Operating System — القراءة بالعربية

عناوين القصص ما زالت بالإنجليزية، أمّا نص كل قصة فبالعربية.

في منتصف القرن العشرين، كانت أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية الأولى ضخمة، آلات تملأ الغرف، انتصارات هندسية لكنها كانت تعاني من عدم كفاءة بالغة. كل عملية حسابية، كل برنامج، تطلب إعدادًا يدويًا دقيقًا من قبل مشغلين ذوي مهارات عالية. شهد هذا العصر عقولًا لامعة تتصارع مع لوجستيات معقدة، محولة الأجهزة الخام إلى أدوات وظيفية. "هناك مهمة أخرى في قائمة الانتظار لجهاز آي بي إم سبعمئة وأربعة"، علق المشغل الأول طومسون، مشيرًا إلى كومة من البطاقات المثقبة. "سيستغرق منا عشرين دقيقة فقط لتبديل محركات الأشرطة وإعادة تهيئة لوحة التوصيل للبرنامج التالي." "عشرون دقيقة من وقت وحدة المعالجة المركزية الخاملة إذن"، تنهد المهندس ديفيس، مراجعًا سجل النظام. "هذا ما يقرب من ربع ساعة لكل مهمة نقوم بتشغيلها. هذه الآلة أعجوبة، ومع ذلك تقضي وقتًا في انتظارنا أكثر مما تقضيه في الحساب." أومأ طومسون برأسه بجدية. "دورات الحساب الثمينة لدينا تتسرب في هذه التحولات اليدوية. نحن بحاجة إلى طريقة أسرع وأكثر تكاملًا لإدارة هذه العمليات."

كانت العملية الشاقة لإعداد جهاز كمبيوتر لكل مهمة جديدة استنزافًا تقنيًا واقتصاديًا عميقًا. كل برنامج، سواء كان حسابًا علميًا معقدًا أو فرزًا بسيطًا للبيانات، يتطلب إعادة تهيئة يدوية كاملة للجهاز. وهذا يعني تحميل المترجمات الصحيحة، وتكوين أجهزة الإدخال/الإخراج، وإعداد أقسام الذاكرة - كل ذلك قبل أن تبدأ عملية الحساب الفعلية. هذا "وقت الإعداد" يعني أن هذه الآلات باهظة الثمن غالبًا ما كانت تبقى خاملة، في انتظار التدخل البشري، وقوتها المعالجة الهائلة كامنة مؤقتًا. "انظر إلى هذا،" قالت الفنية أنيا شارما، وهي امرأة في أواخر العشرينات من عمرها ذات شعر داكن ومشدود إلى الخلف وتعبير مركز، ترتدي فستان عمل رمادي عملي، مشيرة إلى لوحة جدول كبيرة توضح تفاصيل استخدام الآلة. "الوظيفة أ تنتهي، ثم لدينا فجوة مدتها خمس عشرة دقيقة لإعادة المعايرة، ثم الوظيفة ب، وفجوة أخرى مدتها عشر دقائق. إنه مثل تشغيل مصنع يتوقف فيه خط التجميع تمامًا بين كل عنصر." هز المهندس ديفيس رأسه وهو يعدل نظارته. "بالضبط. نحن نفقد ساعات من الحسابات القيمة كل يوم. هذا 'الوقت الميت' بين العمليات فلكي. الآلة تنتظرنا، ونحن عنق الزجاجة الخاص بها." "إنه ببساطة غير مقبول لمثل هذه الأداة القوية،" أضاف طومسون وهو يسير ببطء. "نحن بحاجة إلى نظام يمكنه إدارة هذه الانتقالات تلقائيًا، وترتيب المهام في طوابير، وتقليل هذا التوقف المكلف."

