الأجهزة الطرفية peripherals هي مجموعة الأجهزة الخارجية التي تتصل بحاسوبك، ويجب أن يكون للمعالج طريقة ما للتواصل مع هذه الأجهزة الطرفية لجعلها مفيدة، وتسمى قناة الاتصال بين المعالج والأجهزة الطرفية بالناقل Bus.
المفاهيم الخاصة بنواقل الأجهزة الطرفية
يتطلب الجهاز عمليات إدخال وإخراج ليكون مفيدًا، ويوجد هناك عدد من المفاهيم الشائعة المطلوبة للتواصل المفيد مع الأجهزة الطرفية التي سنستعرضها فيما يلي.
المقاطعات Interrupts
تسمح المقاطعة للجهاز بمقاطعة المعالج حرفيًا بما تعنيه الكلمة للإشارة إلى بعض المعلومات، فمثلًا تُنشَأ مقاطعة لتسليم حدث الضغط على مفتاح إلى نظام التشغيل عند الضغط عليه، إذ تسنِد تركيبة من نظام التشغيل وبيوس BIOS مقاطعةً لكل جهاز.
ترتبط الأجهزة عمومًا بمتحكم المقاطعة القابل للبرمجة Programmable Interrupt Controller أو PIC اختصارًا، وهو شريحة منفصلة تُعَدّ جزءًا من اللوحة الأم التي تخزّن معلومات المقاطعة مؤقتًا وتنقلها إلى المعالج الرئيسي، كما يحتوي كل جهاز على خط مقاطعة فيزيائي بينه وبين أحد خطوط PIC التي يوفرها النظام، فإذا أراد الجهاز مقاطعة المعالج، فسيعدّل الجهد على هذا الخط.
هناك وصف واسع جدًا لدور متحكم PIC وهو أنه يتلقى هذه المقاطعة ويحولها إلى رسالة ليستخدمها المعالج الرئيسي، كما يختلف هذا الإجراء حسب المعمارية، ولكن المبدأ العام هو أن يضبط نظام التشغيل جدول واصف المقاطعات Interrupt Descriptor Table الذي تربط فيه كل مقاطعة محتمَلة بعنوان شيفرة برمجية للانتقال إليها عند تلقي المقاطعة كما هو موضح في الشكل الآتي.
كتابة معالج المقاطعة Interrupt Handler هو عمل مطور برنامج تشغيل الجهاز بالتزامن مع نظام التشغيل.
نظرة عامة على معالجة المقاطعة: يرفع الجهاز المقاطعة إلى متحكم المقاطعة، حيث تمرِّر هذه المقاطعة المعلومات إلى المعالج. ينظر المعالج إلى جدول واصف مقاطعاته الذي يملؤه نظام التشغيل للعثور على الشيفرة البرمجية التي تعالج الخطأ.
تقسّم معظم المشغّلات معالجة المقاطعات إلى نصفين سفلي وعلوي، إذ يتعرف النصف السفلي على المقاطعة ويضع الإجراءات في رتل للمعالجة ويعيد المعالج إلى ما كان يفعله سابقًا بسرعة، في حين سيُشغَّل النصف العلوي لاحقًا عندما تكون وحدة المعالجة المركزية متاحةً، وسينفّذ المعالجة الإضافية، كما يؤدي ذلك إلى وقف المقاطعة التي تعطل وحدة المعالجة المركزية بأكملها.
حفظ الحالة
بما أنّ المقاطعة يمكن أن تحدث في أيّ وقت، فيجب أن تتمكن من العودة إلى العملية الجارية عند الانتهاء من معالجة المقاطعة، كما أنّ مهمة نظام التشغيل هي التأكد من أنه يحفظ أيّ حالة State عند الدخول إلى معالج المقاطعة، أي يسجلها ويستعيدها عند العودة من معالج المقاطعة، وتكون بذلك المقاطعة واضحةً تمامًا في كل ما يحدث في ذلك الوقت بغض النظر عن الوقت الضائع.
