مقاطعة

المقاطعة المادية هي حالة متعلقة بحالة الجهاز، قد تُشير إليها وحدة خارجية، مثل خط طلب المقاطعة (IRQ) في الحاسوب الشخصي، أو قد تكتشفها أجهزة مُدمجة في منطق المعالج (مثل مؤقت وحدة المعالجة المركزية في نظام IBM System/370)، لتُعلم نظام التشغيل ^{[ 8 ]} أن الجهاز يحتاج إلى تنبيه، أو في حال عدم وجود نظام تشغيل، من البرنامج المُشغل على وحدة المعالجة المركزية. قد تكون هذه الأجهزة الخارجية جزءًا من الحاسوب (مثل وحدة تحكم القرص ) أو أجهزة طرفية خارجية . على سبيل المثال، يؤدي الضغط على مفتاح في لوحة المفاتيح أو تحريك فأرة موصولة بمنفذ PS/2 إلى إطلاق مقاطعات مادية تُجبر المعالج على قراءة ضغطة المفتاح أو موضع الفأرة.

يمكن أن تصل مقاطعات الأجهزة بشكل غير متزامن مع ساعة المعالج، وفي أي وقت أثناء تنفيذ التعليمات. ونتيجة لذلك، يتم ضبط جميع إشارات مقاطعات الأجهزة الواردة من خلال مزامنتها مع ساعة المعالج، ولا يتم التعامل معها إلا عند حدود تنفيذ التعليمات.

في العديد من الأنظمة، يرتبط كل جهاز بإشارة مقاطعة محددة. وهذا يُمكّن من تحديد الجهاز الذي يطلب الخدمة بسرعة، وتسريع عملية صيانة ذلك الجهاز.

في بعض الأنظمة القديمة، مثل نظام CDC 3600 لعام 1964 ، ^{[ 9 ]} كانت جميع المقاطعات تُوجَّه إلى نفس الموقع، وكان نظام التشغيل يستخدم تعليمة خاصة لتحديد المقاطعة غير المقنعة ذات الأولوية الأعلى. أما في الأنظمة الحديثة، فيوجد عادةً روتين مقاطعة منفصل لكل نوع من أنواع المقاطعات (أو لكل مصدر مقاطعة)، وغالبًا ما يُنفَّذ ذلك باستخدام جدول أو أكثر من جداول متجهات المقاطعات .

يطلب المعالج نفسه مقاطعة برمجية عند تنفيذ تعليمات معينة أو عند استيفاء شروط محددة. وترتبط كل إشارة مقاطعة برمجية بمعالج مقاطعة معين.

قد يحدث مقاطعة برمجية عمدًا عند تنفيذ تعليمة خاصة مصممة لاستدعاء مقاطعة عند تنفيذها. ^{[ و ]} تعمل هذه التعليمات بشكل مشابه لاستدعاءات البرامج الفرعية ، وتُستخدم لأغراض متنوعة، مثل طلب خدمات نظام التشغيل والتفاعل مع برامج تشغيل الأجهزة (مثل قراءة أو كتابة وسائط التخزين). كما يمكن أن تحدث المقاطعات البرمجية نتيجة أخطاء في تنفيذ البرنامج أو بسبب نظام الذاكرة الافتراضية .

عادةً، تتولى نواة نظام التشغيل رصد ومعالجة المقاطعات البرمجية. تُعالج بعض المقاطعات بشفافية تامة للبرنامج، فعلى سبيل المثال، يتمثل الحل الطبيعي لخطأ الصفحة في إتاحة الوصول إلى الصفحة المطلوبة في الذاكرة الفعلية. أما في حالات أخرى، مثل خطأ تجزئة الذاكرة ، فيُنفذ نظام التشغيل دالة رد نداء. في أنظمة التشغيل الشبيهة بنظام يونكس، يتضمن ذلك إرسال إشارة مثل SIGSEGV أو SIGBUS أو SIGILL أو SIGFPE ، والتي قد تستدعي معالج إشارة أو تُنفذ إجراءً افتراضيًا (إنهاء البرنامج). في نظام ويندوز، تتم دالة رد النداء باستخدام معالجة الاستثناءات المهيكلة مع رمز استثناء مثل STATUS_ACCESS_VIOLATION أو STATUS_INTEGER_DIVIDE_BY_ZERO. ^{[ 13 ]} تؤدي المقاطعات البرمجية المتعمدة لاستدعاءات النظام إلى استدعاءات لروتينات في النواة لتنفيذ الوظيفة المطلوبة من قِبل استدعاء النظام.

