المقاطعة هي مفهوم أساسي في علوم الكمبيوتر والإلكترونيات، تشير إلى الإشارة المرسلة بواسطة الأجهزة أو البرامج لطلب انتباه وحدة المعالجة المركزية (CPU). عند حدوث مقاطعة، تقوم وحدة المعالجة المركزية بتعليق مهمتها الحالية وتتحول إلى معالجة طلب المقاطعة. تلعب المقاطعات دورًا حاسمًا في تعدد المهام، مما يسمح للأجهزة والتطبيقات بالاتصال بوحدة المعالجة المركزية بكفاءة.
تاريخ أصل المقاطعة وأول ذكر لها
يمكن إرجاع مفهوم المقاطعة إلى الأيام الأولى للحوسبة. في الخمسينيات من القرن الماضي، تم تصنيع أجهزة الكمبيوتر الأولى باستخدام الأنابيب المفرغة واعتمدت على تسلسلات برمجة بسيطة. مع ازدياد تعقيد أجهزة الكمبيوتر وظهور الأجهزة الطرفية، ظهرت الحاجة إلى آلية للتعامل مع الأحداث الخارجية.
يمكن أن يُعزى أول ذكر للمقاطعات إلى كمبيوتر UNIVAC I، والذي كان واحدًا من أقدم أجهزة الكمبيوتر المتاحة تجاريًا. استخدم UNIVAC I، الذي تم إصداره في عام 1951، نموذجًا أساسيًا من المقاطعات للتعامل مع أحداث الأجهزة مثل عمليات الإدخال والإخراج.
معلومات مفصلة عن المقاطعة. توسيع الموضوع المقاطعة.
في أنظمة الكمبيوتر الحديثة، تعتبر المقاطعات ضرورية لإدارة تفاعلات الأجهزة والبرامج بكفاءة. عندما يتطلب أحد الأجهزة الانتباه أو يحدث حدث برمجي محدد، يتم تشغيل المقاطعة، مما يؤدي إلى إيقاف المهمة الحالية لوحدة المعالجة المركزية ونقل التحكم إلى روتين معالج المقاطعة. بعد أن يكمل معالج المقاطعة مهمته، تستأنف وحدة المعالجة المركزية المهمة التي تمت مقاطعتها.
يمكن تصنيف المقاطعات إلى فئتين رئيسيتين: مقاطعات الأجهزة ومقاطعات البرامج. يتم إنشاء مقاطعات الأجهزة خارجيًا بواسطة الأجهزة الطرفية، مثل لوحات المفاتيح أو أجهزة الماوس أو بطاقات الشبكة. من ناحية أخرى، عادةً ما يتم إنشاء مقاطعات البرامج بواسطة تطبيقات برمجية لطلب خدمات من نظام التشغيل.
الهيكل الداخلي للمقاطعة. كيف تعمل المقاطعة.
يرتبط الهيكل الداخلي للمقاطعات ارتباطًا وثيقًا ببنية وحدة المعالجة المركزية وتفاعلها مع مكونات الأجهزة الأخرى. عند حدوث مقاطعة، تقوم وحدة المعالجة المركزية (CPU) بتنفيذ الخطوات التالية:
-
طلب المقاطعة (IRQ): يقوم جهاز أو برنامج المقاطعة بإرسال إشارة طلب المقاطعة (IRQ) إلى وحدة المعالجة المركزية (CPU)، للإشارة إلى ضرورة الاهتمام.
-
تحكم المقاطعة: تستقبل وحدة المعالجة المركزية إشارة IRQ وتنقل التحكم إلى وحدة تحكم المقاطعة، التي تحدد أولويات المقاطعات الواردة وتديرها. تستخدم الأنظمة الحديثة وحدات تحكم المقاطعة المتقدمة القادرة على التعامل مع العديد من مصادر المقاطعة.
-
ناقلات المقاطعة: ترتبط كل مقاطعة بمتجه المقاطعة، وهو معرف فريد لنوع المقاطعة. تستخدم وحدة تحكم المقاطعة هذا المتجه لتحديد روتين معالج المقاطعة المناسب.
-
معالج المقاطعة: معالج المقاطعة هو روتين متخصص مصمم للتعامل مع نوع معين من المقاطعة. يقوم بمعالجة المقاطعة وتنفيذ الإجراءات اللازمة، مثل قراءة البيانات من الجهاز أو الاستجابة لطلب البرنامج.
