Talán hallott már „kernel” vagy „felhasználói” módban futó alkalmazásokról. Minden azon múlik, hogyan működnek az operációs rendszerek, amikor elvégzik a munkájukat. Ha ezt megérted, könnyen megértheted a különbséget a felhasználói mód és a kernel mód között.

Az operációs rendszer működésének megértése^(Does)

A számítógép hardverből, elektronikus alkatrészekből és szoftverekből áll, a hardver által végrehajtott számítógépes kódból. De ami kevésbé egyértelmű, az az, hogy hogyan működnek együtt.

A számítógép legfontosabb eleme a bit vagy „bináris számjegy”. Minden^{(” Everything)} , amit egy számítógép csinál, egyesek és nullák formájában jelennek meg. A számítógép különböző^(Different) komponensei különböző módon reprezentálják a biteket. A CPU -ban a mikroszkopikus tranzisztorok egyeseket és nullákat képviselnek, akár be-, akár kikapcsolva. Ezek a tranzisztorok logikai struktúrákba vannak rendezve, ezeket logikai kapuknak nevezzük.

Az elektronikus számítógép memóriájában a biteket memóriacellák képviselik, amelyek töltése egy bizonyos küszöbérték felett vagy alatt van. A mechanikus merevlemezen a biteket egy forgó tányéron mért mágneses fluktuációként ábrázolják. Az optikai lemezeken a lézerfényt visszaverő vagy nem visszaverő gödrök és földek ugyanazt a munkát végzik. 

Nem számít, hogyan valósítják meg a bináris kód fizikai megjelenítését, végül lecsökkentheti az összes fogyasztói számítógép-összetevőt erre a nyers gépi kódra.

Tehát hogyan lehet eljutni a számítógép emberbarát felületétől a nyers, alacsony szintű folyamatokig magában a számítógépben? Itt jön be az operációs rendszer. Közvetlenül vezérli a számítógép hardverét. 

Ez a szoftver lefordítja mindazt, amit az alkalmazások (és így a felhasználó) akarnak gépi kód utasításokká, amelyeket a CPU és más komponensek megértenek. A legkritikusabb szoftver ebben a folyamatban a kernel.

Mi a Kernel?

A kernel, ahogy a neve is sugallja, az operációs rendszer magja. A kernel egy olyan szoftver, amely a RAM -ban található, és mindent irányít, amit a számítógép csinál. Amikor valamit a memóriába írunk, akkor a kernel irányítja a végrehajtást.

A kernel tudja, hogyan kell kapcsolódni olyan hardverekhez, mint a GPU^(GPUs) -k és a hálózati kártyák, de előfordulhat, hogy nem tudja, hogyan üzemeltetheti ezeket teljes potenciáljukban, a számítógépipar általános szabványaira támaszkodva.

A hardveres illesztőprogramok itt lépnek életbe. Az illesztőprogramok megmondják az operációs rendszernek, hogyan dolgozzon bizonyos összetevőkkel, ezért például különböző illesztőprogramokra van szüksége az Nvidia és az AMD GPU^{(AMD GPUs)} -khoz.

A megfelelő illesztőprogramokkal felszerelve a kernel a legfőbb tekintély a számítógépen belül, beleértve az adatokat katasztrofálisan tönkretevő dolgokat is.

Az alkalmazásprogramozási interfészek^{(Application Programming Interfaces)} ( API^(APIs) -k ) szerepe^(Role)

Az MS-DOS idejében a szoftverfejlesztőknek kifejezetten a felhasználó hardveréhez kellett megírniuk szoftvereiket. Ennek leghírhedtebb példája az MS-DOS rendszereken a hangkártya-illesztőprogramok voltak.

Egy adott videojátéknak támogatnia kell a legnépszerűbb kártyákat ( Sound Blaster , Ad-lib , Gravis Ultrasound stb.), és remélni kell, hogy a legtöbb játékos lefedett. Ma az API^(APIs) -knak köszönhetően a dolgok egészen másképp működnek .

A Microsoft DirectX^{(Microsoft DirectX)} jó példa erre. Ha mélyreható magyarázatot szeretne, nézze meg a Mi az a DirectX és miért fontos? ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}A legfontosabb tudnivaló azonban, hogy az API szabványos módot kínál a szoftverfejlesztők számára, hogy hardvererőforrásokat kérjenek olyan összetevőktől, mint a GPU . Ezen túlmenően a hardvergyártóknak csak arról kell gondoskodniuk, hogy termékeik megfeleljenek a DirectX követelményeinek, hogy biztosítsák a teljes kompatibilitást bármely hasonló módon kompatibilis szoftverrel.

Az API^(APIs) -k fordítási réteget kínálnak a szoftveralkalmazások és az alacsony szintű kernel között a hardver-illesztőprogramokkal. Igen, ez enyhe teljesítménybüntetéssel jár. Mégis, a modern számítógépeken ez elhanyagolható, és számos előnnyel jár, így végre elérkeztünk a felhasználói módhoz és a kernel módhoz.

Felhasználói mód vs. Kernel mód

A modern operációs rendszerek több száz vagy több ezer „folyamatot” futtatnak egyidejűleg, dinamikusan biztosítva számukra a CPU -időt a prioritásaik és a számítási teljesítményigényük alapján.

Amikor elindít egy alkalmazást, az folyamatokat generál, és a CPU végrehajthatja azokat felhasználói vagy kernel módban.