في عملية النواة ، غالباً ما يكون من غير المفترض حدوث بعض أنواع المقاطعات البرمجية. وإذا حدثت رغم ذلك، فقد يؤدي ذلك إلى تعطل نظام التشغيل .

تُستخدم المصطلحات "مقاطعة " و "مصيدة " و" استثناء " و " خطأ " و" إجهاض" لتمييز أنواع المقاطعات، مع أنه "لا يوجد إجماع واضح على المعنى الدقيق لهذه المصطلحات". ^{[ 14 ]} قد يشير مصطلح "مصيدة " إلى أي مقاطعة، أو أي مقاطعة برمجية، أو أي مقاطعة برمجية متزامنة، أو فقط إلى المقاطعات الناتجة عن تعليمات تحتوي على كلمة " مصيدة" في اسمها. في بعض الاستخدامات، يشير مصطلح " مصيدة" تحديدًا إلى نقطة توقف تهدف إلى بدء تبديل السياق إلى برنامج مراقبة أو مصحح أخطاء . ^{[ 2 ]} وقد يشير أيضًا إلى مقاطعة متزامنة ناتجة عن حالة استثنائية (مثل القسمة على صفر ، أو الوصول غير الصحيح إلى الذاكرة ، أو رمز العملية غير القانوني )، ^{[ 14 ]} مع أن مصطلح "استثناء" هو الأكثر شيوعًا في هذه الحالة.

يقسم معالج x86 المقاطعات إلى مقاطعات (مادية) واستثناءات برمجية ، ويحدد ثلاثة أنواع من الاستثناءات: الأعطال، والمصائد، والإجهاض. ^{[ 15 ] [ 16 ]} المقاطعات (المادية) هي مقاطعات يتم تشغيلها بشكل غير متزامن بواسطة جهاز إدخال/إخراج، وتسمح بإعادة تشغيل البرنامج دون فقدان الاستمرارية. ^{[ 15 ]} يمكن إعادة تشغيل العطل أيضًا، ولكنه مرتبط بالتنفيذ المتزامن لتعليمات معينة - يشير عنوان الإرجاع إلى التعليمات التي تسببت في العطل. تشبه المصيدة العطل، إلا أن عنوان الإرجاع يشير إلى التعليمات التي سيتم تنفيذها بعد تعليمات المصيدة؛ ^{[ 17 ]} ومن أبرز استخداماتها تنفيذ استدعاءات النظام . ^{[ 16 ]} يُستخدم الإجهاض للأخطاء الجسيمة، مثل أخطاء الأجهزة والقيم غير القانونية في جداول النظام، وغالبًا ^{[ g ]} لا يسمح بإعادة تشغيل البرنامج. ^{[ 17 ]}

تستخدم ARM مصطلح "الاستثناء" للإشارة إلى جميع أنواع المقاطعات، ^{[ 18 ]} وتقسم الاستثناءات إلى مقاطعات (مادية) ، وإجهاضات ، وإعادة ضبط ، وتعليمات توليد الاستثناءات. تتوافق الإجهاضات مع استثناءات x86، وقد تكون إجهاضات جلب مسبق (فشل جلب التعليمات) أو إجهاضات بيانات (فشل الوصول إلى البيانات)، وقد تكون متزامنة أو غير متزامنة. قد تكون الإجهاضات غير المتزامنة دقيقة أو غير دقيقة. أما إجهاضات وحدة إدارة الذاكرة (أخطاء الصفحات) فهي متزامنة. ^{[ 19 ]}

يستخدم RISC-V مصطلح المقاطعة كمصطلح شامل وكذلك للمجموعة الفرعية الخارجية؛ وتسمى المقاطعات الداخلية بالاستثناءات.

يتم طلب مقاطعة مُفعّلة بمستوى الإشارة عن طريق تثبيت إشارة المقاطعة عند مستوى المنطق النشط المحدد (مرتفع أو منخفض) . يستدعي الجهاز مقاطعة مُفعّلة بمستوى الإشارة عن طريق توجيه الإشارة إلى المستوى النشط وتثبيتها عنده. ثم يقوم الجهاز بإلغاء الإشارة عندما يأمره المعالج بذلك، عادةً بعد إجراء الصيانة اللازمة للجهاز.