لقد حفز الواقع الصارخ للاستخدام غير الفعال للآلة رؤية جذرية بين رواد الحوسبة. ماذا لو تمكنت الآلة نفسها من إدارة عملياتها الخاصة؟ كانت الفكرة هي إنشاء "برنامج رئيسي" يقيم في ذاكرة الكمبيوتر، وينظم تنفيذ البرامج الأخرى، ويتعامل مع تخصيص الموارد، ويقلل من التدخل البشري. كان مفهوم برنامج "المشرف" أو "المراقب" هذا هو السلف الفكري لنظام التشغيل، واعدًا بتحويل العمليات اليدوية الفوضوية إلى سير عمل مبسط ومؤتمت. "نحن بحاجة إلى برنامج إشرافي، وحدة تحكم في حركة المرور للعمليات الداخلية للآلة"، اقترحت الدكتورة إيفلين ريد، عالمة كمبيوتر لامعة في أواخر الثلاثينات من عمرها بشعر بني أنيق ومصفف، ترتدي بدلة عمل راقية من خمسينات القرن الماضي. أشارت إلى مخطط معقد على لوح أبيض. "تخيل برنامجًا مقيمًا يتلقى المهام، ويحملها، وينفذها، ثم يهيئ الآلة للمهمة التالية - كل ذلك دون لمسة بشرية واحدة بين المهام." بدا المهندس ديفيد كيم، وهو مبرمج شاب جاد في أواخر العشرينات من عمره بشعر أسود قصير ونظارات، يرتدي قميصًا أبيض ناصعًا، متفكرًا. "برنامج لإدارة برامج أخرى. يبدو الأمر وكأننا نمنح الآلة دماغًا لإدارة شؤونها الخاصة. التعقيد الهائل لذلك... حماية الذاكرة، ومعالجة المدخلات والمخرجات، واستعادة الأخطاء..." ابتسمت الدكتورة ريد. "بالضبط. كما لاحظ ليوناردو دافنشي ذات مرة، "البساطة هي قمة التعقيد". تحدينا ليس فقط الأتمتة، بل تصميم هذا النظام بأناقة أساسية يمكنها التعامل مع التعقيد المتأصل في الآلة. يجب أن يبدو بسيطًا للمبرمج، حتى لو كانت آلياته الداخلية معقدة."

بدأت الأفكار النظرية تتجمع لتتحول إلى حلول عملية. وكان أحد أقدم تطبيقات نظام المراقبة وأكثرها تأثيراً هو نظام الإدخال/الإخراج GM-NAA، الذي طوره روبرت باتريك في جنرال موتورز ونورث أمريكان أفييشن لجهاز آي بي إم سبعمائة وأربعة في عام ألف وتسعمائة وستة وخمسين. اتخذ هذا النظام الرائد الخطوة الحاسمة المتمثلة في استبدال الإعداد اليدوي بالتسلسل الآلي للمهام. لقد كانت قفزة تأسيسية، حولت تشغيل أجهزة الكمبيوتر المركزية باهظة الثمن من عملية يدوية إلى سير عمل أكثر استمرارية وموجهاً للدفعات. "لقد أحدث نظام الإدخال/الإخراج GM-NAA ثورة حقيقية في عملياتنا على جهاز آي بي إم سبعمائة وأربعة"، أوضح روبرت باتريك، المهندس المركز في أواخر الثلاثينات من عمره، ذو الشعر البني القصير والعملي والنظارات، مرتدياً قميصاً قصير الأكمام مدسوساً وربطة عنق، لزميل زائر في مختبر صاخب. "كان هدفنا بسيطاً: القضاء على التدخل اليدوي بين مهام الدفعات. في السابق، كنا نهدر دقائق بين كل برنامج." أشارت زميلته، المهندسة سارة تشين، في أوائل الثلاثينات من عمرها، ذات الشعر الأسود القصير وترتدي بلوزة عملية، إلى رسم بياني يوضح "شاشة مراقبة مقيمة". "إذن، هذه 'الشاشة' تبقى في الذاكرة. تقرأ بطاقات التحكم في المهام، وتحمل برنامج المستخدم، ثم تعيد التحكم عند انتهاء المهمة؟" "بالضبط"، أكد باتريك. "إنها حلقة مستمرة. الشاشة نفسها برنامج، لكن مهمتها هي إدارة تنفيذ البرامج الأخرى. هذا يقلل بشكل كبير من وقت الخمول لدينا ويزيد من الإنتاجية. لا مزيد من العبث بالأشرطة أو المفاتيح بين كل تشغيل."

