سیستم‌عامل (OS) نرم‌افزاری اساسی است که منابع سخت‌افزاری کامپیوتر را مدیریت می‌کند و بستری را برای اجرای برنامه‌ها فراهم می‌کند. این به‌عنوان یک واسطه بین کاربران و سخت‌افزار عمل می‌کند، تعامل را تسهیل می‌کند و استفاده کارآمد از منابع را تضمین می‌کند. درک ساختار یک سیستم‌عامل برای درک عملکردهای آن و پیچیدگی‌های توسعه آن ضروری است. در این مقاله به بررسی ساختار یک سیستم‌عامل می‌پردازیم و به اجزای مختلف آن و نقش آن‌ها در عملکرد سیستم می‌پردازیم.
در قلب هر سیستم‌عامل، هسته قرار دارد که به‌عنوان جزء اصلی مسئول مدیریت منابع سخت‌افزاری و ارائه خدمات ضروری به برنامه‌ها عمل می‌کند. هسته مستقیماً با سخت‌افزار تعامل دارد، پیچیدگی‌های آن را انتزاع می‌کند و نرم‌افزار سطح بالاتر را قادر می‌سازد تا به‌طور مؤثر به منابع سیستم دسترسی پیدا کند. وظایفی مانند مدیریت فرآیند، مدیریت حافظه، درایورهای دستگاه و تماس‌های سیستمی را انجام می‌دهد.
مدیریت فرآیند: هسته بر اجرای فرآیندها که نمونه‌هایی از برنامه‌های در حال اجرا هستند نظارت می‌کند. زمان CPU را تخصیص می‌دهد، زمان‌بندی فرآیند را مدیریت می‌کند و ارتباطات بین فرآیندی را تسهیل می‌کند.
مدیریت حافظه: مدیریت حافظه شامل تخصیص و تخصیص منابع حافظه به فرآیندها، تضمین استفاده کارآمد از حافظه موجود است. هسته حفاظت از حافظه، حافظه مجازی و تعویض حافظه را برای بهینه‌سازی عملکرد سیستم مدیریت می‌کند.
درایورهای دستگاه: درایورهای دستگاه اجزای نرم‌افزاری ضروری هستند که ارتباط بین سیستم‌عامل و دستگاه‌های سخت‌افزاری را امکان‌پذیر می‌کنند. هسته درایورهای دستگاه را برای پشتیبانی از اجزای سخت‌افزاری مختلف مانند دستگاه‌های ذخیره‌سازی، رابط‌های شبکه و لوازم جانبی ورودی/خروجی فراهم می‌کند.
تماس‌های سیستمی: فراخوانی‌های سیستمی توابع رابطی هستند که فرآیندهای سطح کاربر را قادر می‌سازند تا با هسته تعامل داشته باشند. آن‌ها به برنامه‌ها اجازه می‌دهند تا خدمات سیستم‌عامل مانند عملیات فایل، ارتباطات شبکه و ایجاد فرآیند را درخواست کنند.
سیستم فایل مسئول سازمان‌دهی و مدیریت ذخیره‌سازی داده‌ها در دستگاه‌های ذخیره‌سازی، مانند هارددیسک، درایوهای حالت‌جامد (SSD) و رسانه‌های ذخیره‌سازی خارجی است. این یک ساختار سلسله مراتبی برای سازمان‌دهی فایل‌ها و دایرکتوری‌ها فراهم می‌کند و کاربران را قادر می‌سازد تا داده‌ها را به‌طور مؤثر ذخیره، بازیابی و دست‌کاری کنند.
سازمان‌دهی فایل: سیستم فایل داده‌ها را در فایل‌هایی که واحدهای ذخیره‌سازی نامیده می‌شوند و دایرکتوری‌هایی که محفظه‌هایی برای سازمان‌دهی فایل‌ها به‌صورت سلسله مراتبی هستند، سازمان‌دهی می‌کند. برای مدیریت دسترسی و امنیت فایل، ابر داده‌ها، مانند ویژگی‌ها و مجوزهای فایل را حفظ می‌کند.
