Być może słyszałeś o aplikacjach działających w trybie „jądra” lub „użytkownika”. Wszystko zależy od tego, jak działają systemy operacyjne, gdy wykonują swoją pracę. Kiedy już to zrozumiesz, łatwo zrozumiesz różnicę między trybem użytkownika a trybem jądra.

Zrozumienie działania systemu operacyjnego^(Does)

Komputer składa się ze sprzętu, elementów elektronicznych i oprogramowania, kodu komputerowego wykonywanego przez ten sprzęt. Mniej jasne może być jednak to, jak ze sobą współpracują.

Najistotniejszym elementem komputera jest bit lub „cyfra binarna”. „Wszystko^{(” Everything)} , co robi komputer, jest przedstawiane jako jedynki i zera. Różne^(Different) komponenty komputera reprezentują bity na różne sposoby. W procesorze^(CPU) mikroskopijne tranzystory reprezentują jedynki i zera, gdy są włączone lub wyłączone. Tranzystory te są ułożone w struktury logiczne, zwane bramkami logicznymi.

W elektronicznej pamięci komputera bity są reprezentowane przez komórki pamięci mające ładunek powyżej lub poniżej pewnego progu. Na mechanicznym dysku twardym bity są przedstawiane jako fluktuacje magnetyczne mierzone na wirującym talerzu. Na dyskach optycznych wgłębienia i obszary, które odbijają lub nie odbijają światła laserowego, wykonują tę samą pracę. 

Bez względu na to, w jaki sposób zostanie osiągnięta fizyczna reprezentacja kodu binarnego, można ostatecznie zredukować wszystkie komponenty komputerów konsumenckich do tego surowego kodu maszynowego.

Jak więc przejść od przyjaznego dla człowieka interfejsu komputera do surowych, niskopoziomowych procesów w samym komputerze? Tu właśnie pojawia się system operacyjny. Bezpośrednio kontroluje sprzęt komputera. 

To oprogramowanie tłumaczy wszystko, czego chcą aplikacje (a tym samym użytkownik), na instrukcje kodu maszynowego, które rozumieją procesor^(CPU) i inne komponenty. Najważniejszym elementem oprogramowania w tym procesie jest jądro.

Co to jest jądro?

Jądro jest, jak sama nazwa wskazuje, rdzeniem systemu operacyjnego. Jądro to oprogramowanie, które znajduje się w pamięci RAM^(RAM) i kieruje wszystkim, co robi komputer. Kiedy coś jest zapisywane w pamięci, to jądro kieruje wykonaniem.

Jądro wie, jak łączyć się ze sprzętem, takim jak procesory graficzne^(GPUs) i karty sieciowe, ale może nie wiedzieć, jak wykorzystać ich pełny potencjał, opierając się na ogólnych standardach w branży komputerowej.

Tutaj wchodzą w grę sterowniki sprzętowe. Sterowniki informują system operacyjny, jak pracować z określonymi komponentami, dlatego potrzebujesz różnych sterowników na przykład dla procesorów graficznych Nvidia i AMD^{(AMD GPUs)} .

Wyposażone w odpowiednie sterowniki jądro jest najwyższym autorytetem w komputerze, włączając w to robienie rzeczy, które mogą katastrofalnie zniszczyć dane.

Rola interfejsów^(Role) programowania aplikacji^{(Application Programming Interfaces)} ( API^(APIs) )

W czasach MS-DOS twórcy oprogramowania musieli pisać swoje oprogramowanie specjalnie dla sprzętu użytkownika. Najbardziej znanym tego przykładem w systemach MS-DOS^(MS-DOS) były sterowniki kart dźwiękowych.

Dana gra wideo musiałaby obsługiwać najpopularniejsze karty ( Sound Blaster , Ad-lib , Gravis Ultrasound itp.) i mieć nadzieję, że większość graczy zostałaby objęta. Dziś wszystko działa zupełnie inaczej, dzięki API^(APIs) .

