة لتحقيق الأداء والكفاءة والموثوقية في البيئات محدودة الموارد. عادة ما تكون خفيفة الوزن، مع الحد الأدنى من واجهات المستخدم، وهي مصممة لتشغيل تطبيقات محددة بشكل مستمر أو في الوقت الفعلي.

ينسق نظام التشغيل الموزع بين أجهزة حاسوب مستقلة متعددة لتعمل معًا كنظام موحّد. يسمح بمشاركة الموارد من أجهزة مختلفة، مما يوفر واجهة واحدة وشفافة للمستخدم وبرامج التطبيقات. يدير نظام التشغيل الاتصال ومشاركة البيانات ومزامنة المهام عبر مختلف العُقد، مما يضمن قدرة المستخدمين على التفاعل مع النظام دون القلق بشأن التوزيع المادي للموارد.

نظام ملفات Google (GFS)، على سبيل المثال، هو جزء من بنية نظام Google الموزع، مما يسمح بتوزيع البيانات عبر العديد من الخوادم وضمان التوافر العالي والقدرة على تحمل الأخطاء.

تم تصميم نظام التشغيل الآني (RTOS) للتعامل مع المهام الحساسة للوقت مع قيود توقيت دقيقة. في نظام التشغيل الآني، يضمن النظام اكتمال العمليات الحساسة ضمن إطار زمني محدد، مما يضمن إمكانية التنبؤ والاستقرار.

يتم استخدام أنظمة التشغيل هذه في تطبيقات مثل الأتمتة الصناعية والتشغيل الآلي والأجهزة الطبية، والتي تعتمد على أنظمة التحكم حيث يمكن أن يكون للتأخير أو الفشل عواقب وخيمة. تُستخدم أنظمة التشغيل الآنية مثل VxWorks بشكل شائع في الأنظمة المدمجة لتطبيقات الفضاء والدفاع، حيث تكون الاستجابات في الوقت الحقيقي ضرورية للسلامة والأداء.

نظام تشغيل الشبكة (NOS) هو برنامج يقوم بإدارة وتنسيق موارد الأجهزة والبرمجيات الخاصة بأجهزة الكمبيوتر المتعددة المتصلة في شبكة. يتيح الاتصال بين الأجهزة ومشاركة الملفات وإدارة الموارد عبر الشبكة.

يتضمن نظام تشغيل الشبكة عادةً ميزات مثل أمان الشبكة ومصادقة المستخدم والإدارة المركزية، مما يسمح لمسؤولي النظام بالتحكم في الوصول وتهيئة الإعدادات عبر جميع الأجهزة المتصلة. تتضمن أمثلة أنظمة تشغيل الشبكة Microsoft Windows و Cisco IOS و macOS Server.

يدير نظام تشغيل المجموعة مجموعة من أجهزة الكمبيوتر المترابطة (العُقد) التي تعمل معًا لأداء المهام مثل نظام واحد. تُستخدم هذه الأنظمة عادةً في إعدادات الحوسبة عالية الأداء (HPC)(على سبيل المثال، استضافة الويب والبحث العلمي) وتوفر موازنة الأحمال وتحمل الأعطال ومشاركة الموارد بين العُقد. تسمح أنظمة تشغيل المجموعة للمستخدمين بتوسيع نطاق القدرة الحاسوبية من خلال الجمع بين عدة أجهزة، مما يحسّن من موثوقية النظام والأداء بشكل عام.

مئات من أنظمة التشغيل موجودة لخدمة مجموعة واسعة من الأغراض، بدءًا من الحوسبة الشخصية والأجهزة المحمولة وصولًا إلى بيئات المؤسسات والسحابة. هذه بعضًا من أكثرها شيوعًا:

• Linux

• macOs

• iOS

• Android

®Linux هو نظام تشغيل مفتوح المصدر يُستخدم على نطاق واسع في أجهزة سطح المكتب والخوادم والأنظمة المدمجة. وهو يحظى بشعبية خاصة في إدارة الخوادم والبنية التحتية السحابية وتطوير البرامج.

تُستخدم إصدارات المؤسسات البارزة مثل Red Hat® Enterprise Linux (RHEL) و SUSE Linux Enterprise Server (SLES)بشكل شائع في بيئات الأعمال نظرًا لاستقرارها ودعمها.

بالإضافة إلى ذلك، هناك العديد من توزيعات Linux المصممة خصيصًا لحالات الاستخدام، بما في ذلك Ubuntu و Fedora و Debian. هذه التوزيعات تجعل نظام Linux متعدد الاستخدامات ومناسبًا للاستخدام الشخصي للكمبيوتر والتطوير والتطبيقات المتخصصة.

يعد Microsoft Windows أحد أكثر أنظمة التشغيل استخدامًا على مستوى العالم للاستخدام الشخصي والتجاري. يشتهر بواجهته سهلة الاستخدام وتنوعها، فهي تدعم تطبيقات برمجية متنوعة، بدءًا من أدوات الإنتاجية مثل Microsoft office وصولًا إلى البرامج المتخصصة للألعاب والهندسة والتصميم.

نظام تشغيل MacOS (كان يُعرف سابقًا باسم OS X) هو نظام تشغيل مملوك شبيه بـ Unix مُصمم للعمل على أجهزة سطح المكتب والكمبيوتر المحمول ومحطات العمل الخاصة بشركة Apple (على سبيل المثال، iMac، MacBook، MacBook Pro). نظام macOS يتمتع بشعبية خاصة بين المحترفين في الصناعات الإبداعية، حيث يتفوق في مجالات مثل التصميم الجرافيكي، وتحرير الفيديو، وإنتاج الموسيقى، وتطوير البرمجيات.

نظام تشغيل الأجهزة المحمولة Apple iOS هو نظام تشغيل مملوك يعمل على أجهزة Apple المحمولة مثل هواتف iPhones وأجهزة iPads.

تطوره Google، نظام Android هو نظام تشغيل مفتوح المصدر للهواتف المحمولة يستخدم على نطاق واسع في أجهزة الهواتف الذكية الشخصية والتجارية.

من المتوقع أن يشهد سوق أنظمة تشغيل الذكاء الاصطناعي نموًا كبيرًا، حيث تتوقع أبحاث Knowledge Sourcing Intelligence زيادة من 12.496 مليار دولار أمريكي في عام 2024 إلى 29.297 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2029، بمعدل نمو سنوي مركب قدره 18.58%.³

في بيئات المؤسسات، تستفيد أنظمة التشغيل المدعومة بالذكاء الاصطناعي من التعلم الآلي والأتمتة للتنبؤ بسلوكيات المستخدمين، وتحسين تخصيص الموارد، والتكيف مع أعباء العمل المتغيرة في الوقت الفعلي. قدرات الشفاء الذاتي تقلل من فترة التعطل عن طريق الكشف التلقائي عن المشكلات وحلها، بينما تحدد أنظمة الأمان المدعومة بالذكاء الاصطناعي التهديدات السيبرانية وتخفف من حدتها، مما يضمن بقاء بيانات المؤسسة محمية.

تدمج أنظمة التشغيل الرائدة مثل Windows و macOS الذكاء الاصطناعي لتحسين إدارة الموارد وتعزيز الأمان (على سبيل المثال، نظام Windows Defender Face ID) وتوفير تجربة مستخدم مخصصة.