يقوم المعالج بأخذ عينات من إشارة المقاطعة المدخلة خلال كل دورة تعليمات. وسيتعرف المعالج على طلب المقاطعة إذا تم تفعيل الإشارة عند أخذ العينات.

تسمح المدخلات المُفعّلة بمستوى الإشارة لأجهزة متعددة بمشاركة إشارة مقاطعة مشتركة عبر وصلات OR سلكية. يقوم المعالج بالاستطلاع لتحديد الأجهزة التي تطلب الخدمة. بعد خدمة جهاز ما، قد يقوم المعالج بالاستطلاع مرة أخرى، وإذا لزم الأمر، خدمة أجهزة أخرى قبل الخروج من روتين خدمة المقاطعة (ISR). كما ذُكر سابقًا، فإن المعالج الذي يتصل مدخل المقاطعة الحساس لمستوى الإشارة الخاص به بدائرة OR سلكية يكون عرضة للمقاطعات الزائفة، والتي قد تتسبب، في حال حدوثها، في حالة جمود أو عطل آخر في النظام قد يكون كارثيًا.

المقاطعة المُفعّلة بالحافة هي مقاطعة يتم الإشارة إليها عن طريق تغيير مستوى الإشارة على خط المقاطعة، إما حافة هابطة (من مستوى عالٍ إلى مستوى منخفض) أو حافة صاعدة (من مستوى منخفض إلى مستوى عالٍ). يقوم الجهاز الراغب في الإشارة إلى حدوث مقاطعة بإرسال نبضة إلى الخط ثم يُعيده إلى حالته غير النشطة.

يكمن جوهر آلية التفعيل بالحافة في ضرورة انتقال الإشارة لتفعيل المقاطعة؛ فعلى سبيل المثال، إذا كان الانتقال من مستوى عالٍ إلى مستوى منخفض، فسيتم تفعيل مقاطعة واحدة فقط عند الحافة الهابطة، ولن يؤدي استمرار المستوى المنخفض إلى تفعيل مقاطعة أخرى. يجب أن تعود الإشارة إلى المستوى العالي ثم تنخفض مجددًا لتفعيل مقاطعة أخرى. وهذا يختلف عن آلية التفعيل بالمستوى، حيث يستمر المستوى المنخفض في توليد المقاطعات (إذا كانت مُفعّلة) حتى تعود الإشارة إلى مستواها العالي.

قد تتضمن أجهزة الكمبيوتر المزودة بمقاطعات تعمل عند حافة الإشارة سجل مقاطعات يحتفظ بحالة المقاطعات المعلقة. وعادةً ما تحتوي الأنظمة المزودة بسجلات مقاطعات على سجلات أقنعة المقاطعات أيضًا.

قد تتشارك عدة أجهزة خط مقاطعة مُفعّل بالحافة إذا صُممت لذلك. يجب أن يحتوي خط المقاطعة على مقاومة سحب لأسفل أو لأعلى بحيث يعود إلى حالته غير النشطة، وهي حالته الافتراضية، عندما لا يكون مُفعّلاً. تُشير الأجهزة إلى وجود مقاطعة عن طريق تشغيل الخط لفترة وجيزة إلى حالته غير الافتراضية، وتتركه غير مُفعّل (لا تُشغّله) عندما لا تُشير إلى وجود مقاطعة. يُشار إلى هذا النوع من التوصيل أيضًا باسم " المُجمّع المفتوح" . يحمل الخط بعد ذلك جميع النبضات المُولّدة من جميع الأجهزة. (يشبه هذا حبل السحب في بعض الحافلات والعربات الكهربائية الذي يُمكن لأي راكب سحبه للإشارة إلى السائق بأنه يطلب التوقف). مع ذلك، قد تتداخل نبضات المقاطعة من أجهزة مختلفة إذا حدثت في وقت متقارب. لتجنب فقدان المقاطعات، يجب على وحدة المعالجة المركزية (CPU) التفعيل عند الحافة الهابطة للنبضة (مثل الحافة الصاعدة إذا تم سحب الخط لأعلى وخفضه). بعد اكتشاف المقاطعة، يجب على وحدة المعالجة المركزية (CPU) التحقق من جميع الأجهزة للتأكد من وجود متطلبات خدمة.

