برنامه نویسی سخت افزار با پایتون

برنامه نویسی سیستم چیست ؟

برنامه نویسی سیستمی نوعی زبان پیشرفته از طریق رایانه است که با هدف تولید برنامه های مرتبط با سخت افزار تولید و تهیه می شوند. تفاوت اصلی آن با دیگر زبان ها در این است که زبان های  عادی برای تولید نرم افزار به کار می‌روند ولی برنامه نویسی سیستم برای تولید سیستم عامل به کار می رود.

تعریف زبان برنامه نویسی سیستمی

مشخصه اصلی این زبان، در مقایسه با دیگر زبان ها این است که برنامه های نرم افزاری تولید شده با هدف تولید نرم افزار های کاربردی تولید و نوشته می‌شوند. اما برنامه نویسی سیستمی با هدف تولید برنامه های مرتبط با سخت افزار ها تولید می شود.

این برنامه ها شامل بخش های مختلف سیستم عامل، موتورهای بازی سازی، اتوماسیون های صنعتی و برنامه های خدمات صنعتی تولید می شوند.

برنامه نویسی سیستمی به میزان آگاهی افراد از سخت افزار بستگی دارد هرچه که شما با ساختار سخت افزار ها آشنا تر باشید و بتوانید با روند کار سخت افزارها آشنا باشید می توانید برنامه های کارآمد تر و هدفمند تری را تولید کنید.

این برنامه ها مستقیماً با سخت افزارها سروکار دارند و باید به بهترین شکل ممکن از منابع سخت افزاری استفاده کنند.

با توجه به انواع سخت افزارهای موجود در دنیای دیجیتال، فرآیند تولید این برنامه ها پیچیده‌تر و زمان برتر شده است. هر چه که برنامه نوشته شده با  برنامه نویسی سیستمی به خوبی با سخت افزار بهينه شود و بتواند حداکثر کارایی لازم را از سخت افزار دریافت کند، می تواند صرفه جویی قابل توجهی از لحاظ مادی و منابع سخت افزاری به وجود بیاورد که بسیار مقرون به صرفه است.

به همین دلیلی این زبان دارای اهمیتی بالایی است.

مقاله پییشنهادی : زبان برنامه نویسی شی گرای smalltalk، از شروع تا افول

ویژگی ها عبارت‌اند از:

این زبان دارای انعطاف بالایی است و کاربر می تواند بر اساس سخت افزار های مختلف الگوریتم های گوناگون را پیاده سازی کند. در این رابطه کاربر می تواند تمام فرضیه ها و خصوصیات سیستمی مد نظر خود را با سخت افزار در دسترس هماهنگ کند یا بر اساس خصوصیات سیستمی خود سخت افزار مناسب را تهیه کند و بر روی آن اقدام به برنامه نویسی نماید.

برنامه نویسی سیستمی از زبان های سطح پایین است. این نوع زبان ها در محیط هایی که دارای منابع محدود هستند فعالیت می کنند

این برنامه ها با استفاده از این زبان تولید می شوند دارای کارایی بسیار بالا هستند و مدت زمان اجرای آن‌ها نیز با توجه به رابطه مستقیم با سخت افزار کوتاه است.

این برنامه ها به صورت مستقیم با حافظه ها در ارتباط هستند و می توانند به خوبی از فرآیند دسترسی بر حافظه و جریان کنترل داده ها استفاده کنند.

با استفاده از این قابلیت ها، برنامه نویس می تواند به راحتی بخش هایی از برنامه را به زبان مونتاژ سخت افزاری بنویسند و حداکثر کارایی را از سخت افزار دریافت کند.

این زبان را می توان به صورت عمده در محیط های سیستم عاملی اشکال زدایی کرد. به همین دلیل آن‌ها در محیط های شبیه سازی شده اجرا می شوند.

کتابخانه های runtime

 در زبان استفاده از امکانات محدود است و دسترسی به کتابخانه ها نیز محدود می باشد و به راحتی نمی توان از منابعی مانند کتابخانه های runtime استفاده کرد. به همین دلیلی فرایند اشکال زدایی آن‌ها سخت و زمان‌بر می باشد.

ویدیو پییشنهادی : آموزش برنامه نویسی با زبان C

این زبان برای اتصال سخت افزارها در بخش های مختلف نیز استفاده می‌شود. مثلاً برای اتصال یک قطعه به شبکه و استفاده از آن باید آن‌ها را در سطح برنامه نویسی سیستمی به یکدیگر شناسایی کرد. تقریباً تمامی قطعات کامپیوتری برای اینکه توسط سیستم عامل شناسایی شوند نیاز به استفاده از این زبان در قطعات دارند.