عملیات فایل: سیستم‌های فایل از عملیات مختلفی ازجمله ایجاد فایل، خواندن، نوشتن، حذف و اصلاح پشتیبانی می‌کنند. آن‌ها یکپارچگی و قابلیت اطمینان داده‌ها را از طریق تکنیک‌هایی مانند ژورنال و بررسی سازگاری سیستم فایل تضمین می‌کنند.
مدیریت ذخیره‌سازی: سیستم فایل تخصیص فضای دیسک را مدیریت می‌کند و از استفاده کارآمد از منابع ذخیره‌سازی اطمینان حاصل می‌کند. وظایفی مانند تخصیص فایل، مدیریت بلوک و تقسیم دیسک را برای بهینه‌سازی عملکرد و قابلیت اطمینان ذخیره‌سازی انجام می‌دهد.
رابط کاربری (UI) جزء سیستم‌عامل است که کاربران را قادر می‌سازد تا با سیستم و برنامه‌های کاربردی تعامل داشته باشند. این یک رابط گرافیکی یا خط فرمان فراهم می‌کند که از طریق آن کاربران می‌توانند دستورات را وارد کنند، به منابع سیستم دسترسی داشته باشند و داده‌ها را دست‌کاری کنند.
رابط کاربری گرافیکی (GUI): رابط‌های گرافیکی از عناصر بصری مانند پنجره‌ها، نمادها، منوها و دکمه‌ها برای فعال کردن تعامل بصری با سیستم‌عامل و برنامه‌ها استفاده می‌کنند. آن‌ها یک محیط کاربرپسند را برای انجام کارهایی مانند مدیریت فایل، مرور وب و پخش چندرسانه‌ای فراهم می‌کنند.
رابط خط فرمان (CLI): CLI ها به کاربران اجازه می‌دهند تا از طریق دستورات مبتنی بر متن با سیستم تعامل داشته باشند. آن‌ها ابزاری قدرتمند و کارآمد برای انجام وظایف مدیریت سیستم، روال‌های اتوماسیون اسکریپت نویسی و دسترسی به ویژگی‌های پیشرفته‌ای که در رابط کاربری گرافیکی موجود نیستند، فراهم می‌کنند.
ویژگی‌های دسترسی: سیستم‌های عامل اغلب شامل ویژگی‌های دسترس‌پذیری برای سازگاری با کاربران معلول هستند. این ویژگی‌ها ممکن است شامل صفحه خوان‌ها، ابزارهای بزرگ‌نمایی، تشخیص گفتار و روش‌های ورودی جایگزین برای افزایش قابلیت استفاده و فراگیری باشد.
قابلیت‌های شبکه‌سازی، رایانه‌ها را قادر می‌سازد تا با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و منابع را در شبکه‌های محلی و جهانی به اشتراک بگذارند. سیستم‌عامل پشتیبانی شبکه را از طریق پروتکل‌های شبکه، درایورهای دستگاه و ابزارهای پیکربندی شبکه فراهم می‌کند.
پروتکل‌های شبکه: پروتکل‌های شبکه استانداردها و قوانینی را برای انتقال داده و ارتباط بین دستگاه‌های موجود در شبکه تعریف می‌کنند. پروتکل‌های رایج عبارت‌اند از TCP/IP (پروتکل کنترل انتقال/پروتکل اینترنت)، UDP (پروتکل دیتاگرام کاربر)، HTTP (پروتکل انتقال ابرمتن) و FTP (پروتکل انتقال فایل).
درایورهای دستگاه: درایورهای دستگاه شبکه، کارت‌های رابط شبکه (NIC) را برای اتصال رایانه‌ها به شبکه و برقراری ارتباط با دستگاه‌های دیگر فعال می‌کنند. این سیستم‌عامل شامل درایورهای داخلی برای سخت‌افزار شبکه رایج است و به کاربران اجازه می‌دهد در صورت نیاز درایورهای اضافی را نصب کنند.