المقاطعات Interrupts والمصائد Traps والاستثناءات Exceptions
ترتبط المقاطعة عمومًا بحدث خارجي من جهاز فيزيائي، ولكن تُعَدّ الآلية نفسها مفيدةً للتعامل مع عمليات النظام الداخلية، فإذا اكتشف المعالج مثلًا حالات مثل الوصول إلى ذاكرة غير صالحة أو محاولة القسمة على صفر أو تعليمات غير صالحة، فيمكنه داخليًا رفع استثناء ليعالجه نظام التشغيل، كما تُستخدَم هذه الآلية ليلتقط نظام التشغيل استدعاءات النظام ولتطبيق الذاكرة الوهمية virtual memory، في حين تبقى مبادئ مقاطعة الشيفرة البرمجية المُشغَّلة بطريقة غير متزامنة كما هي بالرغم من إنشائها داخليًا وليس من مصدر خارجي.
أنواع المقاطعات
هناك طريقتان رئيسيتان لإصدار إشارات إلى المقاطعات على الخط هما المستوى level والحافة edge المُنبَّهة، إذ تحدّد المقاطعات ذات المستوى المُنبَّه جهد خط المقاطعة الذي يُحتفَظ به مرتفعًا للإشارة إلى وجود مقاطعة معلَّقة، في يحن تكتشف المقاطعات ذات الحافة المُنبَّهة الانتقالات في الناقل عندما ينتقل جهد الخط من منخفض إلى مرتفع، ويكتشف متحكم المقاطعة PIC نبضة الموجة المربعة باستخدام المقاطعة ذات الحافة المنبَّهة عند إصدار الإشارة ورفع المقاطعة.
يظهر الفرق عندما تشترك الأجهزة في خط مقاطعة، إذ سيكون خط المقاطعة مرتفعًا في نظام المقاطعة ذي المستوى المنبَّه حتى معالجة جميع الأجهزة التي رفعت المقاطعة وإلغاء تأكيد مقاطعتها، كما تشير النبضة الموجودة على الخط إلى متحكم المقاطعة PIC الذي تنشئه المقاطعة في نظام المقاطعة ذي الحافة المنبَّهة، وستصدر هذه النبضة إشارةً إلى نظام التشغيل لمعالجة المقاطعة في حالة ظهور نبضات أخرى على الخط المؤكَّد مسبقًا من جهاز آخر.
تكمن مشكلة المقاطعات ذات المستوى المنبَّه في أنها يمكن أن تتطلب قدرًا كبيرًا من الوقت لمعالجة مقاطعة أحد الأجهزة، إذ يظل خط المقاطعة مرتفعًا أثناء هذا الوقت ولا يمكن تحديد ما إذا تسبّب أيّ جهاز آخر في حدوث مقاطعة على الخط، وهذا يعني أنه يمكن أن يكون هناك زمن تأخير كبير وغير متوقع في خدمة المقاطعات.
يمكن ملاحظة المقاطعة طويلة الأمد ووضعها في رتل انتظار في المقاطعات ذات الحافة المُنبَّهة، ولكن لا يزال بإمكان الأجهزة الأخرى التي تشترك في الخط الانتقال -وبالتالي رفع المقاطعات- أثناء حدوث ذلك، ويؤدي ذلك إلى حدوث مشاكل جديدة، إذ يمكن تفويت أحد المقاطعات في حالة مقاطعة جهازين في الوقت نفسه أو يمكن أن يؤدي التشويش البيئي أو غيره إلى حدوث مقاطعة زائفة يجب تجاهلها.
المقاطعات غير القابلة للتقنع أو الإخفاء Non-maskable Interrupts
يجب أن يكون النظام قادرًا على إخفاء المقاطعات أو منعها في أوقات معينة، ويمكن وضع المقاطعات لتكون قيد الانتظار، لكن هناك صنف معيّن من المقاطعات يسمى المقاطعات غير القابلة للتقنّع أو الإخفاء Non-maskable Interrupts أو NMI اختصارًا، إذ تُعَدّ هذه المقاطعات استثناءً من هذه القاعدة مثل مقاطعة إعادة الضبط reset.
يمكن أن تكون مقاطعات NMI مفيدةً لتطبيق أشياء مثل مراقبة النظام، حيث تُرفَع مقاطعة NMI دوريًا وتضبِط بعض الرايات التي يجب أن يقرّ بها نظام التشغيل، فإذا لم يظهر هذا الإقرار قبل مقاطعة NMI الدورية التالية، فيمكن عَدّ النظام أنه لا يحرز أيّ تقدم، كما يمكن استخدام مقاطعات NMI لتشخيص Profiling النظام، إذ يمكن رفع مقاطعات NMI الدورية واستخدامها لتقييم الشيفرة البرمجية التي يعمل بها المعالج حاليًا، مما يؤدي بمرور الوقت إلى إنشاء ملف تعريف للشيفرة البرمجية التي تعمل والحصول على رؤية مفيدة للغاية حول أداء النظام.
فضاء الإدخال والإخراج IO
يجب أن يتصل المعالج بالجهاز الطرفي عبر عمليات الإدخال والإخراج IO، ويُطلَق على الشكل الأكثر شيوعًا من عمليات IO عمليات الإدخال والإخراج المرتبطة بالذاكرة Memory Mapped IO، إذ ترتبط المسجلات الموجودة على الجهاز مع الذاكرة، وما عليك سوى القراءة أو الكتابة في عنوان محدد من الذاكرة للتواصل مع الجهاز.
الوصول المباشر للذاكرة DMA
بما أن سرعة الأجهزة أقل بكثير من سرعة المعالجات، فيجب أن يكون هناك طريقة ما لتجنب انتظار وحدة المعالجة المركزية للبيانات من الأجهزة.
يُعَدّ الوصول المباشر للذاكرة Direct Memory Access -أو DMA اختصارًا- طريقةً لنقل البيانات مباشرةً بين الجهاز الطرفي وذاكرة RAM الخاصة بالنظام، ويمكن لمشغّل الجهاز إعداده لإجراء نقل باستخدام طريقة الوصول DMA من خلال إعطائه منطقةً من ذاكرة RAM لوضع بياناته فيها، ثم يمكنه بدء نقل DMA والسماح لوحدة المعالجة المركزية بمواصلة تنفيذ المهام الأخرى.
سيرفع الجهاز المقاطعة بعد الانتهاء ويرسل لمشغّل الجهاز إشارةً باكتمال النقل، ثم ستكون البيانات القادمة من الجهاز مثل ملف من قرص صلب أو إطارات من بطاقة التقاط الفيديو موجودةً في الذاكرة وجاهزةً للاستخدام.
نواقل أخرى
تصل نواقل أخرى بين ناقل PCI والأجهزة الخارجية مثل ناقل USB الذي سنتعرف عليه فيما يلي.
USB
يُعَدّ جهاز USB من وجهة نظر نظام التشغيل أنه مجموعة من نقاط النهاية المجمَّعة معًا في واجهة ما، إذ يمكن أن تكون نقطة النهاية إما نقطة إدخال أو إخراج، بحيث تنقل نقطة النهاية البيانات باتجاه واحد فقط، كما يمكن أن تحتوي نقاط النهاية على عدد من الأنواع المختلفة هي:
*
نقاط نهاية خاصة بعمليات التحكم Control End-points: مخصصة لإعداد الجهاز وغير ذلك.
*
نقاط نهاية خاصة بالمقاطعات Interrupt End-points: تُستخدَم لنقل كميات صغيرة من البيانات، ولديها أولوية عليا.
*
نقاط النهاية المجمَّعة Bulk End-points: تنقل كميات كبيرة من البيانات ولكنها لا تحصل على قيود زمنية مضمونة.
*
عمليات النقل المتزامنة Isochronous Transfers: هي عمليات نقل ذات أولوية عالية في الوقت الحقيقي، ولكن إذا جرى تفويتها، فلن يعاد تجربتها، وتُستخدَم لبيانات البث مثل الفيديو أو الصوت حيث لا توجد فائدة من إرسال البيانات مرةً أخرى.
يمكن أن يكون هناك العديد من الواجهات المكونة من نقاط نهاية متعددة، وتُجمَّع الواجهات ضمن إعدادات Configurations، ولكن معظم الأجهزة لها إعداد واحد فقط.
نظرة عامة على متحكم UCHI (مأخوذة من توثيق إنتل Intel)
يوضح الشكل السابق نظرة عامة على واجهة متحكم المضيف العامة Universal Host Controller Interface أو UHCI اختصارًا، إذ ويوفر نظرةً عامةً حول كيفية نقل بيانات USB خارج النظام عن طريق مجموعة من العتاد والبرمجيات، كما تضبط البرمجيات قالب بيانات بتنسيق محدد لمتحكم المضيف لقراءته وإرساله عبر ناقل USB.
يحتوي المتحكم بدءًا من أعلى يسار الشكل السابق على مسجل إطارات مع عدّاد يُزاد دوريًا في كل ميلي ثانية، إذ تُستخدَم هذه القيمة للفهرسة ضمن قائمة إطارات تنشئها البرمجيات، ويؤشّر كل إدخال في هذا الجدول إلى رتل واصفات النقل Transfer Descriptors، كما تضبط البرمجيات هذه البيانات في الذاكرة ويقرؤها المتحكم المضيف الذي يُعَدّ شريحةً منفصلةً تشغّل ناقل USB، ويجب أن تجدول البرمجيات أرتال العمل بحيث يُمنَح 90% من وقت الإطار للبيانات المتزامنة ويُمنَح 10% المتبقية لبيانات المقاطعة والتحكم والبيانات المُجمَّعة.
تعني الطريقة التي تُربَط بها البيانات أنّ واصفات النقل للبيانات المتزامنة ترتبط بمؤشر إطار معيّن واحد فقط -أي فترة زمنية معينة واحدة فقط- ثم ستُهمَل، لكن تُوضَع جميع بيانات المقاطعة والتحكم والبيانات المُجمَّعة ضمن رتل انتظار بعد البيانات المتزامنة، وبالتالي إذا لم تُرسَل في إطار واحد -أو فترة زمنية واحدة- فسيجري ذلك في المرة التالية.
تتواصل طبقات USB عبر كتل طلبات USB أو URB اختصارًا، إذ تحتوي كتل URB على معلومات حول نقطة النهاية التي يرتبط بها هذا الطلب والبيانات وأي معلومات أو سمات ذات صلة ودالة رد نداء call-back function تُستدعَى عند اكتمال كتلة URB، كما ترسِل مشغّلات USB كتل URB بتنسيق ثابت إلى مركز USB الذي يديرها بالتنسيق مع متحكم مضيف USB على النحو الوارد أعلاه، وتُرسَل بياناتك إلى جهاز USB عبر مركز USB، ثم تُشغَّل دالة رد النداء.
ترجمة -وبتصرُّف- للقسم Peripherals and buses من الفصل Computer Architecture من كتاب Computer Science from the Bottom Up لصاحبه Ian Wienand.
اقرأ أيضًا
*
المقال السابق: نظرة عميقة على تسلسل الذواكر الهرمي والذاكرة المخبئية في معمارية الحاسوب
*
المدخل الشامل لتعلم علوم الحاسوب
*
فهم عملية التخبئة (Caching) في معمارية الحاسوب
تعليقات
إرسال تعليق