تاریخچه

زبان های استفاده شده برای استفاده از سخت افزارها در طول تاریخ تکامل پیدا کرده اند. در اواخر دهه های سال 1960 میلادی بود که زبان سیستمی اولیه مانند PL/S و BLISS و BCPL و ALGOL به وجود آمدند.

در ادامه این زبان ها بهبود پیدا کردند. در سال های 1980 میلادی که سال‌های اوج گیری زبان C بود، برنامه هایی با استفاده از این زبان  به وجود آمد.

سال ها بعد که C++ معرفی شد توانستند با استفاده از این زبان بخش های بزرگی از برنامه های سیستمی بزرگ را تولید و تهیه نمایند. به عنوان مثال درایو های نوری با استفاده از برنامه نویسی سیستمی برای اولین بار در سیستم عامل مک استفاده شود.

با توجه به گسترش استفاده از این زبان ها، سازمان ها و شرکت های بزرگ تولید کننده قطعات سخت افزاری، اقدام به جذب نیروی ماهر در زمینه برنامه نویسی سیستمی کردند.

در این بین عنوان شغلی انتخاب شده برای این افراد، عنوان مدیریت سیستم معرفی می شود که در واقعی به شخص یا اشخاصی گفته می‌شد که توانایی تولید برنامه های سخت افزاری مرتبط با سیستم عامل را داشتند.

شرکت هایی مانند IBM جزء اولین شرکت هایی بودند که به صورت عمده و گسترده بر روی این افراد سرمایه گذاری کرده و از آن‌ها برای تولید برنامه های سخت افزاری پردازنده های خود استفاده کردند تا بتوانند بهترین کارایی را از این سخت افزارها داشته باشند.

مقاله پییشنهادی : برنامه نویسی هوش مصنوعی با پایتون را بهتر بشناسید

استفاده از برنامه نویسی سیستمی

مسائل ایجاد شده به صورت دسترسی در سطح پایین تعریف می شود. این به این معناست که روند اشکال زدایی آن سخت و زمان‌بر می باشد.

در واقع این زبان برای تولید نرم افزار شما در محیط هایی که برنامه ها Compiler می کنند کار می کنید.  و برای اینکه به اشکالات برنامه پی ببرید از یک برنامه واسط استفاده می کنید در صورتی که در برنامه نویسی سیستمی این چنین نیست و برنامه مستقیماً با سخت افزار در ارتباط است و فرایند اشکال زدایی آن کاری سخت و زمان‌بر می باشد.

امروزه برنامه نویسی سیستمی برای تولید نرم افزار های سخت افزارها استفاده می شود. یکی از گسترده ترین برنامه ها نوشته شده با استفاده از این زبان را می‌توان سیستم عامل ها نامید.

سیستم عامل ها در واقع مانند پلی ارتباطی عمل می کنند که نرم افزار ها بتوانند با سخت افزار ها ارتباط برقرار کنند. همچنین سیستم عامل ها مانند ویندوز باعث می‌شود که منابع سخت افزاری به صورت ویژه و یا محدود و یا مناسب در اختیار نرم افزارها قرار گیرند و از آن استفاده کنند.

ویدیو پییشنهادی : آموزش پایتون پیشرفته

زبان برنامه نویسی C

زبان های برنامه نویسی سیستمی نه برای سازگاری که برای کارایی و سهولت دسترسی به سخت افزار تهیه و تولید می شوند در این بین زبان C می تواند برای هر دو بخش سخت افزار و بخش نرم افزار مورد استفاده قرار گیرند. این نوع زبان ها به دلیل توانایی های خود همچنان مورد استفاده هستند.

این زبان ها به دلیل اینکه باید امکانات ساخت اپرا برای برنامه های دیگر آماده سازی و بهینه سازی کنند معمولاً کوتاه نوشته شده و دارای هیچ کتابخانه ای نیستند. این نرم افزارها به سرعت اجرا می شوند و برای برنامه های نرم افزاری دیگر امکانات سخت افزاری مثل رم و حافظه و قدرت پردازش را آماده و بهینه می کنند.

کد های ایجاد شده  به زبان سخت افزار بسیار نزدیک است و با مواردی مانند ثبت و تخصیص حافظه برای اجرای نرم افزارهای کاربردی سروکار دارند.

مدیریت سخت افزار توسط این برنامه ها انجام می شود؛ و طبق این مدیریت می توانند منابع سخت افزاری را برای اجرا برنامه های مختلف آماده سازی کنند. مقدار حافظه تخصیص یافته، مدیریت سخت افزار، دسترسی به پرونده ها و عملیات محاسباتی بر روی سخت افزارها از عمده وظایف برنامه های سیستمی است.

همانطور که گفته شد سیسیم عامل ها مانند ویندوز دارای بخش مهمی و بزرگی از برنامه های سیستمی هستند که ارتباط نرم افزارها را با سخت افزار ها را برقرار می کنند. این برنامه های سیستمی موجود در سیستم عامل ها به برنامه های دیگر این اجازه و امکان را می‌دهند که از پورت ها و منابع سخت افزاری به صورت بهینه استفاده کنند و دستورات خود را برای آن‌ها ارسال کنند.