عمل نظام الإدخال/الإخراج GM-NAA وفق مبدأ بسيط ولكنه عميق: معالجة الدُفعات. فبدلاً من تحميل برنامج واحد في كل مرة، كان المشغلون يجمعون عدة مهام، تسبق كل منها بطاقات تحكم خاصة، في "دفعة" واحدة. ثم يقرأ برنامج المراقبة المقيم بطاقات التحكم هذه بالتسلسل، ويقوم تلقائيًا بتحميل برنامج المستخدم الصحيح، وتنفيذه، ثم التنظيف قبل الانتقال إلى المهمة التالية في الدفعة. كان هذا التسلسل الآلي خطوة هائلة، حيث أبقى وحدة المعالجة المركزية منشغلة باستمرار، مما قلل من فترات الانتظار المكلفة التي ابتليت بها الحوسبة المبكرة. "هكذا يعمل الأمر"، أوضح باتريك، وهو يشرح عند لوحة التحكم. "نحن نجهز دفعة من البرامج، كل منها محدد بوضوح بواسطة بطاقات التحكم المتخصصة هذه. برنامج المراقبة نفسه صغير، ولكنه قوي. إنه يعمل دائمًا في جزء صغير من ذاكرة الجهاز." لاحظ تشين بينما تم إدخال كومة من البطاقات المثقوبة في قارئ. "إذن، يقرأ برنامج المراقبة بطاقة، ويحدد البرنامج، ويخصص الموارد، ثم يسلم التحكم إلى برنامج المستخدم؟" "بالضبط"، أكد باتريك. "بمجرد أن يكمل برنامج المستخدم مهمته، فإنه ينفذ تعليمات محددة تعيد التحكم إلى برنامج المراقبة الخاص بنا. ثم يتحقق برنامج المراقبة من بطاقة المهمة التالية، ويحمل البرنامج التالي، وتستمر الدورة. هذا التسليم الآلي هو المفتاح لتقليل وقت الخمول. لقد حولنا تسلسلاً من التوقفات اليدوية إلى تدفق مستمر من الحوسبة."

بينما أدت المعالجة الدفعية إلى تحسين الكفاءة بشكل كبير، كان الكمبيوتر لا يزال ينفذ برنامجًا واحدًا فقط في كل مرة. كانت القفزة المنطقية التالية هي تعدد البرامج: السماح لبرامج متعددة بالبقاء في الذاكرة في وقت واحد، مع قيام وحدة المعالجة المركزية بالتبديل بسرعة بينها. هذا، بالإضافة إلى المشاركة الزمنية، التي وسعت تعدد البرامج للسماح لعدة مستخدمين بالتفاعل مع الكمبيوتر في وقت واحد، حول الحوسبة بشكل كبير من مهمة فردية موجهة نحو الدفعات إلى أداة قوية وتفاعلية. كانت الجهود المبكرة مثل نظام المشاركة الزمنية المتوافق (CTSS) التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام ألف وتسعمائة وواحد وستين محورية، حيث أظهرت أن جهازًا واحدًا يمكن أن يخدم العديد من المستخدمين بفعالية. "كان التحدي الحقيقي هو زيادة استخدام وحدة المعالجة المركزية إلى أقصى حد يتجاوز المعالجة الدفعية البسيطة،" أوضحت الدكتورة أليس ستيرلنج، عالمة كمبيوتر ذات رؤية في الأربعينات من عمرها، بشعر رمادي قصير مجعد وعينين حادتين وذكيتين، ترتدي سترة من التويد، لفريقها في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. "لماذا يجب أن تظل وحدة المعالجة المركزية خاملة في انتظار اكتمال عملية إدخال/إخراج لبرنامج واحد بينما يمكنها العمل على برنامج آخر؟" انحنى المبرمج الشاب مايكل تشن، في أوائل العشرينات من عمره، بقصة شعر أنيقة وتعبير متحمس، يرتدي سترة جامعية، إلى الأمام. "إذن، نقوم بتحميل برامج متعددة في الذاكرة دفعة واحدة، ويقوم نظام التشغيل بتبديل وحدة المعالجة المركزية بينها بسرعة؟ ولكن ماذا عن تعارضات الذاكرة؟ وكيف نضمن العدالة بين البرامج؟" أومأت الدكتورة ستيرلنج برأسها. "أسئلة ممتازة. هذا يتطلب إدارة ذاكرة متطورة وجدولة لوحدة المعالجة المركزية. يصبح نظام التشغيل حكمًا، يوزع الموارد، ويمنح كل برنامج حصته العادلة من وقت المعالج. إنها المسؤولية الأساسية للنواة—طبقة تجريد حاسمة تحمي البرامج من بعضها البعض ومن تعقيدات الأجهزة."