A felhasználói módban futó Windows -folyamatok csak a saját privát virtuális memória címteréhez és kezelőtáblájához férnek hozzá. A szoftver ezeket a táblázatokat használja az adatok RAM -ban való tárolására és az erőforrások lekérésére. Nincs közvetlen hozzáférés a memóriához vagy más hardverekhez, és az operációs rendszeren múlik, hogy ezeket a virtuális tereket a számítógép tényleges hardveréhez rendelje hozzá.

Ez több okból is jó, de a legfontosabb előny az, hogy az alkalmazás nem tud felülírni vagy módosítani a virtuális memória címterén kívüli adatokat. Ezenkívül bizonyos funkciók nem engedélyezettek a felhasználói módú folyamatokon, főleg azok, amelyek összeomolhatják a rendszert vagy megsemmisíthetik az adatokat.

Amikor egy folyamat elindul vagy kernel módba kerül, teljes hozzáféréssel rendelkezik a rendszererőforrásokhoz, még az operációs rendszer számára fenntartott erőforrásokhoz is. Tehát elméletileg felülírhatja az operációs rendszer megfelelő működéséhez szükséges kulcsfontosságú adatokat.

Csapdák és kivételek

Fontos megérteni, hogy ezt a két módot maga a CPU kényszeríti ki hardver szinten . Ha egy felhasználói módban futó alkalmazás olyan műveletet próbál végrehajtani, amelyhez kernel módú hozzáférés szükséges, akkor „csapdát” vagy „kivételt” generál. Az operációs rendszer ezután foglalkozik az alkalmazással, általában leállítja és összeomlási naplót generál, hogy a fejlesztők láthassák, mi történt a memóriában, amikor a dolgok elmentek.

A Kernel mód ^{(Kernel Mode)}veszélyei^(Dangers) : A halál kék ^{(Blue Screen)}képernyője^(Death)

Ha valaha is tapasztalt egy Blue Screen of Death -t (ki nem?), amely arra kényszerítette a számítógépét, hogy kikapcsoljon vagy újrainduljon, akkor jó eséllyel kernel módú folyamat volt a hibás.

Ha egy folyamat kernel módban olyasmit csinál, amit nem kellene, az operációs rendszer nem tud talpra állni, és az egész számítógép leáll. Amikor egy felhasználói módú folyamat tönkremegy, csak az alkalmazás összeomlik, a szoftver és az operációs rendszer többi része pedig probléma nélkül továbbléphet.

Ez az egyik olyan terület, ahol az API^(APIs) -k alapvető szerepet játszanak, mivel ez az API kernel módú jogosultságokat kér. A felhasználói módú alkalmazások lényegében olyan kéréseket delegálnak az API -ra, amelyek kernel módú jogosultságokat igényeltek volna .

Ez az oka annak, hogy a kernel mód általában csak az alacsony szintű rendszerfolyamatok számára engedélyezett, amelyeknek közvetlenül hozzá kell férniük a számítógép hardveréhez. Általában ezt a jogosultságot kiterjesztik egy folyamatra, mert nagyobb teljesítményt igényel, mint amennyit a felhasználói mód nyújtani tud. Egyes CPU -utasítások csak kernel módban működnek, tehát ha egy folyamatnak használnia kell ezeket a funkciókat, akkor azt emelni kell.

Ha problémái vannak a Blue Screen of Death alkalmazással, feltétlenül olvassa el a Blue Screen of Death hibaelhárítási útmutatóját a Windows 10 rendszerhez^{(Blue Screen of Death Troubleshooting Guide for Windows 10)} !

What Is User Mode vs Kernel Mode in Windows

You may have heard about applications rυnning in “kernel” or “user” mode. It’s all down to how operating systems work when they do their jobs. Once 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

• A Sötét mód engedélyezése a Windows 11 rendszerben

• A Windows 11 telepítése helyi fiókkal

• 6 módszer a Windows 11-ből való kijelentkezésre -

• A Windows 11 indítása csökkentett módban (8 mód) -

• 5 módszer új felhasználó létrehozására és hozzáadására a Windows 11 rendszerben -

• 7 módszer a Windows 11 számítógép zárolására -

• A Sötét mód bekapcsolása a Windows 11 rendszerben -

• A Windows Eszközök megnyitása a Windows 11 rendszerben

• Az Insider Channel váltása Windows 11 rendszeren

• Ikonok megjelenítése vagy elrejtése a Tálcasarok túlcsordulás területén a Windows 11 rendszerben

• Hogyan lehet blokkolni a Windows 11 telepítését a számítógépen

• A Windows 11 operációs rendszert támogató lapkakészletek és alaplapok

• A tálca méretének megváltoztatása Windows 11 rendszerben

• Isten mód a Windows 11 és a Windows 10 és a Windows 7 rendszerben -

• A Windows 11 telepítése a Hyper-V használatával a Windows rendszerben

• A Wi-Fi és az Ethernet adapter engedélyezése vagy letiltása Windows 11 rendszeren

• A Windows Insider Channel nem váltható át Windows 11 - Dev vagy Beta rendszeren

• A dinamikus frissítési gyakoriság (DRR) engedélyezése vagy letiltása a Windows 11 rendszerben

• Hogyan működik a dinamikus frissítési gyakoriság funkció a Windows 11 rendszerben

• A leggyakrabban használt alkalmazások megjelenítése vagy elrejtése a Start menüben Windows 11 rendszeren