-
تبديل السياق: عند حدوث مقاطعة، تقوم وحدة المعالجة المركزية بحفظ الحالة الحالية للمهمة التي تمت مقاطعتها، بما في ذلك عداد البرنامج وقيم التسجيل، في بنية بيانات تسمى كتلة التحكم في العملية (PCB). يسمح هذا لوحدة المعالجة المركزية باستئناف المهمة لاحقًا دون فقدان تقدمها.
-
إقرار بالمقاطعة: بعد أن يكمل معالج المقاطعة مهمته، تتعرف وحدة المعالجة المركزية على المقاطعة وتستعيد سياق المهمة التي تمت مقاطعتها. ثم تستأنف وحدة المعالجة المركزية المهمة من النقطة التي تمت مقاطعتها فيها.
تحليل السمات الرئيسية للمقاطعة
تقدم المقاطعات العديد من الميزات الرئيسية التي تساهم في كفاءة واستجابة أنظمة الكمبيوتر الحديثة:
-
الاتصال غير المتزامن: تسمح المقاطعات للأجهزة والبرامج بالاتصال بشكل غير متزامن مع وحدة المعالجة المركزية، مما يضمن معالجة المهام الهامة على الفور دون انتظار قيام وحدة المعالجة المركزية باستقصاء الأجهزة بشكل مستمر.
-
التعامل مع الأولوية: يمكن تحديد أولويات المقاطعات، مما يضمن خدمة المقاطعات ذات الأولوية الأعلى قبل المقاطعات ذات الأولوية المنخفضة. وهذا يساعد على إدارة الأحداث الحرجة للوقت بشكل فعال.
-
العمارة الموجهة بالحدث: تعمل المقاطعات على تمكين البرمجة المستندة إلى الأحداث، حيث تستجيب التطبيقات لأحداث معينة، مثل إدخال المستخدم أو إشارات الأجهزة، بدلاً من اتباع تسلسل خطي.
-
الاستخدام الفعال للموارد: من خلال تعليق المهام عند الضرورة فقط، تتيح المقاطعات الاستفادة بشكل أفضل من موارد وحدة المعالجة المركزية، مما يمنع الدورات المهدرة التي يتم إنفاقها على الاستقصاء.
-
المعالجة في الوقت الحقيقي: تلعب المقاطعات دورًا حيويًا في أنظمة الوقت الفعلي، حيث تكون الاستجابات في الوقت المناسب للأحداث الخارجية أمرًا بالغ الأهمية، كما هو الحال في الأتمتة الصناعية أو الروبوتات.
أنواع المقاطعات
يمكن تصنيف المقاطعات إلى أنواع مختلفة بناءً على أصلها ووظيفتها. فيما يلي قائمة بأنواع المقاطعات الشائعة:
| يكتب | وصف |
|---|---|
| مقاطعة الأجهزة | تم إنشاؤها بواسطة أجهزة خارجية لطلب اهتمام وحدة المعالجة المركزية. |
| مقاطعة البرامج | تم إنشاؤها بواسطة تطبيقات برمجية لطلب الخدمات من نظام التشغيل. |
| مقاطعة قابلة للإخفاء | المقاطعات التي يمكن تعطيلها (إخفائها) بواسطة وحدة المعالجة المركزية (CPU)، مما يمنع معالجتها فورًا. |
| مقاطعة غير قابلة للإخفاء | المقاطعات الحرجة التي لا يمكن إخفاؤها، تُستخدم عادةً لمعالجة أخطاء النظام الجسيمة. |
| حافة أثار | يتم تشغيله بواسطة تغيير في مستوى الإشارة (على سبيل المثال، الحافة الصاعدة أو الحافة الهابطة) لمصدر المقاطعة. |
| مستوى التشغيل | يظل نشطًا طالما أن إشارة المقاطعة في حالة معينة (على سبيل المثال، عالية أو منخفضة). |
تُستخدم المقاطعات على نطاق واسع في جوانب مختلفة من أنظمة الكمبيوتر. تتضمن بعض التطبيقات الشائعة ما يلي:
-
تفاعل الجهاز: تعمل مقاطعات الأجهزة على تمكين أجهزة مثل لوحات المفاتيح وأجهزة الماوس وبطاقات الشبكة من التفاعل مع وحدة المعالجة المركزية بكفاءة.