Świetnym przykładem jest Microsoft DirectX^{(Microsoft DirectX)} . Jeśli chcesz uzyskać szczegółowe wyjaśnienie, sprawdź Co to jest DirectX i dlaczego jest to ważne? ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}Jednak najważniejszą rzeczą, o której należy wiedzieć, jest to, że interfejs API^(API) oferuje programistom standardowy sposób żądania zasobów sprzętowych z komponentów takich jak GPU . Ponadto producenci sprzętu muszą jedynie zapewnić, że ich produkty są zgodne z DirectX , aby zapewnić pełną kompatybilność z każdym podobnie zgodnym oprogramowaniem.

Interfejsy API^(APIs) oferują warstwę translacji między aplikacjami programowymi a jądrem niskiego poziomu wraz ze sterownikami sprzętowymi. Tak, wiąże się to z niewielką utratą wydajności. Jednak na nowoczesnych komputerach jest to znikome i ma wiele zalet, w którym w końcu dochodzimy do trybu użytkownika i trybu jądra.

Tryb użytkownika a tryb jądra

Nowoczesne systemy operacyjne obsługują jednocześnie setki lub tysiące „procesów”, dynamicznie dając im czas procesora^(CPU) zgodnie z potrzebami w oparciu o ich priorytety i wymagania dotyczące mocy obliczeniowej.

Po uruchomieniu aplikacja generuje procesy, a procesor^(CPU) może je wykonywać w trybie użytkownika lub w trybie jądra.

Proces Windows działający w trybie użytkownika ma dostęp tylko do własnej prywatnej przestrzeni adresowej pamięci wirtualnej i tablicy uchwytów. Oprogramowanie wykorzystuje te tabele do przechowywania danych w pamięci RAM^(RAM) i żądania zasobów. Nie ma bezpośredniego dostępu do pamięci ani innego sprzętu, a od systemu operacyjnego zależy mapowanie tych wirtualnych przestrzeni na rzeczywisty sprzęt komputera.

Jest to dobre z wielu powodów, ale najważniejszą korzyścią jest to, że aplikacja nie może nadpisywać ani zmieniać danych poza przestrzenią adresową pamięci wirtualnej. Ponadto niektóre funkcje są niedostępne dla procesów trybu użytkownika, głównie te, które mogą spowodować awarię systemu lub zniszczyć dane.

Gdy proces zostaje uruchomiony lub przechodzi w tryb jądra, ma pełny dostęp do zasobów systemowych, nawet tych zarezerwowanych dla systemu operacyjnego. Tak więc teoretycznie może nadpisać kluczowe dane, których system operacyjny potrzebuje do prawidłowego działania.

Pułapki i wyjątki

Ważne jest, aby zrozumieć, że te dwa tryby są wymuszane na poziomie sprzętowym przez sam procesor^(CPU) . Jeśli aplikacja działająca w trybie użytkownika próbuje zrobić coś, co wymaga dostępu w trybie jądra, generuje „pułapkę” lub „wyjątek”. System operacyjny zajmie się wtedy aplikacją, zwykle zamykając ją i generując dziennik awarii, aby programiści mogli zobaczyć, co wydarzyło się w pamięci, gdy coś poszło z torów.

Niebezpieczeństwa ^(Dangers)trybu^{(Kernel Mode)} jądra : niebieski ^(Death)ekran^{(Blue Screen)} śmierci _

Jeśli kiedykolwiek doświadczyłeś niebieskiego ekranu^{(Blue Screen)} śmierci (^(Death) kto nie?), który zmusił komputer do wyłączenia lub ponownego uruchomienia, istnieje duża szansa, że ​​winę ponosi proces trybu jądra.

Gdy proces w trybie jądra robi coś, czego nie powinien, system operacyjny nie może go odzyskać, a cały komputer zatrzymuje się. Kiedy proces w trybie użytkownika wariuje, tylko aplikacja ulega awarii, a reszta oprogramowania i systemu operacyjnego mogą działać bez żadnych problemów.

