Може да сте чували за приложения, работещи в режим „ядро“ или „потребител“. Всичко се свежда до това как работят операционните системи, когато вършат работата си. След като разберете това, е лесно да разберете разликата между потребителския режим и режима на ядрото.

Разбиране какво прави^(Does) операционната система

Компютърът се състои от хардуер, електронни компоненти и софтуер, компютърният код, изпълняван от този хардуер. Но това, което може да е по-малко ясно, е как работят заедно.

Най-важният елемент на компютъра е битът или „двоична цифра. ” Всичко^{(” Everything)} , което прави компютърът, се представя като единици и нули. Различните^(Different) компютърни компоненти представляват битове по различни начини. В CPU микроскопичните транзистори представляват единици и нули, като са включени или изключени. Тези транзистори са подредени в логически структури, наречени логически порти.

В паметта на електронния компютър битовете са представени от клетки на паметта, които имат заряд над или под определен праг. На механичен твърд диск битовете са представени като магнитни флуктуации, измерени върху въртяща се плоча. На оптичните дискове ями и земя, които отразяват или не отразяват лазерната светлина, вършат същата работа. 

Без значение как се постига физическото представяне на двоичния код, в крайна сметка можете да намалите всички потребителски компютърни компоненти до този суров машинен код.

И така, как да преминете от удобния за човека интерфейс на компютъра към необработените процеси на ниско ниво в самия компютър? Тук идва операционната система. Тя директно контролира хардуера на компютъра. 

Този софтуер превежда всичко, което приложенията (и следователно потребителят) искат в инструкциите на машинния код, които процесорът^(CPU) и другите компоненти разбират. Най-критичната част от софтуера в този процес е ядрото.

Какво е ядрото?

Както подсказва името, ядрото е ядрото на операционната система. Ядрото е софтуер, който се намира в RAM и насочва всичко, което компютърът прави. Когато нещо е записано в паметта, ядрото е това, което насочва изпълнението.

Ядрото знае как да взаимодейства с хардуер като графични процесори^(GPUs) и мрежови карти, но може да не знае как да ги управлява до пълния им потенциал, разчитайки на общи стандарти в компютърната индустрия.

Хардуерните драйвери влизат в игра тук. Драйверите казват на вашата операционна система как да работи с конкретни компоненти, поради което имате нужда от различни драйвери за Nvidia и AMD GPU^{(AMD GPUs)} , например.

Снабдено с правилните драйвери, ядрото е върховният орган в компютъра, включително да прави неща, които могат катастрофално да унищожат данни.

Ролята на интерфейсите за програмиране ^{(Application Programming Interfaces)}на^(Role) приложения ( API^(APIs) )

В дните на MS-DOS разработчиците на софтуер трябваше да напишат своя софтуер специално за хардуера на потребителя. Най-известният пример за това в системите MS-DOS са драйверите на звуковата карта.

Дадена видео игра трябва да поддържа най-популярните карти ( Sound Blaster , Ad-lib , Gravis Ultrasound и др.) и се надява, че повечето играчи са обхванати. Днес нещата работят много различно, благодарение на API^(APIs) .

Microsoft DirectX е чудесен пример. Ако искате задълбочено обяснение, вижте Какво е DirectX и защо е важно? ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}Въпреки това, най-важното нещо, което трябва да знаете, е, че API предлага стандартен начин за разработчиците на софтуер да искат хардуерни ресурси от компоненти като графичния процесор^(GPU) . Освен това производителите на хардуер трябва само да гарантират, че техните продукти отговарят на DirectX , за да осигурят пълна съвместимост с всеки съвместим със същия софтуер.

Приложните програмни интерфейси (API)^(APIs) предлагат слой за превод между софтуерни приложения и ядрото на ниско ниво с неговите хардуерни драйвери. Да, това идва с леко намаление на производителността. Все пак на съвременните компютри това е незначително и идва с различни предимства, което е мястото, където най-накрая стигаме до потребителския режим и режима на ядрото.

Потребителски режим срещу режим на ядрото

Съвременните операционни системи изпълняват стотици или хиляди „процеси“ едновременно, като им предоставят динамично процесорно^(CPU) време според нуждите въз основа на техните приоритети и изисквания за изчислителна мощност.

Когато стартирате приложение, то генерира процеси и процесорът^(CPU) може да ги изпълнява или в потребителски режим, или в режим на ядрото.