-
تبديل المهام: تستخدم أنظمة التشغيل المقاطعات لتنفيذ المهام المتعددة، مما يسمح لوحدة المعالجة المركزية بالتبديل بين العمليات أو الخيوط المختلفة.
-
أنظمة الوقت الحقيقي: في أنظمة الوقت الحقيقي، تعتبر المقاطعات ضرورية للتعامل مع الأحداث الحرجة للوقت، وضمان الاستجابات الفورية للمحفزات الخارجية.
على الرغم من فوائدها، فإن استخدام المقاطعات يمكن أن يؤدي إلى بعض التحديات:
-
مقاطعة النفقات العامة: يمكن أن تؤدي المقاطعات المتكررة إلى زيادة الحمل، مما يؤثر على الأداء العام للنظام.
-
مقاطعة إدارة الأولويات: يعد تحديد الأولويات المناسبة للمقاطعات أمرًا بالغ الأهمية لتجنب التنافس على الموارد وضمان التعامل مع الأحداث ذات الأولوية العالية في الوقت المناسب.
-
مقاطعة الكمون: يجب تقليل الوقت بين طلب المقاطعة ومعالجته (زمن انتقال المقاطعة) إلى الحد الأدنى للتطبيقات الحساسة للوقت.
لمعالجة هذه المشكلات، يستخدم مصممو النظام تقنيات مثل دمج المقاطعة، واستباق المقاطعة، وإجراءات معالجة المقاطعة الفعالة.
الخصائص الرئيسية ومقارنات أخرى مع مصطلحات مماثلة
المقاطعة مقابل الاقتراع:
- المقاطعات تعتمد على الأحداث وغير متزامنة، في حين أن الاستقصاء هو أسلوب مستمر ومتزامن للتحقق من الأحداث.
- تعد المقاطعات أكثر كفاءة لأنها تتجنب إضاعة دورات وحدة المعالجة المركزية في الاستقصاء المستمر.
المقاطعة مقابل الاستثناء:
- المقاطعات هي أحداث خارجية يتم إنشاؤها بواسطة الأجهزة أو البرامج لطلب انتباه وحدة المعالجة المركزية.
- الاستثناءات هي أحداث داخلية تسببها وحدة المعالجة المركزية نفسها بسبب حالات خطأ أو تعليمات محددة.
المقاطعة مقابل الاعتراض:
- يتم استخدام المقاطعات للأحداث الخارجية، بينما يتم استخدام الاعتراضات (المعروفة أيضًا باسم مقاطعات البرامج) للأحداث الداخلية مثل مكالمات النظام.
مع استمرار تقدم الحوسبة، سيظل دور المقاطعات حاسمًا في التعامل مع التعقيد المتزايد لتفاعلات الأجهزة والبرامج. قد تركز التقنيات المستقبلية على:
-
تعزيز القدرات في الوقت الحقيقي: من المرجح أن تؤدي الأبحاث إلى تحسينات في معالجة المقاطعة لتلبية المتطلبات الصارمة للتطبيقات في الوقت الحقيقي.
-
معالجة المقاطعة الموفرة للطاقة: تقنيات تقليل الحمل الزائد واستهلاك الطاقة في الأجهزة المحمولة ومراكز البيانات.
-
آليات تحديد الأولويات المبتكرة: مخططات أكثر تعقيدًا لتحديد أولويات المقاطعة لتحسين استخدام الموارد وضمان الاستجابة.
كيف يمكن استخدام الخوادم الوكيلة أو ربطها بـ Interrupt
يمكن أن تلعب الخوادم الوكيلة دورًا مهمًا في إدارة المقاطعات في بيئات الشبكة. عندما يصل العديد من العملاء إلى الإنترنت من خلال وكيل، يستطيع الوكيل التعامل بكفاءة مع المقاطعات مثل دقة DNS والتخزين المؤقت للمحتوى وإدارة الاتصالات. من خلال العمل كوسيط، يمكن للخوادم الوكيلة المساعدة في تحسين حركة مرور الشبكة وتحسين تجربة التصفح بشكل عام.
روابط ذات علاقة
لمزيد من المعلومات حول المقاطعات، يمكنك استكشاف الموارد التالية:
