وقفه یک مفهوم اساسی در علوم کامپیوتر و الکترونیک است که به سیگنال ارسال شده توسط سخت افزار یا نرم افزار برای درخواست توجه واحد پردازش مرکزی (CPU) اشاره دارد. هنگامی که یک وقفه رخ می دهد، CPU وظیفه فعلی خود را به حالت تعلیق در می آورد و به رسیدگی به درخواست وقفه سوئیچ می کند. وقفه ها نقش مهمی در چندوظیفه ای ایفا می کنند و به دستگاه ها و برنامه ها اجازه می دهند به طور موثر با CPU ارتباط برقرار کنند.
تاریخچه پیدایش Interrupt و اولین ذکر آن
مفهوم وقفه را می توان به روزهای اولیه محاسبات ردیابی کرد. در دهه 1950، اولین کامپیوترها با استفاده از لوله های خلاء ساخته شدند و بر روی توالی های برنامه نویسی ساده تکیه داشتند. با پیچیدهتر شدن رایانهها و معرفی دستگاههای جانبی، نیاز به مکانیزمی برای مدیریت رویدادهای خارجی وجود داشت.
اولین اشاره به وقفه ها را می توان به کامپیوتر UNIVAC I نسبت داد که یکی از اولین کامپیوترهای تجاری موجود بود. UNIVAC I که در سال 1951 منتشر شد، از یک شکل اولیه وقفه ها برای مدیریت رویدادهای سخت افزاری مانند عملیات ورودی و خروجی استفاده کرد.
اطلاعات دقیق در مورد وقفه. گسترش موضوع وقفه.
در سیستم های کامپیوتری مدرن، وقفه ها برای مدیریت موثر تعاملات سخت افزاری و نرم افزاری بسیار مهم هستند. هنگامی که یک دستگاه سخت افزاری نیاز به توجه دارد یا یک رویداد نرم افزاری خاص رخ می دهد، یک وقفه ایجاد می شود، که کار فعلی CPU را متوقف می کند و کنترل را به روال کنترل کننده وقفه منتقل می کند. پس از اینکه کنترل کننده وقفه وظیفه خود را کامل کرد، CPU کار قطع شده را از سر می گیرد.
وقفه ها را می توان به دو دسته اصلی وقفه های سخت افزاری و وقفه های نرم افزاری طبقه بندی کرد. وقفه های سخت افزاری به صورت خارجی توسط دستگاه های جانبی مانند صفحه کلید، ماوس یا کارت شبکه ایجاد می شوند. از سوی دیگر، وقفههای نرمافزاری معمولاً توسط برنامههای نرمافزاری برای درخواست خدمات از سیستم عامل ایجاد میشوند.
ساختار داخلی وقفه. وقفه چگونه کار می کند
ساختار داخلی وقفه ها با معماری CPU و تعامل آن با سایر اجزای سخت افزاری مرتبط است. هنگامی که یک وقفه رخ می دهد، CPU مراحل زیر را انجام می دهد:
-
درخواست وقفه (IRQ): دستگاه یا نرم افزار قطع کننده سیگنال درخواست وقفه (IRQ) را به CPU ارسال می کند که نشان دهنده نیاز به توجه است.
-
کنترل کننده وقفه: CPU سیگنال IRQ را دریافت می کند و کنترل را به کنترل کننده وقفه منتقل می کند که وقفه های ورودی را اولویت بندی و مدیریت می کند. سیستم های مدرن از کنترل کننده های وقفه پیشرفته استفاده می کنند که قادر به مدیریت منابع وقفه های متعدد هستند.
-
بردار وقفه: هر وقفه با یک بردار وقفه همراه است که یک شناسه منحصر به فرد برای نوع وقفه است. کنترل کننده وقفه از این بردار برای مکان یابی روتین کنترل کننده وقفه مناسب استفاده می کند.
-
کنترل کننده وقفه: کنترل کننده وقفه یک روال تخصصی است که برای رسیدگی به نوع خاصی از وقفه طراحی شده است. این وقفه را پردازش می کند و اقدامات لازم را انجام می دهد، مانند خواندن داده ها از دستگاه یا پاسخ به درخواست نرم افزار.