Процес на Windows , работещ в потребителски режим, има достъп само до собственото си частно адресно пространство на виртуална памет и таблица с манипулации. Софтуерът използва тези таблици, за да съхранява данни в RAM и да изисква ресурси. Няма директен достъп до паметта или друг хардуер и зависи от операционната система да съпостави тези виртуални пространства с действителния хардуер на компютъра.

Това е добре по много причини, но най-важното предимство е, че приложението не може да презаписва или променя данни извън своето адресно пространство на виртуална памет. В допълнение, някои функции са забранени за процеси в потребителски режим, главно такива, които могат да сринат системата или да унищожат данни.

Когато даден процес стартира или е повишен в режим на ядрото, той има пълен достъп до системните ресурси, дори тези, запазени за операционната система. Така че на теория може да презапише важни данни, които операционната система трябва да работи правилно.

Капани и изключения

Важно е да се разбере, че тези два режима се налагат на хардуерно ниво от самия процесор^(CPU) . Ако приложение, работещо в потребителски режим, се опита да направи нещо, което изисква достъп в режим на ядрото, то генерира „капан“ или „изключение“. След това операционната система ще се справи с приложението, обикновено като го изключи и генерира регистрационен файл за сривове, така че разработчиците да могат да видят какво се е случило в паметта, когато нещата са тръгнали извън релси.

Опасностите^(Dangers) от режима на ядрото :^{(Kernel Mode)} Синият екран^{(Blue Screen)} на смъртта^(Death)

Ако някога сте изпитвали Син екран^{(Blue Screen)} на смъртта^(Death) (кой не е?), който е принудил компютъра ви да се изключи или рестартира, има голяма вероятност да е виновен процес в режим на ядрото.

Когато процес в режим на ядрото направи нещо, което не трябва да прави, операционната система не може да се възстанови от него и целият компютър спира. Когато процесът в потребителски режим се обърка, само приложението се срива, а останалата част от софтуера и операционната система могат да продължат без никакви проблеми.

Това е една област, в която API^(APIs) играят съществена роля, тъй като API иска привилегии за режим на ядрото. Приложенията в потребителски режим по същество делегират заявки, които биха изисквали привилегии в режим на ядрото, към API .

Ето защо режимът на ядрото обикновено се предоставя само на системни процеси от ниско ниво, които трябва да имат директен достъп до хардуера на компютъра. Обикновено тази привилегия се разширява до процес, защото се нуждае от повече производителност, отколкото потребителският режим може да осигури. Някои CPU инструкции работят само в режим на ядрото, така че ако даден процес трябва да използва тези функции, той трябва да бъде повишен.

Ако имате проблеми със синия екран^{(Blue Screen)} на смъртта^(Death) , не забравяйте да прочетете нашето Ръководство за отстраняване на проблеми със синия екран на смъртта за Windows 10^{(Blue Screen of Death Troubleshooting Guide for Windows 10)} !

What Is User Mode vs Kernel Mode in Windows

You may have hеard about applications running in “kernel” or “υser” mode. It’s all down to how operating systems work when they dо their jobs. Once yoυ understand that, it’s easy to grasp the difference bеtween 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

• Как да активирате тъмен режим в Windows 11

• Как да инсталирате Windows 11 с локален акаунт

• 6 начина да излезете от Windows 11 -

• Как да стартирате Windows 11 в безопасен режим (8 начина) -

• 5 начина да създадете и добавите нов потребител в Windows 11 -

• Този компютър не може да работи с Windows 11 - Поправете го!

• До кое издание на Windows 11 ще бъдете надстроени?

• Как да регулирате яркостта на уеб камерата в Windows 11

• 7 начина за превключване на потребителя в Windows 11 -

• Windows 11 за бизнеса и предприятията – нови функции

• Как да промените размера на лентата на задачите в Windows 11

• Как да излезете от имейл акаунт в приложението Mail в Windows 11

• Как да включите тъмен режим в Windows 11 -

• Чипсети и дънни платки, които поддържат операционна система Windows 11

• Как да активирате режима на Бог в Windows 11

• Как да отворите Windows Tools в Windows 11

• Как да инсталирате подсистема на Windows за Linux на Windows 11

• Как да скриете значки на иконите на лентата на задачите в Windows 11

• 5 начина да влезете в Windows 11 -

• Как да блокирате инсталирането на Windows 11 на вашия компютър