لا تعاني المقاطعات المُفعَّلة بالحافة من مشاكل المشاركة التي تواجهها المقاطعات المُفعَّلة بالمستوى. يمكن تأجيل خدمة جهاز ذي أولوية منخفضة بشكل تعسفي، بينما تستمر المقاطعات من الأجهزة ذات الأولوية العالية في الاستقبال والمعالجة. إذا كان هناك جهاز لا يعرف المعالج المركزي كيفية خدمته، مما قد يؤدي إلى مقاطعات زائفة، فلن يتداخل ذلك مع إشارات المقاطعة للأجهزة الأخرى. مع ذلك، من السهل تفويت مقاطعة مُفعَّلة بالحافة - على سبيل المثال، عند إخفاء المقاطعات لفترة معينة - وما لم يكن هناك نوع من آلية تسجيل الأحداث، فمن المستحيل استعادة النظام. تسببت هذه المشكلة في العديد من حالات "التوقف" في أجهزة الكمبيوتر القديمة لأن المعالج لم يكن يعلم أنه من المتوقع منه القيام بشيء ما. غالبًا ما تحتوي الأجهزة الحديثة على سجل أو أكثر لحالة المقاطعة لتسجيل طلبات المقاطعة؛ ويمكن لرمز معالجة المقاطعات المُفعَّلة بالحافة والمكتوب جيدًا التحقق من هذه السجلات لضمان عدم تفويت أي أحداث.

تستخدم بنية معيار الصناعة (ISA) مقاطعات الحافة، دون اشتراط مشاركة الأجهزة لخطوط IRQ، ولكن جميع اللوحات الأم ISA الشائعة تتضمن مقاومات سحب لأعلى على خطوط IRQ الخاصة بها، لذا فإن أجهزة ISA السليمة التي تتشارك خطوط IRQ ستعمل بشكل جيد. يستخدم المنفذ المتوازي أيضًا مقاطعات الحافة. ​​تفترض العديد من الأجهزة القديمة أنها تستخدم خطوط IRQ حصريًا، مما يجعل مشاركتها غير آمنة كهربائيًا.

توجد ثلاث طرق لتفعيل اتصال عدة أجهزة "تتشارك نفس الخط". أولها التوصيل الحصري (التبديل) أو الاتصال الحصري (بالدبابيس). ثانيها الاتصال عبر ناقل البيانات (حيث تتصل جميع الأجهزة بنفس الخط وتستمع): يجب أن تعرف البطاقات على ناقل البيانات متى يجب عليها إرسال البيانات ومتى يجب عليها التوقف (مثل ناقل ISA). يمكن تفعيل إرسال البيانات بطريقتين: بواسطة دارة التجميع أو بواسطة البوابات المنطقية. تتوقع البوابات المنطقية تدفقًا مستمرًا للبيانات تتم مراقبته بحثًا عن إشارات رئيسية. لا يتم تفعيل دارة التجميع إلا عندما يتجاوز الطرف البعيد عتبة معينة، وبالتالي لا يلزم تحديد سرعة معينة. لكل طريقة مزاياها من حيث السرعة والمسافة. بشكل عام، التفعيل هو الطريقة التي يتم بها اكتشاف الإثارة: الحافة الصاعدة، الحافة الهابطة، العتبة ( يمكن لجهاز راسم الإشارة تفعيل مجموعة واسعة من الأشكال والظروف).

يجب تضمين آلية تشغيل المقاطعات البرمجية في البرنامج نفسه (في كل من نظام التشغيل والتطبيق). يحتوي تطبيق C على جدول تشغيل (جدول وظائف) في ملف الرأس الخاص به، وهو جدول يعرفه كل من التطبيق ونظام التشغيل ويستخدمانه بشكل صحيح، ولا يرتبط هذا الجدول بالأجهزة. مع ذلك، لا تخلط بين هذا وبين مقاطعات الأجهزة التي تُرسل إشارات إلى وحدة المعالجة المركزية (حيث تُنفذ وحدة المعالجة المركزية البرنامج من جدول الوظائف، على غرار المقاطعات البرمجية).

تستخدم بعض الأنظمة مزيجًا من الإشارات المُفعّلة بالمستوى والإشارات المُفعّلة بالحافة. ​​لا يقتصر عمل الجهاز على البحث عن الحافة فحسب، بل يتحقق أيضًا من بقاء إشارة المقاطعة نشطة لفترة زمنية محددة.

يُستخدم المقاطعة الهجينة عادةً لإدخال إشارة المقاطعة غير القابلة للإخفاء (NMI). ولأن إشارات NMI تُشير عادةً إلى أحداث نظامية خطيرة، أو حتى كارثية، فإنّ التنفيذ الجيد لهذه الإشارة يحرص على ضمان صحة المقاطعة من خلال التحقق من استمرارها نشطةً لفترة زمنية محددة. يُساعد هذا النهج ذو الخطوتين على منع المقاطعات الخاطئة من التأثير على النظام.