في قلب كل نظام تشغيل يكمن النواة (kernel)، وهي المكون الأساسي له. تدير النواة أهم موارد الكمبيوتر: وحدة المعالجة المركزية، والذاكرة، وأجهزة الإدخال/الإخراج. تعمل كطبقة وسيطة، تجرد تفاصيل الأجهزة المعقدة عن برامج التطبيقات، وتوفر بيئة متسقة وآمنة. تشمل الآليات الرئيسية جدولة وحدة المعالجة المركزية، التي تحدد أي برنامج سيستخدم المعالج وكم من الوقت؛ وإدارة الذاكرة، التي تخصص وتحمي أجزاء الذاكرة لكل برنامج؛ وإدارة الإدخال/الإخراج، التي تتحكم في الاتصال مع الأجهزة الطرفية مثل لوحات المفاتيح والشاشات والتخزين. "النواة هي عقل العملية، أول برنامج يتم تحميله وآخر من يغادر الذاكرة"، أوضحت المهندسة المعمارية الرئيسية الدكتورة لينا بتروفا، وهي امرأة في أواخر الأربعينات من عمرها، ذات شعر أشيب مسحوب إلى الخلف، ترتدي بدلة احترافية صارمة إلى حد ما، لموظف هندسي جديد. "إنها تتعامل مع كل شيء بدءًا من جدولة العمليات - تحديد دور كل منها على وحدة المعالجة المركزية - وصولاً إلى إدارة كل بايت من الذاكرة وكل جهاز طرفي." أجاب المهندس الجديد، أليكس جونسون، في أوائل العشرينات من عمره، متحمساً ومنتبهاً، وهو يحمل دليلاً سميكاً: "إذن، عندما يطلب برنامج ملفاً، فإن النواة هي التي تترجم هذا الطلب إلى عمليات قرص فعلية، أليس كذلك؟ وهل تمنع أيضاً برنامجاً من الكتابة فوق ذاكرة برنامج آخر؟" "بالضبط يا أليكس"، أكدت الدكتورة بتروفا، مشيرة إلى رسم بياني يظهر حلقات متحدة المركز. "تعمل النواة في 'الحلقة صفر' المتميزة، مما يمنحها تحكماً مطلقاً، بينما تعمل التطبيقات في 'الحلقة ثلاثة'. آلية الحماية هذه أساسية. وهذا يعني أن تطبيقاً معيباً لا يمكنه تعطيل النظام بأكمله. طبقة التجريد هذه هي ما يجعل الحوسبة الحديثة مستقرة وفعالة."

بحلول أواخر الستينيات، وصل تطور أنظمة التشغيل إلى لحظة محورية مع إنشاء يونكس في مختبرات بيل. صُمم يونكس، الذي طوره بشكل أساسي كين طومسون ودينيس ريتشي، ليكون نظام تشغيل أبسط وأكثر أناقة، والأهم من ذلك، أكثر قابلية للنقل من سابقاته. إن تصميمه المبتكر، ولا سيما تركيزه على واجهة سطر الأوامر، ونظام الملفات الهرمي، والمفهوم القوي للأنابيب للتواصل بين العمليات، جعله مرنًا وقابلًا للتكيف بشكل لا يصدق. عالجت كفاءة يونكس وبنيته الواضحة بشكل مباشر وحلت مشاكل "وقت الخمول" وعدم الكفاءة التي تم تحديدها في الحوسبة المبكرة، مما أتاح استخدامًا غير مسبوق للموارد. "أردنا شيئًا بسيطًا وأنيقًا وقابلًا للنقل"، أوضح كين طومسون، المهندس المركز في أواخر العشرينات من عمره، ذو الشعر الداكن الأشعث والنظارات، مرتديًا قميصًا غير رسمي بأزرار، لدينيس ريتشي. كانا منحنيين فوق محطة تلكس، ومخرجاتها الورقية تتدفق بالتعليمات البرمجية. "كان ماليتكس طموحًا جدًا، ومعقدًا جدًا. كنا بحاجة إلى نظام يكون فيه نظام التشغيل نفسه عبارة عن مجموعة من الأدوات الصغيرة والمركزة." كتب دينيس ريتشي، بلحيته المميزة وتعبيره المتأمل، في أواخر العشرينات من عمره، مرتديًا قميصًا بسيطًا، أمرًا. "وهنا يبرز نظام الملفات والأنابيب حقًا. ربط البرامج مثل السباكة - يصبح إخراج أحدهما مدخلًا للآخر. إنه يخلق قوة هائلة من البساطة." "بالضبط"، أكد طومسون، وعيناه مثبتتان على الشاشة. "من خلال تصميم نواة قوية ومجموعة من الأدوات المساعدة التي يمكن دمجها بسهولة، أطلقنا مستوى جديدًا من الإنتاجية. لا مزيد من الدورات الضائعة بسبب الإعداد المعقد؛ يونكس يحسن وقت الجهاز بشكل فعال، ويدير العمليات بسلاسة ويسمح للمطورين ببناء أنظمة معقدة من مكونات بسيطة."

