Возможно, вы слышали о приложениях, работающих в «ядерном» или «пользовательском» режиме. Все зависит от того, как работают операционные системы, когда они выполняют свою работу. Как только вы это поймете, вам будет легко понять разницу между режимом пользователя и режимом ядра.

Понимание того, что делает^(Does) операционная система

Компьютер состоит из аппаратного обеспечения, электронных компонентов и программного обеспечения, компьютерного кода, исполняемого этим аппаратным обеспечением. Но что может быть менее ясно, так это то, как они работают вместе.

Наиболее важным элементом компьютера является бит или «двоичная цифра». Все^{(” Everything)} , что делает компьютер, представлено единицами и нулями. Различные^(Different) компьютерные компоненты представляют биты по-разному. В ЦП^(CPU) микроскопические транзисторы представляют единицы и нули, будучи включенными или выключенными. Эти транзисторы организованы в логические структуры, называемые логическими вентилями.

В электронной компьютерной памяти биты представлены ячейками памяти, имеющими заряд выше или ниже определенного порога. На механическом жестком диске биты представлены магнитными колебаниями, измеряемыми на вращающейся пластине. На оптических дисках ямки и поля, которые отражают или не отражают лазерный свет, выполняют ту же функцию. 

Независимо от того, как достигается физическое представление двоичного кода, в конечном итоге вы можете сократить все потребительские компьютерные компоненты до этого необработанного машинного кода.

Так как же перейти от удобного для человека интерфейса компьютера к необработанным низкоуровневым процессам в самом компьютере? Вот где в дело вступает операционная система. Она напрямую управляет аппаратным обеспечением компьютера. 

Это программное обеспечение переводит все, что требуется приложениям (и, следовательно, пользователю), в инструкции машинного кода, понятные ЦП^(CPU) и другим компонентам. Наиболее важной частью программного обеспечения в этом процессе является ядро.

Что такое ядро?

Ядро, как следует из названия, является ядром операционной системы. Ядро — это программное обеспечение, которое находится в оперативной памяти^(RAM) и управляет всем, что делает компьютер. Когда что-то записывается в память, ядро ​​управляет выполнением.

Ядро знает, как взаимодействовать с оборудованием, таким как графические процессоры^(GPUs) и сетевые карты, но оно может не знать, как использовать их в полной мере, полагаясь на общие стандарты в компьютерной индустрии.

Здесь в игру вступают аппаратные драйверы. Драйверы сообщают вашей операционной системе, как работать с определенными компонентами, поэтому вам нужны, например, разные драйверы для графических процессоров Nvidia и AMD^{(AMD GPUs)} .

Оснащенное правильными драйверами, ядро ​​является высшим органом управления компьютером, включая действия, которые могут привести к катастрофическому уничтожению данных.

Роль интерфейсов ^(Role)прикладного^{(Application Programming Interfaces)} программирования ( API^(APIs) )

Во времена MS-DOS разработчикам программного обеспечения приходилось писать свое программное обеспечение специально для аппаратного обеспечения пользователя. Самым известным примером этого в системах MS-DOS были драйверы звуковых карт.

Данная видеоигра должна поддерживать самые популярные карты ( Sound Blaster , Ad-lib , Gravis Ultrasound и т. д .) и надеяться, что большинство игроков будут охвачены. Сегодня все работает совсем по-другому благодаря API^(APIs) .

Microsoft DirectX — отличный пример. Если вам нужно подробное объяснение, ознакомьтесь с разделом Что такое DirectX и почему это важно? ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}Однако самое важное, что нужно знать, это то, что API предлагает стандартный способ для разработчиков программного обеспечения запрашивать аппаратные ресурсы у таких компонентов, как GPU . Кроме того, производители оборудования должны гарантировать, что их продукты соответствуют DirectX , чтобы обеспечить полную совместимость с любым аналогичным программным обеспечением.

API^(APIs) -интерфейсы предлагают уровень перевода между программными приложениями и низкоуровневым ядром с его аппаратными драйверами. Да, это связано с небольшим снижением производительности. Тем не менее, на современных компьютерах это незначительно, и это дает множество преимуществ, и именно здесь мы, наконец, подошли к пользовательскому режиму и режиму ядра.

Пользовательский режим против режима ядра

Современные операционные системы запускают сотни или тысячи «процессов» одновременно, динамически выделяя им процессорное^(CPU) время по мере необходимости в зависимости от их приоритетов и требований к вычислительной мощности.

Когда вы запускаете приложение, оно генерирует процессы, и ЦП^(CPU) может выполнять их либо в пользовательском режиме, либо в режиме ядра.

