مؤقت مراقبة النظام

مؤقت المراقبة ( WDT ، أو ببساطة مؤقت المراقبة )، ويُسمى أحيانًا مؤقت التشغيل السليم للحاسوب ( COP )، هو مؤقت إلكتروني أو برمجي يُستخدم لاكتشاف أعطال الحاسوب والتعافي منها . ^{[ 1 ]} تُستخدم مؤقتات المراقبة على نطاق واسع في الحواسيب لتسهيل التصحيح التلقائي لأعطال الأجهزة المؤقتة، ولمنع البرامج الضارة أو المعيبة من تعطيل عمل النظام.

أثناء التشغيل العادي، يُعيد الحاسوب تشغيل مؤقت المراقبة بانتظام لمنعه من تجاوز مهلة التشغيل . إذا فشل الحاسوب في إعادة تشغيل مؤقت المراقبة نتيجةً لعطل في الأجهزة أو خطأ برمجي، فسيتجاوز المؤقت مهلة التشغيل ويُصدر إشارة انتهاء المهلة. تُستخدم إشارة انتهاء المهلة لبدء إجراءات تصحيحية، تشمل عادةً وضع الحاسوب والأجهزة المرتبطة به في حالة آمنة وإعادة تشغيل الحاسوب .

غالباً ما تتضمن وحدات التحكم الدقيقة وحدة مراقبة مدمجة على الشريحة. في أجهزة الكمبيوتر الأخرى، قد توجد وحدة المراقبة في شريحة مجاورة تتصل مباشرة بوحدة المعالجة المركزية ، أو قد تكون موجودة على بطاقة توسعة خارجية في هيكل الكمبيوتر.

تُستخدم مؤقتات المراقبة عادةً في الأنظمة المدمجة وغيرها من المعدات التي يتم التحكم فيها بواسطة الحاسوب، حيث يصعب على البشر الوصول إليها أو يعجزون عن الاستجابة للأعطال في الوقت المناسب. في مثل هذه الأنظمة، لا يمكن للحاسوب الاعتماد على الإنسان لإعادة تشغيله في حال توقفه عن العمل ؛ بل يجب أن يكون مكتفيًا ذاتيًا. على سبيل المثال، لا يمكن الوصول فعليًا إلى الأنظمة المدمجة البعيدة، مثل المركبات الفضائية، من قِبل المشغلين البشريين؛ وقد تتعطل هذه الأنظمة بشكل دائم إذا لم تتمكن من التعافي تلقائيًا من الأعطال. في الروبوتات والآلات المؤتمتة الأخرى، قد يتسبب عطل في حاسوب التحكم في تلف المعدات أو إصابات قبل أن يتمكن الإنسان من التدخل، حتى لو كان الوصول إلى الحاسوب سهلًا. يُستخدم مؤقت المراقبة عادةً في مثل هذه الحالات.

تُستخدم مؤقتات المراقبة أيضًا لمراقبة وقت تنفيذ البرامج والحد منه على جهاز كمبيوتر يعمل بشكل طبيعي. على سبيل المثال، يمكن استخدام مؤقت المراقبة عند تشغيل تعليمات برمجية غير موثوقة في بيئة معزولة (Sandbox) ، للحد من وقت وحدة المعالجة المركزية المتاح للتعليمات البرمجية، وبالتالي منع بعض أنواع هجمات حجب الخدمة . ^{[ 2 ]} في أنظمة التشغيل في الوقت الحقيقي ، يمكن استخدام مؤقت المراقبة لمراقبة مهمة حساسة للوقت لضمان إكمالها في غضون الحد الأقصى للوقت المخصص لها، وإذا فشلت في ذلك، يتم إنهاء المهمة بأمان والإبلاغ عن الفشل.