پیکربندی شبکه: سیستم‌عامل ابزارهایی را برای پیکربندی تنظیمات شبکه مانند آدرس‌های IP، ماسک‌های زیر شبکه، سرورهای DNS و رابط‌های شبکه فراهم می‌کند. کاربران می‌توانند اتصالات شبکه را به‌صورت دستی پیکربندی کنند یا از روش‌های پیکربندی خودکار مانند DHCP (پروتکل پیکربندی میزبان پویا) استفاده کنند.
امنیت یک جنبه مهم طراحی سیستم‌عامل است که از یکپارچگی، محرمانه بودن و در دسترس بودن منابع و داده‌های سیستم اطمینان می‌دهد. سیستم‌عامل از مکانیسم‌های امنیتی مختلفی برای محافظت در برابر دسترسی‌های غیرمجاز، نرم‌افزارهای مخرب و تهدیدات امنیتی استفاده می‌کند.
احراز هویت کاربر: مکانیسم‌های احراز هویت کاربر، مانند رمزهای عبور، بیومتریک و احراز هویت چندعاملی، هویت کاربران را تأیید می‌کند و دسترسی به منابع سیستم را کنترل می‌کند. آن‌ها از دسترسی کاربران غیرمجاز به داده‌های حساس و انجام عملیات ممتاز جلوگیری می‌کنند.
کنترل دسترسی: مکانیسم‌های کنترل دسترسی مجوزها و امتیازات را برای تنظیم دسترسی کاربر به فایل‌ها، دایرکتوری‌ها و منابع سیستم اعمال می‌کنند. آن‌ها سیاست‌های دسترسی مانند مجوزهای خواندن، نوشتن، اجرا و مدیریت را تعریف می‌کنند و دسترسی را بر اساس نقش‌ها و مجوزهای کاربر محدود می‌کنند.
رمزگذاری: تکنیک‌های رمزگذاری، مانند الگوریتم‌های رمزگذاری و پروتکل‌های رمزنگاری، از محرمانگی داده‌ها با رمزگذاری اطلاعات در قالبی امن محافظت می‌کنند که فقط با کلید رمزگشایی مناسب قابل رمزگشایی است. رمزگذاری داده‌ها را در حین ذخیره‌سازی، انتقال و پردازش محافظت می‌کند و از ره‌گیری و دست‌کاری غیرمجاز جلوگیری می‌کند.
به‌روزرسانی‌ها و وصله‌های امنیتی: سیستم‌های عامل به‌طور منظم به‌روزرسانی‌ها و وصله‌های امنیتی را برای رفع آسیب‌پذیری‌ها، باگ‌ها و ضعف‌های امنیتی منتشر می‌کنند. به کاربران توصیه می‌شود برای کاهش خطرات امنیتی و اطمینان از محافظت از سیستم در برابر تهدیدات نوظهور، به‌روزرسانی‌ها را سریعاً نصب کنند.
ساختار یک سیستم‌عامل طیف متنوعی از اجزا را در بر می‌گیرد که هر یک نقش حیاتی در عملکرد سیستم و تجربه کاربر دارند. از هسته و سیستم فایل گرفته تا رابط کاربری، شبکه و ویژگی‌های امنیتی، سیستم‌عامل‌ها بستری جامع برای وظایف محاسباتی و مدیریت منابع فراهم می‌کنند. با درک ساختار و عملکرد سیستم‌های عامل، توسعه‌دهندگان، مدیران سیستم و کاربران می‌توانند بینشی در مورد عملکرد سیستم، بهینه‌سازی عملکرد و اطمینان از امنیت و قابلیت اطمینان محیط‌های محاسباتی به دست آورند.