Jest to jeden obszar, w którym API^(APIs) odgrywają zasadniczą rolę, ponieważ jest to API proszące o uprawnienia trybu jądra. Aplikacje trybu użytkownika zasadniczo delegują żądania, które wymagałyby uprawnień trybu jądra do interfejsu API^(API) .

Dlatego tryb jądra jest zwykle przyznawany tylko procesom systemowym niskiego poziomu, które potrzebują bezpośredniego dostępu do sprzętu komputera. Zwykle to uprawnienie jest rozszerzane na proces, ponieważ wymaga on większej wydajności, niż może zapewnić tryb użytkownika. Niektóre instrukcje procesora^(CPU) działają tylko w trybie jądra, więc jeśli proces musi korzystać z tych funkcji, musi zostać podwyższony.

Jeśli masz problemy z niebieskim ekranem^{(Blue Screen)} śmierci , koniecznie przeczytaj nasz Przewodnik rozwiązywania problemów z niebieskim ekranem śmierci dla systemu Windows ^{(Blue Screen of Death Troubleshooting Guide for Windows 10)}10^(Death) !

What Is User Mode vs Kernel Mode in Windows

You may havе heard about applications running in “kernel” or “user” mode. It’s all down to how operating systems work when they do theіr jobs. Оnce you understand that, it’s easy to grasp the difference between user mode and kernel mode.

Understanding What an Operating System Does

A computer consists of hardware, the electronic components, and software, the computer code executed by that hardware. But what may be less clear is how they work together.

A computer’s most essential element is the bit or “binary digit.” Everything a computer does is represented as ones and zeroes. Different computer components represent bits in different ways. In a CPU, microscopic transistors represent ones and zeroes by either being on or off. Those transistors are arranged into logical structures, called logic gates.

In electronic computer memory, bits are represented by memory cells either having a charge above or below a certain threshold. On a mechanical hard drive, bits are represented as magnetic fluctuations measured on a spinning platter. On optical discs, pits and lands that do or do not reflect laser light do the same job. 

No matter how the physical representation of binary code is achieved, you can eventually reduce down all consumer computer components to this raw machine code.

So how do you go from the human-friendly interface of a computer to the raw, low-level processes in the computer itself? That’s where the operating system comes in. It directly controls the hardware of the computer. 

This software translates everything applications (and therefore the user) want into the machine code instructions that the CPU and other components understand. The most critical piece of software in this process is the kernel.

What Is the Kernel?

The kernel is, as the name suggests, the core of the operating system. The kernel is software that resides in RAM and directs everything the computer does. When something is written into memory, it’s the kernel that directs the execution.

The kernel knows how to interface with hardware such as GPUs and network cards, but it may not know how to operate them to their full potential, relying on generic standards in the computer industry.

The hardware drivers come into play here. Drivers tell your operating system how to work with specific components, which is why you need different drivers for Nvidia and AMD GPUs, for example.

Equipped with the right drivers, the kernel is the ultimate authority within the computer, including doing things that can catastrophically destroy data.

The Role of Application Programming Interfaces (APIs)

In the days of MS-DOS, software developers had to write their software specifically for the user’s hardware. The most notorious example of this on MS-DOS systems were sound card drivers.

A given video game would have to support the most popular cards (Sound Blaster, Ad-lib, Gravis Ultrasound, etc.) and hope that most players were covered. Today, things work very differently, thanks to APIs.

Microsoft DirectX is a great example. If you want an in-depth explanation, check out What Is DirectX and Why Is It Important? However, the most important thing to know is that the API offers a standard way for software developers to ask for hardware resources from components like the GPU. Additionally, hardware makers must only ensure that their products comply with DirectX to ensure full compatibility with any likewise compliant software.

APIs offer a layer of translation between software applications and the low-level kernel with its hardware drivers. Yes, this comes with a slight performance penalty. Still, on modern computers, this is negligible, and it comes with a variety of advantages, which is where we finally come to user mode and kernel mode.