لا يستخدم المقاطعة المُشار إليها برسالة خط مقاطعة فعلي. بدلاً من ذلك، يُشير الجهاز إلى طلبه للخدمة عن طريق إرسال رسالة قصيرة عبر وسيط اتصال، عادةً ما يكون ناقل بيانات حاسوبي . قد تكون الرسالة من نوع مخصص للمقاطعات، أو قد تكون من نوع موجود مسبقًا مثل كتابة البيانات في الذاكرة.

تتشابه المقاطعات التي تُرسل إشاراتها برسائل إلى حد كبير مع المقاطعات التي تُفعّل بحافة الإشارة، حيث تكون المقاطعة إشارة لحظية وليست حالة مستمرة. ويتعامل برنامج معالجة المقاطعات مع النوعين بنفس الطريقة تقريبًا. عادةً، يُسمح بدمج عدة مقاطعات معلقة تُرسل إشاراتها برسائل تحمل نفس الرسالة (نفس خط المقاطعة الافتراضي)، تمامًا كما يمكن دمج المقاطعات التي تُفعّل بحافة الإشارة والمتقاربة زمنيًا.

يمكن مشاركة متجهات المقاطعة التي يتم إرسال إشاراتها عبر الرسائل ، وذلك بقدر إمكانية مشاركة وسيط الاتصال الأساسي. ولا يتطلب الأمر أي جهد إضافي.

بما أن هوية المقاطعة تُحدد بنمط من بتات البيانات، دون الحاجة إلى موصل مادي منفصل، فإنه يمكن معالجة عدد أكبر بكثير من المقاطعات المختلفة بكفاءة. وهذا يقلل الحاجة إلى المشاركة. كما يمكن تمرير رسائل المقاطعة عبر ناقل تسلسلي، دون الحاجة إلى أي خطوط إضافية.

يستخدم ناقل PCI Express ، وهو ناقل كمبيوتر تسلسلي، المقاطعات التي يتم إرسال إشارات الرسائل إليها حصريًا.

في تشبيهٍ يُطبَّق على أنظمة الحاسوب ، يُستخدم مصطلح "جرس الباب" أو "مقاطعة جرس الباب" لوصف آليةٍ تُتيح لنظام برمجي إرسال إشارةٍ إلى جهاز حاسوبي لإعلامه بوجود مهمةٍ ما. عادةً، يضع النظام البرمجي البيانات في مواقع ذاكرةٍ معروفةٍ ومتفقٍ عليها، ثم يُرسل إشارةً إلى موقع ذاكرةٍ آخر. يُطلق على هذا الموقع اسم "منطقة جرس الباب"، وقد تحتوي هذه المنطقة على عدة مواقعٍ تُؤدي وظائفَ مختلفة. تُشير عملية الكتابة إلى "منطقة جرس الباب" إلى جاهزية البيانات وإمكانية معالجتها. عندها، يُدرك الجهاز أن البيانات صالحةٌ وقابلةٌ للمعالجة، فيقوم عادةً بنسخها إلى قرصٍ صلب ، أو إرسالها عبر الشبكة ، أو تشفيرها ، وما إلى ذلك.

مصطلح "مقاطعة جرس الباب" عادةً ما يكون تسميةً غير دقيقة . فهي تشبه المقاطعة العادية، لأنها تُجبر الجهاز على تنفيذ بعض العمليات؛ إلا أن منطقة جرس الباب تُنفذ أحيانًا كمنطقة استطلاع ، وأحيانًا أخرى تُكتب مباشرةً إلى سجلات الجهاز ، وأحيانًا تُوصل مباشرةً بسجلات الجهاز. عند الكتابة مباشرةً إلى سجلات الجهاز، قد يتسبب ذلك في حدوث مقاطعة حقيقية في وحدة المعالجة المركزية ( CPU ) للجهاز ، إن وُجدت.

يمكن مقارنة مقاطعات جرس الباب بمقاطعات الإشارة بالرسالة ، حيث أن لهما بعض أوجه التشابه.

في أنظمة المعالجات المتعددة ، قد يرسل المعالج طلب مقاطعة إلى معالج آخر عبر مقاطعات المعالجات ^{[ i ]} (IPI).