Процесс Windows , работающий в пользовательском режиме, имеет доступ только к собственному частному адресному пространству виртуальной памяти и таблице дескрипторов. Программное обеспечение использует эти таблицы для хранения данных в оперативной памяти^(RAM) и запроса ресурсов. Нет прямого доступа к памяти или другому оборудованию, и операционная система должна сопоставить эти виртуальные пространства с реальным оборудованием компьютера.

Это хорошо по многим причинам, но наиболее важным преимуществом является то, что приложение не может перезаписывать или изменять данные за пределами своего адресного пространства виртуальной памяти. Кроме того, некоторые функции недоступны для процессов пользовательского режима, в основном те, которые могут привести к сбою системы или уничтожению данных.

Когда процесс запускается или переходит в режим ядра, он получает полный доступ к системным ресурсам, даже к тем, которые зарезервированы для операционной системы. Таким образом, теоретически он может перезаписать важные данные, необходимые для правильной работы операционной системы.

Ловушки и исключения

Важно понимать, что эти два режима реализуются на аппаратном уровне самим ЦП^(CPU) . Если приложение, работающее в пользовательском режиме, пытается сделать что-то, требующее доступа из режима ядра, оно генерирует «ловушку» или «исключение». Затем операционная система будет работать с приложением, обычно закрывая его и создавая журнал сбоев, чтобы разработчики могли увидеть, что произошло в памяти, когда что-то пошло не так.

Опасности режима ядра^{(Kernel Mode)} : синий ^{(Blue Screen)}экран^(Death) смерти _^(Dangers)

Если вы когда-либо сталкивались с « синим экраном^{(Blue Screen)} смерти » (кто не сталкивался^(Death) ?), который заставлял ваш компьютер выключаться или перезагружаться, есть большая вероятность, что виноват процесс режима ядра.

Когда процесс в режиме ядра делает что-то, чего он не должен делать, операционная система не может восстановиться после этого, и весь компьютер останавливается. Когда процесс пользовательского режима выходит из строя, происходит сбой только приложения, а остальное программное обеспечение и операционная система могут работать без каких-либо проблем.

Это одна из областей, где API^(APIs) играют важную роль, поскольку API запрашивает привилегии режима ядра. Приложения пользовательского режима, по сути, делегируют API^(API) запросы, для которых требуются привилегии режима ядра .

Вот почему режим ядра обычно предоставляется только низкоуровневым системным процессам, которым требуется прямой доступ к оборудованию компьютера. Обычно эта привилегия распространяется на процесс, потому что ему требуется большая производительность, чем может обеспечить пользовательский режим. Некоторые инструкции ЦП^(CPU) работают только в режиме ядра, поэтому, если процессу необходимо использовать эти функции, его необходимо повысить.

Если у вас возникли проблемы с « Синим экраном^{(Blue Screen)} смерти », обязательно прочитайте наше Руководство по устранению неполадок «Синего экрана смерти» для Windows ^{(Blue Screen of Death Troubleshooting Guide for Windows 10)}10^(Death) !

What Is User Mode vs Kernel Mode in Windows

You may have hеard about applications running in “kernel” or “usеr” mоde. Іt’s all down to how operating systemѕ work when they do their jobs. Once you understand that, it’s easy to grasp thе difference bеtween user mоde 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

• Как включить Dark Mode в Windows 11

• Как установить Windows 11 с локальной учетной записью

• 6 способов выйти из Windows 11

• Как запустить Windows 11 в Safe Mode (8 способов)

• 5 способов создавать и добавить нового пользователя в Windows 11

• 5 способов войти в Windows 11 -

• Как спрятать Badges на Taskbar Icons в Windows 11

• Как включить режим гибернации в Windows 11

• Как включить или отключить контроль учетных записей пользователей в Windows 11

• Какой Edition Windows 11 вы будете обновлены?

• Show or Hide Icons в Taskbar Corner Overflow area на Windows 11

• Checkit Tool скажет вам, почему ваш компьютер не поддерживает Windows 11

• Как заблокировать Windows 11 от установки на вашем компьютере

• Этот компьютер не может запустить Windows 11 - исправить его!

• Как изменить Theme в Microsoft Teams на Windows 11

• Как переключить Insider Channel на Windows 11

• Как изменить Administrator на Windows 11: 5 способов

• Как включить Dark Mode в Windows 11

• Как установить Windows 11 с помощью Hyper-V в Windows

• 7 способов заблокировать ПК Windows 11