قد يبدأ مؤقت المراقبة عدة أنواع من الإجراءات التصحيحية، بما في ذلك المقاطعة القابلة للإخفاء ، والمقاطعة غير القابلة للإخفاء ، وإعادة ضبط الأجهزة ، وتفعيل حالة الأمان ، وإعادة تشغيل الطاقة ، أو مزيج من هذه الإجراءات. وبحسب بنيته، قد يكون نوع الإجراء التصحيحي أو الإجراءات التي يمكن لمؤقت المراقبة تشغيلها ثابتًا أو قابلًا للبرمجة. تتطلب بعض أجهزة الكمبيوتر (مثل أجهزة الكمبيوتر الشخصية المتوافقة) إشارة نبضية لتفعيل إعادة ضبط الأجهزة. في هذه الحالات، يقوم مؤقت المراقبة عادةً بتشغيل إعادة ضبط الأجهزة عن طريق تنشيط مولد نبضات داخلي أو خارجي ، والذي بدوره يُنشئ نبضات إعادة الضبط المطلوبة. ^{[ 4 ]}

في الأنظمة المدمجة وأنظمة التحكم، تُستخدم مؤقتات المراقبة عادةً لتفعيل دوائر الأمان . عند تفعيلها، تُجبر هذه الدوائر جميع مخارج التحكم على العودة إلى حالات الأمان (مثل إيقاف تشغيل المحركات والسخانات والجهود العالية ) لمنع الإصابات وتلف المعدات أثناء استمرار العطل. في مؤقت مراقبة ثنائي المراحل، يُستخدم المؤقت الأول عادةً لتفعيل مخارج الأمان وبدء المرحلة الثانية؛ حيث تُعيد المرحلة الثانية ضبط الحاسوب إذا تعذر تصحيح العطل قبل انتهاء مدة المؤقت.

تُستخدم مؤقتات المراقبة أحيانًا لتفعيل تسجيل معلومات حالة النظام - والتي قد تكون مفيدة أثناء استعادة النظام بعد العطل ^{[ 4 ]} - أو معلومات تصحيح الأخطاء (التي قد تكون مفيدة لتحديد سبب العطل) على وسيط تخزين دائم . في مثل هذه الحالات، يُستخدم عادةً مؤقت ثانٍ - يبدأ عند انتهاء المؤقت الأول - لإعادة تشغيل الحاسوب لاحقًا، بعد إتاحة وقت كافٍ لإتمام تسجيل البيانات. يتيح هذا الوقت الكافي لحفظ المعلومات، ويضمن إعادة تشغيل الحاسوب حتى في حال فشل عملية التسجيل.

على سبيل المثال، يُظهر الرسم التخطيطي أعلاه تكوينًا محتملاً لمؤقت مراقبة ثنائي المراحل. أثناء التشغيل العادي، يُفعّل الحاسوب المرحلة الأولى (Stage1) بانتظام لمنع انتهاء المهلة. إذا فشل الحاسوب في تفعيل المرحلة الأولى (Stage1) (على سبيل المثال، بسبب عطل في الأجهزة أو خطأ برمجي)، فستنتهي مهلة المرحلة الأولى (Stage1) في النهاية. سيؤدي هذا الحدث إلى بدء مؤقت المرحلة الثانية (Stage2)، وفي الوقت نفسه، يُبلغ الحاسوب (عن طريق مقاطعة غير قابلة للإخفاء) بأن إعادة التشغيل وشيكة. إلى حين انتهاء مهلة المرحلة الثانية (Stage2)، قد يحاول الحاسوب تسجيل معلومات الحالة، أو معلومات تصحيح الأخطاء، أو كليهما. وكحل أخير، ستتم إعادة تشغيل الحاسوب عند انتهاء مهلة المرحلة الثانية (Stage2).