استفاده از زبان برنامه نویسی سیستمی در پردازنده های کوچک و ریز پردازنده ها

استفاده از پردازنده ها تقریباً در تمامی دستگاه های دیجیتال و الکترونیکی امری عادی به حساب می آید در این بین برای اینکه این پردازنده ها بتوانند به خوبی از پس دستورات و کار های انجام شده بر بیایند از برنامه نویسی سیستمی استفاده می شود.

یک دستگاه مایکروفر در داخل آشپزخانه و یا ماشین ظرفشویی دارای ریز پردازنده هایی هستند که نیاز به این زبان دارند. در این ريز پردازند ها برنامه های کم حجم و کوتاهی نوشته می شوند که بر اساس فشردن هر کلید برنامه و کار خاصی را توسط ریزپردازنده اجرا کنند.

مقاله پییشنهادی : برنامه نویسی اندروید با پایتون

این برنامه به هیچ عنوان قابل تغییر نمی باشند و به اصطلاح حافظه و رم آن‌ها فقط خواندنی است و قابل تغییر را دارا می باشد. تنها در صورتی که حافظه فقط خواندنی پاک شود و مجدداً دوباره برنامه نویسی شود قابل تغییر می‌باشد. این فرآیند ممکن است زمان‌بر باشد و نیاز به دستگاه و ابزار های خاصی برای برنامه نویسی مجدد ریزپردازنده ها آن‌ها است.

در سیستم های رایانه ای نیز از این برنامه های سیستمی به دفعات استفاده شده است. در زمان روشن شدن سیستم ابتدا برنامه های سیستمی قرار داده شده در ریز پردازنده ی مادربرد فعالیت خود را شروع می‌کنند و در فرایند بوت شدن سیستم ابتدا برنامه های سیستمی توسط بایوس سیستم فراخوانی می شوند و سخت افزارهای مورد نیاز برای اجرای سیستم و اجرای نرم افزارهای دیگر شناسایی می شوند.

اگر در این زمان برنامه دچار مشکل شود به اصطلاح سیستم بالا نمی آید و دچار مشکل شده است و حتی اصلاً ویندوز آن نیز لود نمی شود.

آموزش زبان های  سیستمی

امروزه برنامه نویسی سیستمی در دانشگاه ها به دانشجویان رشته کامپیوتر تدریس می شود اما به دلیل مشکلات و سخت بودن فرایند یادگیری آن تعداد نفرات کمی جذب این نوع سیستم می شوند.

در بخش های مختلف این آموزش فرایند های مربوط به آموزش و یادگیری در خصوص ساخت و اشکال زدایی این برنامه ها، نمایه های موجود در برنامه ها، سیستم های کنترل منابع، استفاده از محیط های یکپارچه برای تولید نرم افزار و همچنینی استفاده از زبان برنامه نویسی C برای آموزش به دانشجویان آموزش داده می شود.

دانشجویان برای یادگیری بیشتر این نوع زبان می توانند از سیستم های ساده مانند یونیکس نیز استفاده کنند تا بتواند به منابع سخت افزاری مناسبی دسترسی داشته باشند. با استفاده از سیستم عامل یونیکس دانشجویان قادر خواهند بود که با اکوسیستم جدید و محیط های کار با این زبان را به خوبی آشنا شوند و فرایند مختلف در تولید برنامه با استفاده از این زبان را به خوبی یاد بگیرند.

موارد مورد نیاز دانش آموزان که برای یادگیری برنامه نویسی سیستمی

• یادگیری زبان C
• یاد گیری مدیریت حافظه و بررسی انواع مدل های حافظه در زبان C
•  مدیریت فراخوانی سخت افزار ها و استفاده از فرآیند System calls در فراخوانی دستور ها در سخت افزار ها
• آشنایی با بخش های مختلف I/O
• یادگیری مباحث مربوط به فرایند ذخیره سازی اطلاعات در حافظه
• یادگیری و استفاده از ویژگی های پردازنده های چند رشته ای و فرایند چند تکه کردن برنامه ها با استفاده از قابلیت های Multi-threaded programming
• یادگیری و توانایی اجرای دستورات Shell scripts

منابع

• https:// www.cs.rutgers.edu/courses/systems-programming
• https:// en.wikipedia.org/wiki/Systems_programming

چند سالی میشه که در زمینه سئو و دیجیتال مارکتینگ در حال فعالیت هستم. به موسیقی و فلسفه علاقه ی خاصی دارم و بیشتر زمان رو صرف مطالعه و نوازندگی می کنم.

منبع: maktabkhooneh.org