أثرت المبادئ التي أرستها أنظمة التشغيل الرائدة مثل يونكس بشكل عميق على الجيل التالي من الحوسبة. ومع ظهور المعالجات الدقيقة، التي سمحت بإنشاء أجهزة كمبيوتر أصغر وأقل تكلفة، أصبحت الحاجة إلى أنظمة تشغيل قوية وسهلة الاستخدام أمرًا بالغ الأهمية. جلبت أنظمة مثل سي بي إم، وإم إس دوس، ولاحقًا آبل دوس ونظام تشغيل ماكنتوش، إدارة موارد متطورة وتفاعلًا مع المستخدم إلى الكمبيوتر الشخصي. وقد أدى هذا التحول إلى إضفاء الطابع الديمقراطي على الوصول إلى قوة الحوسبة، ونقلها من المختبرات المتخصصة ومراكز بيانات الشركات إلى المنازل والمكاتب والجامعات في جميع أنحاء العالم. "هذا لا يصدق! يمكنني بالفعل كتابة الأوامر مباشرة ورؤية النتائج الفورية،" هتفت الطالبة الشابة، ماريا رودريغيز، في أوائل العشرينات من عمرها بشعر أسود مجعد، ترتدي سترة عادية من الثمانينات، وهي تجلس أمام جهاز كمبيوتر آبل تو مبكر في مختبر جامعي. "إنه ليس مثل وظائف الدفعات التي يصفها أساتذتنا. أشعر وكأنني أتحدث إلى الكمبيوتر." انحنى زميلها، ديفيد لي، في أوائل العشرينات من عمره بشعر أسود مستقيم وتعبير مدروس، يرتدي سترة دنيم. "هذه هي قوة نظام التشغيل يا ماريا. إنه يدير كل شيء في الأسفل، لذلك نركز فقط على برامجنا. إم إس دوس على آي بي إم بي سي، أو الواجهة الرسومية على ماكنتوش، يجعل الأمر أسهل. إنه يجعل الحوسبة في متناول الجميع، وليس فقط المتخصصين." "بالتأكيد،" علقت أستاذتهم، الدكتورة إليانور فانس، في الخمسينات من عمرها بشعر رمادي أنيق وابتسامة عارفة، ترتدي سترة رسمية. "يوفر نظام التشغيل طبقة بديهية بيننا وبين الأجهزة. لقد حول أداة للخبراء إلى أداة للمستخدمين العاديين. هذا لا يتعلق فقط بالحسابات الأسرع؛ إنه يتعلق بتمكين الأفراد."

اليوم، أنظمة التشغيل هي المهندسون المعماريون الخفيون لعالمنا الرقمي، طبقة لا غنى عنها تدعم كل قطعة تقنية نتفاعل معها تقريبًا. من الخوادم القوية التي تدير الشبكات العالمية إلى الهواتف الذكية في جيوبنا، ومن الأنظمة المدمجة في السيارات والأجهزة الطبية إلى البنية التحتية المعقدة للحوسبة السحابية، تدير أنظمة التشغيل وتخصص وتحمي المجموعة الواسعة من الموارد الحاسوبية. إنها المنسقون الصامتون والدائمون، الذين يضمنون الكفاءة والاستقرار والأمان، وهو إرث المهندسين أصحاب الرؤى الذين سعوا إلى تحويل الأجهزة الفوضوية إلى أنظمة منظمة وذكية. "السرد بصري في المقام الأول، مع تسميات قصيرة ومدمجة على مشاهد المونتاج."