-
تعویض متن: هنگامی که یک وقفه رخ می دهد، CPU وضعیت فعلی کار قطع شده، از جمله مقادیر شمارنده برنامه و ثبات را در یک ساختار داده به نام بلوک کنترل فرآیند (PCB) ذخیره می کند. این به CPU اجازه می دهد تا کار را بعداً بدون از دست دادن پیشرفت خود از سر بگیرد.
-
وقفه در تایید: پس از اینکه کنترل کننده وقفه وظیفه خود را کامل کرد، CPU وقفه را تأیید می کند و زمینه کار قطع شده را بازیابی می کند. سپس CPU کار را از نقطه ای که قطع شده است از سر می گیرد.
تجزیه و تحلیل ویژگی های کلیدی وقفه
وقفه ها چندین ویژگی کلیدی را ارائه می دهند که به کارایی و پاسخگویی سیستم های کامپیوتری مدرن کمک می کند:
-
ارتباط ناهمزمان: وقفهها به دستگاهها و نرمافزارها اجازه میدهند تا به طور ناهمزمان با CPU ارتباط برقرار کنند، و تضمین میکنند که وظایف حیاتی بهسرعت انجام میشوند بدون اینکه منتظر بمانند تا CPU دستگاهها را به طور مداوم نظرسنجی کند.
-
مدیریت اولویت: وقفه ها را می توان اولویت بندی کرد و اطمینان حاصل کرد که وقفه های با اولویت بالاتر قبل از وقفه های با اولویت پایین تر سرویس می شوند. این به مدیریت موثر رویدادهای مهم زمان کمک می کند.
-
معماری رویداد محور: وقفهها برنامهریزی رویداد محور را فعال میکنند، جایی که برنامهها بهجای دنبال کردن یک توالی خطی، به رویدادهای خاص مانند ورودی کاربر یا سیگنالهای سختافزار پاسخ میدهند.
-
استفاده کارآمد از منابع: با تعلیق کارها فقط در صورت لزوم، وقفه ها امکان استفاده بهتر از منابع CPU را فراهم می کند و از چرخه های بیهوده صرف نظرسنجی جلوگیری می کند.
-
پردازش زمان واقعی: وقفه ها نقش حیاتی در سیستم های بلادرنگ دارند، جایی که پاسخ به موقع به رویدادهای خارجی بسیار مهم است، مانند اتوماسیون صنعتی یا روباتیک.
انواع وقفه ها
وقفه ها را می توان بر اساس منشاء و عملکردشان به انواع مختلفی دسته بندی کرد. در زیر لیستی از انواع وقفه های رایج آورده شده است:
تایپ کنید | شرح |
---|---|
وقفه سخت افزاری | تولید شده توسط دستگاه های سخت افزاری خارجی برای درخواست توجه CPU. |
وقفه نرم افزاری | تولید شده توسط نرم افزارهای کاربردی برای درخواست خدمات از سیستم عامل. |
وقفه قابل پوشاندن | وقفه هایی که می توانند توسط CPU غیرفعال (ماسک) شوند و از پردازش فوری آنها جلوگیری شود. |
وقفه غیر قابل ماسک | وقفه های بحرانی که قابل پوشاندن نیستند، معمولاً برای رسیدگی به خطاهای شدید سیستم استفاده می شوند. |
Edge-Triggered | با تغییر در سطح سیگنال (به عنوان مثال، لبه بالارونده یا لبه سقوط) منبع وقفه ایجاد می شود. |
سطح فعال | تا زمانی که سیگنال وقفه در یک حالت خاص (مثلاً زیاد یا کم) باشد فعال باقی می ماند. |
وقفه ها به طور گسترده در جنبه های مختلف سیستم های کامپیوتری استفاده می شوند. برخی از برنامه های کاربردی رایج عبارتند از:
-
تعامل دستگاه: وقفههای سختافزاری، دستگاههایی مانند صفحهکلید، ماوس و کارتهای شبکه را قادر میسازد تا به طور موثر با CPU تعامل داشته باشند.