User Mode vs. Kernel Mode

Modern operating systems run hundreds or thousands of “processes” simultaneously, dynamically giving them CPU time as needed based on their priorities and computation power requirements.

When you launch an application, it generates processes, and the CPU can execute them in either user mode or kernel mode.

A Windows process running in user mode only has access to its own private virtual memory address space and handle table. The software uses these tables to store data in RAM and request resources. There’s no direct access to memory or other hardware, and it’s up to the operating system to map those virtual spaces to the actual hardware of the computer.

This is good for many reasons, but the most crucial benefit is that the application can’t overwrite or alter data outside its virtual memory address space. In addition, certain functions are off-limits to user-mode processes, mainly ones that could crash the system or destroy data.

When a process launches or is elevated to kernel mode, it has full access to system resources, even those reserved for the operating system. So, in theory, it could overwrite crucial data that the operating system needs to run properly.

Traps and Exceptions

It’s important to understand that these two modes are enforced at the hardware level by the CPU itself. If an application running in user mode tries to do something that requires kernel-mode access, it generates a “trap” or “exception.” The operating system will then deal with the application, usually by shutting it down and generating a crash log so that the developers can see what happened in memory when things went off the rails.

The Dangers of Kernel Mode: The Blue Screen of Death

If you’ve ever experienced a Blue Screen of Death (who hasn’t?) that forced your computer to switch off or restart, there’s a good chance it was a kernel-mode process to blame.

When a process in kernel mode does something it’s not supposed to, the operating system can’t recover from it, and the entire computer halts. When a user-mode process goes haywire, only the application crashes, and the rest of the software and the operating system can go on without any issues.

This is one area where APIs play an essential role since it’s the API asking for kernel-mode privileges. User-mode applications essentially delegate requests that would have required kernel-mode privileges to the API.

This is why kernel-mode is usually only granted to low-level system processes that need to access the computer’s hardware directly. Usually, this privilege is extended to a process because it needs more performance than user mode can provide. Some CPU instructions only work in kernel mode, so if a process needs to use those functions, it has to be elevated.

If you’re having trouble with the Blue Screen of Death, be sure to read our Blue Screen of Death Troubleshooting Guide for Windows 10!

Related posts

• Jak włączyć tryb ciemny w systemie Windows 11?

• Jak zainstalować system Windows 11 za pomocą konta lokalnego?

• 6 sposobów na wylogowanie się z systemu Windows 11 —

• Jak uruchomić system Windows 11 w trybie awaryjnym (8 sposobów) —

• 5 sposobów tworzenia i dodawania nowego użytkownika w systemie Windows 11 -

• Jak stawić czoła odblokowaniu systemu Windows 11 za pomocą funkcji Windows Hello —

• Jak zmienić rozmiar paska zadań w systemie Windows 11?

• Windows 11 dla firm i przedsiębiorstw — nowe funkcje

• Jak przełączyć się na lokalne konto Windows 11 z konta Microsoft?

• Nie można przełączyć kanału Windows Insider w systemie Windows 11 — wersja deweloperska lub beta

• Jak ukryć odznaki na ikonach paska zadań w systemie Windows 11?

• Jak zmienić motyw w Microsoft Teams na Windows 11?

• Jak dostosować jasność kamery internetowej w systemie Windows 11?

• Jak zainstalować podsystem Windows dla systemu Linux w systemie Windows 11?

• Na tym komputerze nie można uruchomić systemu Windows 11 — napraw to!

• 7 sposobów na zablokowanie komputera z systemem Windows 11 —

• Checkit Tool powie Ci, dlaczego Twój komputer nie obsługuje systemu Windows 11

• Jak ustawić inną tapetę na różnych komputerach stacjonarnych w systemie Windows 11?

• Kliknij tutaj, aby wprowadzić swój najnowszy komunikat o poświadczeniach w systemie Windows 11

• Jak przełączyć kanał Insider w systemie Windows 11?