يُوفّر مؤقت المراقبة اكتشافًا تلقائيًا للأعطال الجسيمة التي تمنع الحاسوب من إيقافها. مع ذلك، قد تُعاني الحواسيب من أنواع أخرى من الأعطال الأقل خطورة والتي لا تُعيق الإيقاف، ولكنها مع ذلك تتطلب إشرافًا من مؤقت المراقبة. لدعم هذه الأعطال، يُصمّم نظام الحاسوب عادةً بحيث لا يتم إيقاف مؤقت المراقبة إلا إذا اعتبر الحاسوب النظام سليمًا. يُحدّد الحاسوب سلامة النظام من خلال إجراء اختبار واحد أو أكثر للكشف عن الأعطال، ولن يُفعّل مؤقت المراقبة إلا إذا اجتازت جميع الاختبارات بنجاح. ^{[ 7 ]}

في الحواسيب التي تعمل بنظام تشغيل وعدة عمليات ، قد لا يكون اختبار واحد بسيط كافيًا لضمان التشغيل السليم، إذ قد يفشل في اكتشاف عطل دقيق، وبالتالي يُفعّل برنامج مراقبة النظام حتى مع وجود العطل. على سبيل المثال، في نظام التشغيل لينكس، قد يُفعّل برنامج مراقبة النظام في مساحة المستخدم البرنامج دوريًا دون إجراء أي اختبارات. وطالما يعمل البرنامج بشكل طبيعي، يبقى النظام محميًا من الأعطال الخطيرة، مثل ذعر النواة . لاكتشاف الأعطال الأقل خطورة، يمكن للبرنامج ^{[ 8 ]} إجراء اختبارات تغطي جوانب مختلفة من حالة النظام، بما في ذلك توافر الموارد (مثل الذاكرة ، ومؤشرات الملفات ، ووقت وحدة المعالجة المركزية)، ودلائل على نشاط العمليات المتوقع (مثل تشغيل برامج النظام، ووجود ملفات محددة أو تحديثها)، وارتفاع درجة الحرارة، ونشاط الشبكة. ^{[ 9 ]}

عند اكتشاف فشل في الاختبار، قد يحاول الحاسوب تنفيذ سلسلة من الإجراءات التصحيحية تحت سيطرة البرمجيات، وصولًا إلى إعادة تشغيل برمجية. إذا فشلت البرمجيات في إعادة التشغيل، فسيتوقف مؤقت مراقبة الأجهزة - إن وُجد - عن العمل، ما يؤدي إلى إعادة ضبط الأجهزة. في الواقع، هذا مؤقت مراقبة متعدد المراحل، حيث تُمثل البرمجيات المرحلة الأولى، بينما يُمثل مؤقت مراقبة الأجهزة المرحلة الأخيرة. في نظام لينكس، على سبيل المثال، يمكن تهيئة برنامج مراقبة الأجهزة لمحاولة إعادة التشغيل برمجيًا، وهو ما قد يكون أفضل من إعادة ضبط الأجهزة، إذ يسمح بفصل أنظمة الملفات بأمان وتسجيل معلومات الأعطال قبل إعادة التشغيل. مع ذلك، من الضروري وجود آلية الحماية التي يوفرها مؤقت مراقبة الأجهزة، تحسبًا لحالة تسبب عطل ما في تعطل البرنامج نفسه، وبالتالي عدم قدرته على إعادة التشغيل. ^{[ 7 ]}

تُنفَّذ مؤقتات المراقبة بطرقٍ متنوعة. تستخدم بعض مؤقتات المراقبة الإلكترونية (مثل Analog Devices MAX6324) دوائر توقيت خطية تعمل بدون إشارة ساعة رقمية. بينما تستخدم مؤقتات المراقبة الإلكترونية الأخرى، ومؤقتات المراقبة البرمجية، عدادات رقمية كمؤقتات وتعتمد على إشارة ساعة لضمان عملها بشكل صحيح.

أجهزة المراقبة الإلكترونية

تُنفذ أجهزة مراقبة الوقت الإلكترونية عادةً إما كدائرة متكاملة مستقلة أو كجزء من دائرة متكاملة أكثر تعقيدًا. تحتوي بعض التطبيقات المستقلة على جهاز مراقبة الوقت فقط، بينما تجمع تطبيقات أخرى جهاز مراقبة الوقت مع وظائف أخرى (مثل أجهزة مراقبة جهد التغذية ) في دائرة متكاملة مشتركة.

تحتوي العديد من المتحكمات الدقيقة على وحدة مراقبة تتألف من مؤقت مراقبة رقمي وآليات للتحكم فيه ومراقبته. تتضمن هذه الوحدات عادةً سجلات تحكم وحالة ذات صلة، ودوائر لتحديد محفزات إعادة التشغيل ("النبضات")، ومنطق توجيه إشارة انتهاء المهلة. توفر بعض المتحكمات الدقيقة مؤقت مراقبة تناظري بدلاً من الرقمي. على سبيل المثال، يحتوي المتحكم الدقيق TMS470 من شركة Texas Instruments على مؤقت مراقبة تناظري يستخدم مكثفًا ومقاومًا خارجيين لبرمجة فاصل المراقبة. ^{[ 10 ]}

هيئات الرقابة الرقمية

في المتحكمات الدقيقة وغيرها من الدوائر المتكاملة الرقمية المعقدة، يتم عادةً إنشاء مؤقت مراقبة رقمي (WDT) عن طريق تركيبه من وصف مكتوب بلغة VHDL أو Verilog أو أي لغة أخرى لوصف الأجهزة . على سبيل المثال، يصف كود VHDL التالي مؤقت مراقبة بسيط:

الكيان watchdog_timer هو منفذ ( CLK : إدخال std_logic ; -- الساعة INIT : إدخال std_logic ; -- تهيئة مؤقت المراقبة KICK : إدخال std_logic ; -- إعادة تشغيل المؤقت INTERVAL : إدخال unsigned ( 31 downto 0 ); -- فاصل المؤقت بالساعات TIMEOUT : إخراج std_logic ; -- مؤشر انتهاء المهلة ); نهاية watchdog_timer ;بنية سلوك مؤقت المراقبة هي عملية ( CLK ) متغير elapsed : std_logic ; -- سجل مهلة متغير counter : unsigned ( 31 downto 0 ); -- الساعات المتبقية حتى انتهاء المهلة بداية إذا rising_edge ( CLK ) ثم -- عند حافة الساعة الصاعدة إذا INIT = '1' ثم -- إذا كان يتم تهيئة مؤقت المراقبة counter <= INTERVAL ; -- بدء المؤقت elapsed <= '0' ; -- إعادة ضبط مؤشر المهلة elsif counter = 0 ثم -- وإلا إذا انقضت فترة مؤقت المراقبة elapsed < = '1' ; -- الإشارة إلى انتهاء المهلة؛ تم إيقاف المؤقت elsif KICK = '1' ثم -- وإلا إذا تم تشغيل مؤقت المراقبة counter <= INTERVAL ; -- إعادة تشغيل المؤقت else -- وإلا counter <= counter - 1 ; -- تقدم المؤقت نهاية إذا ; نهاية إذا ; TIMEOUT <= elapsed ; -- إرسال خرج السجل إلى TIMEOUT نهاية العملية ; نهاية السلوك ;

أجهزة مراقبة تناظرية

تحتوي أجهزة مراقبة الوقت التناظرية على مدخل تشغيل ومخرج مهلة ، لكنها تفتقر إلى إشارة إدخال الساعة الموجودة في أجهزة مراقبة الوقت الإلكترونية الرقمية.

تختلف الدوائر والمكونات بشكل كبير بين أجهزة مراقبة الوقت التناظرية، ولكن بشكل عام، تعتمد هذه الأجهزة عادةً في وظائف التوقيت على معدلات شحن المكثف . على سبيل المثال، في دائرة مراقبة الوقت التناظرية الموضحة على اليمين، يقوم التيار الكهربائي i بشحن المكثف C تدريجيًا ، مما يؤدي إلى ارتفاع الجهد V_{_C} (بمعدل ثابت). في التشغيل العادي، تُطبَّق نبضات "دفع" دورية على مدخل الدفع. كل دفعة تُفرغ المكثف C ، وبالتالي تُعيد بدء ارتفاع الجهد. مع ذلك، إذا توقفت الدفعات أو تباعدت فتراتها الزمنية بشكل كبير، سيرتفع الجهد V_{_C} فوق جهد عتبة مُقارن الجهد V_{_TH}، ونتيجة لذلك، سيُفعِّل مُقارن الجهد إشارة انتهاء المهلة .

هيئات مراقبة البرمجيات

تُنفَّذ بعض مؤقتات مراقبة النظام البرمجية كوحدات برمجية قياسية. ومن أمثلتها "Softdog"، وهو برنامج تشغيل جهاز افتراضي يحاكي مؤقت مراقبة النظام الإلكتروني ويتوافق مع واجهة برمجة تطبيقات مراقبة النظام في لينكس ، ^{[ 11 ]} ومؤقت مراقبة النظام البرمجي من MathWorks ، وهو مؤقت قابل لإعادة التشغيل لمرة واحدة، ويمكن إنشاؤه بسحب تمثيله في واجهة المستخدم الرسومية إلى مخطط الكتلة. ^{[ 12 ]} أما مؤقتات مراقبة النظام البرمجية الأخرى، فتُصمَّم عادةً خصيصًا لتلبية متطلبات محددة.

يعتمد كل برنامج مراقبة مؤقتة (WDT) على مرجع زمني لتمكينه من تتبع مرور الوقت بدقة. وتتوفر آليات متنوعة لهذا الغرض. وبحسب نوع الحاسوب، ونظام التشغيل إن وُجد ، قد تشمل هذه الآليات مؤقتات الفترات القابلة للبرمجة، ومؤقتات النواة، وساعة النظام ، وكائنات التزامن (مثل الإشارات ) التي تدعم الانتظارات الموقوتة.

يمكن أن يتأثر تصميم مؤقت مراقبة النظام (WDT) البرمجي بعدة عوامل، منها طول فترة المراقبة، والمراجع الزمنية المتاحة لاستخدامه، وحمل وحدة المعالجة المركزية، وسرعة بدء تشغيله بعد استيفاء الشروط المطلوبة، وما إذا كان الحاسوب يعمل بنظام تشغيل، وفي هذه الحالة، ما إذا كان المؤقت مصممًا للعمل في وضع المستخدم أو وضع النواة. على سبيل المثال، في التطبيقات التي تعمل مباشرةً على النظام (البرامج التي تعمل بدون نظام تشغيل)، غالبًا ما تقتصر المراجع الزمنية على مؤقتات الفترات القابلة للبرمجة (PIT). في هذه الحالة، يمكن تنفيذ مؤقت المراقبة باستخدام مؤقت فترات قابل للبرمجة بطريقة مشابهة لمخطط التدفق الموضح أدناه:

في المثال أعلاه، إذا فشل برنامج التطبيق في إعادة تشغيل مؤقت المراقبة (عن طريق إعادة تشغيل PIT)، فسيصل PIT إلى نهاية فترة المراقبة ويُنشئ طلب مقاطعة (IRQ). عندئذٍ، سيتم تنفيذ روتين خدمة المقاطعة (ISR) المرتبط به واتخاذ الإجراءات التصحيحية عبر عمليات الإدخال/الإخراج المبرمجة، أو استدعاءات النظام، أو عمليات أخرى يتحكم بها البرنامج.

• مؤقت فقدان الأوامر
• الوضع الآمن (المركبة الفضائية)
• مؤقت الرجل الميت
• مؤقت التشغيل
• نبضات القلب (الحوسبة)
• الحفاظ على الحياة

• مؤقت مراقبة أردوينو مع إعادة ضبط - مقال بقلم أديتيا براتاب سينغ