-
تعویض وظیفه: سیستم عامل ها از وقفه ها برای اجرای چندوظیفه ای استفاده می کنند که به CPU اجازه می دهد بین فرآیندها یا رشته های مختلف سوئیچ کند.
-
سیستم های بلادرنگ: در سیستمهای بلادرنگ، وقفهها برای مدیریت رویدادهای مهم زمان ضروری هستند و از پاسخهای فوری به محرکهای خارجی اطمینان میدهند.
علیرغم مزایای آنها، استفاده از وقفه ها می تواند منجر به برخی چالش ها شود:
-
سربار را قطع کنید: وقفه های مکرر می توانند سربار را ایجاد کنند و بر عملکرد کلی سیستم تأثیر بگذارند.
-
مدیریت اولویت وقفه: اولویت بندی مناسب وقفه ها برای جلوگیری از اختلاف منابع و اطمینان از رسیدگی به موقع رویدادهای دارای اولویت بسیار مهم است.
-
تأخیر را قطع کنید: زمان بین درخواست وقفه و رسیدگی به آن (تأخیر وقفه) باید برای برنامه های حساس به زمان به حداقل برسد.
برای پرداختن به این مسائل، طراحان سیستم از تکنیک هایی مانند ادغام وقفه، پیشگیرانه وقفه و روال های مدیریت وقفه کارآمد استفاده می کنند.
ویژگی های اصلی و مقایسه های دیگر با اصطلاحات مشابه
وقفه در مقابل نظرسنجی:
- وقفه ها رویداد محور و ناهمزمان هستند، در حالی که نظرسنجی یک روش پیوسته و همزمان برای بررسی رویدادها است.
- وقفه ها کارآمدتر هستند زیرا از هدر رفتن چرخه های CPU در نظرسنجی ثابت جلوگیری می کنند.
وقفه در مقابل استثنا:
- وقفه ها رویدادهای خارجی هستند که توسط سخت افزار یا نرم افزار برای درخواست توجه CPU ایجاد می شوند.
- استثناها رویدادهای داخلی هستند که توسط خود CPU به دلیل شرایط خطا یا دستورالعمل های خاص ایجاد می شوند.
وقفه در مقابل تله:
- وقفه ها برای رویدادهای خارجی استفاده می شوند، در حالی که تله ها (همچنین به عنوان وقفه های نرم افزاری شناخته می شوند) برای رویدادهای داخلی مانند تماس های سیستمی استفاده می شوند.
همانطور که محاسبات به پیشرفت خود ادامه می دهد، نقش وقفه ها در مدیریت پیچیدگی فزاینده تعاملات سخت افزاری و نرم افزاری حیاتی باقی خواهد ماند. فناوری های آینده ممکن است بر موارد زیر تمرکز کنند:
-
قابلیتهای بلادرنگ پیشرفته: تحقیقات احتمالاً منجر به بهبود در مدیریت وقفه برای برآورده کردن نیازهای سختگیرانه برنامه های کاربردی بلادرنگ می شود.
-
مدیریت وقفه انرژی کارآمد: تکنیک هایی برای کاهش سربار وقفه و مصرف برق در دستگاه های قابل حمل و مراکز داده.
-
مکانیسم های اولویت بندی نوآورانه: طرح های اولویت بندی وقفه های پیچیده تر برای بهینه سازی استفاده از منابع و اطمینان از پاسخگویی.
چگونه می توان از سرورهای پروکسی استفاده کرد یا با وقفه مرتبط شد
سرورهای پراکسی می توانند نقش مهمی در مدیریت وقفه ها در محیط های شبکه ایفا کنند. هنگامی که چندین مشتری از طریق یک پروکسی به اینترنت دسترسی دارند، پروکسی می تواند به طور موثر وقفه هایی مانند وضوح DNS، ذخیره محتوا و مدیریت اتصالات را مدیریت کند. با عمل به عنوان یک واسطه، سرورهای پروکسی می توانند به بهینه سازی ترافیک شبکه و بهبود تجربه کلی مرور کمک کنند.
لینک های مربوطه
برای اطلاعات بیشتر در مورد وقفه ها، می توانید منابع زیر را بررسی کنید: