Olet ehkä kuullut sovelluksista, jotka toimivat "ytimen" tai "käyttäjän" tilassa. Kaikki riippuu siitä, kuinka käyttöjärjestelmät toimivat tehdessään työtään. Kun ymmärrät sen, on helppo ymmärtää ero käyttäjätilan ja ydintilan välillä.

Käyttöjärjestelmän toiminnan ymmärtäminen^(Does)

Tietokone koostuu laitteistosta, elektronisista komponenteista ja ohjelmistoista, tämän laitteiston suorittamasta tietokonekoodista. Mutta mikä voi olla vähemmän selvää, on se, kuinka he toimivat yhdessä.

Tietokoneen oleellisin elementti on bitti tai "binäärinumero". ”Kaikki^{(” Everything)} , mitä tietokone tekee, esitetään ykkösinä ja nolliksina. Tietokoneen eri^(Different) komponentit edustavat bittejä eri tavoin. CPU : ssa mikroskooppiset transistorit edustavat ykkösiä ja nollia joko päällä tai pois päältä. Nämä transistorit on järjestetty loogisiksi rakenteiksi, joita kutsutaan logiikkaporteiksi.

Elektronisessa tietokoneen muistissa bittejä edustavat muistisolut, joiden varaus on joko tietyn kynnyksen ylä- tai alapuolella. Mekaanisella kiintolevyllä bitit esitetään magneettisina vaihteluina, jotka mitataan pyörivällä lautasella. Optisilla levyillä kuopat ja maat, jotka heijastavat tai eivät heijasta laservaloa, tekevät saman työn. 

Riippumatta siitä, kuinka binäärikoodin fyysinen esitys saavutetaan, voit lopulta vähentää kaikki kuluttajatietokoneen komponentit tähän raakakonekoodiin.

Joten miten siirryt tietokoneen ihmisystävällisestä käyttöliittymästä itse tietokoneen raaka-aineisiin, matalan tason prosesseihin? Siellä käyttöjärjestelmä tulee mukaan. Se ohjaa suoraan tietokoneen laitteistoa. 

Tämä ohjelmisto kääntää kaikki sovellukset (ja siten käyttäjä) haluavat konekoodin käskyiksi, jotka CPU ja muut komponentit ymmärtävät. Tämän prosessin kriittisin ohjelmisto on ydin.

Mikä on ydin?

Ydin on, kuten nimestä voi päätellä, käyttöjärjestelmän ydin. Ydin on ohjelmisto, joka sijaitsee RAM -muistissa ja ohjaa kaikkea mitä tietokone tekee. Kun jotain kirjoitetaan muistiin, ydin ohjaa suoritusta.

Ydin osaa liittää laitteistot, kuten grafiikkasuorittimet^(GPUs) ja verkkokortit, mutta se ei välttämättä osaa käyttää niitä täysimääräisesti, koska se luottaa tietokoneteollisuuden yleisiin standardeihin.

Laitteisto-ohjaimet tulevat esiin tässä. Ajurit kertovat käyttöjärjestelmällesi kuinka toimia tiettyjen komponenttien kanssa, minkä vuoksi tarvitset erilaisia ​​ajureita esimerkiksi Nvidia- ja AMD-grafiikkasuorittimiin^{(AMD GPUs)} .

Oikeilla ohjaimilla varustettu ydin on tietokoneen ylin auktoriteetti, mukaan lukien asioiden tekeminen, jotka voivat tuhota tiedot katastrofaalisesti.

Sovellusohjelmointirajapintojen rooli^(Role) ( API^{(Application Programming Interfaces)} ) _ _^(APIs)

MS-DOSin^(MS-DOS) aikoina ohjelmistokehittäjien oli kirjoitettava ohjelmistonsa erityisesti käyttäjän laitteistoa varten. Tunnetuin esimerkki tästä MS-DOS- järjestelmissä olivat äänikorttiohjaimet.

Tietyn videopelin tulee tukea suosituimpia kortteja ( Sound Blaster , Ad-lib , Gravis Ultrasound jne.) ja toivoa, että useimmat pelaajat ovat katettuja. Nykyään asiat toimivat hyvin eri tavalla API^(APIs) :iden ansiosta .

Microsoft DirectX on hyvä esimerkki. Jos haluat perusteellisen selityksen, katso Mikä on DirectX ja miksi se on tärkeää? ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}Tärkeintä on kuitenkin tietää, että API tarjoaa ohjelmistokehittäjille vakiotavan pyytää laitteistoresursseja GPU :n kaltaisista komponenteista . Lisäksi laitteistovalmistajien on vain varmistettava, että heidän tuotteensa ovat DirectX :n mukaisia, jotta ne ovat täysin yhteensopivia kaikkien samoin yhteensopivien ohjelmistojen kanssa.

API^(APIs) :t tarjoavat käännöskerroksen ohjelmistosovellusten ja matalan tason ytimen välillä laitteisto-ajureineen. Kyllä, tästä seuraa pieni suoritusrangaistus. Silti nykyaikaisissa tietokoneissa tämä on merkityksetöntä, ja sillä on useita etuja, jolloin pääsemme lopulta käyttäjätilaan ja ydintilaan.

Käyttäjätila vs. ydintila

Nykyaikaiset käyttöjärjestelmät suorittavat satoja tai tuhansia "prosesseja" samanaikaisesti, antaen niille dynaamisesti CPU -aikaa tarpeen mukaan niiden prioriteettien ja laskentatehovaatimusten perusteella.

Kun käynnistät sovelluksen, se luo prosesseja, ja CPU voi suorittaa ne joko käyttäjätilassa tai ydintilassa.

Käyttäjätilassa toimivalla Windows -prosessilla on pääsy vain omaan yksityiseen virtuaalimuistiin osoiteavaruuteen ja kahvataulukkoon. Ohjelmisto käyttää näitä taulukoita tietojen tallentamiseen RAM -muistiin ja resurssien pyytämiseen. Muistiin tai muihin laitteistoihin ei ole suoraa pääsyä, ja käyttöjärjestelmän tehtävänä on yhdistää nämä virtuaalitilat tietokoneen todelliseen laitteistoon.

Tämä on hyvä monesta syystä, mutta tärkein etu on, että sovellus ei voi korvata tai muuttaa tietoja virtuaalisen muistin osoiteavaruutensa ulkopuolella. Lisäksi tietyt toiminnot eivät ole rajoitettuja käyttäjätilan prosesseihin, pääasiassa ne, jotka voivat kaataa järjestelmän tai tuhota tietoja.

Kun prosessi käynnistyy tai se nostetaan ydintilaan, sillä on täysi pääsy järjestelmäresursseihin, jopa käyttöjärjestelmälle varattuihin. Joten teoriassa se voi korvata tärkeitä tietoja, jotka käyttöjärjestelmä tarvitsee toimiakseen kunnolla.

Ansoja ja poikkeuksia

On tärkeää ymmärtää, että prosessori^(CPU) itse pakottaa nämä kaksi tilaa laitteistotasolla . Jos käyttäjätilassa toimiva sovellus yrittää tehdä jotain, joka vaatii kernel-tilan pääsyn, se luo "ansan" tai "poikkeuksen". Käyttöjärjestelmä käsittelee sitten sovellusta, yleensä sulkemalla sen ja luomalla kaatumislokin, jotta kehittäjät voivat nähdä, mitä tapahtui muistissa, kun asiat menivät raiteilta.

Ydintilan ^{(Kernel Mode)}vaarat^(Dangers) : Kuoleman sininen ^{(Blue Screen)}näyttö^(Death) _ _

Jos olet koskaan kokenut Blue Screen of Deathin^(Death) (kuka ei?), joka pakotti tietokoneesi sammumaan tai käynnistymään uudelleen, on hyvä mahdollisuus, että syynä oli ydintilan prosessi.

Kun ydintilassa oleva prosessi tekee jotain, mitä sen ei pitäisi tehdä, käyttöjärjestelmä ei voi toipua siitä ja koko tietokone pysähtyy. Kun käyttäjätilan prosessi menee pieleen, vain sovellus kaatuu, ja muu ohjelmisto ja käyttöjärjestelmä voivat toimia ilman ongelmia.

Tämä on yksi alue, jossa API^(APIs) :illa on olennainen rooli, koska se on sovellusliittymä^(API) , joka pyytää kernel-tilan oikeuksia. Käyttäjätilan sovellukset siirtävät API^(API) :lle pyynnöt, jotka olisivat vaatineet ydintilan oikeuksia .

Tästä syystä kernel-tila myönnetään yleensä vain matalan tason järjestelmäprosesseille, joiden on päästävä suoraan tietokoneen laitteistoon. Yleensä tämä etuoikeus laajennetaan prosessiin, koska se tarvitsee enemmän suorituskykyä kuin käyttäjätila voi tarjota. Jotkut suorittimen^(CPU) käskyt toimivat vain ydintilassa, joten jos prosessin on käytettävä näitä toimintoja, se on korotettava.

Jos sinulla on ongelmia Blue Screen of Deathin^(Death) kanssa, muista lukea Blue Screen of Death -vianmääritysopas Windows 10:lle^{(Blue Screen of Death Troubleshooting Guide for Windows 10)} !

What Is User Mode vs Kernel Mode in Windows

You may have heard about applications running 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

• Tumman tilan käyttöönotto Windows 11:ssä

• Kuinka asentaa Windows 11 paikallisella tilillä

• 6 tapaa kirjautua ulos Windows 11:stä -

• Windows 11:n käynnistäminen vikasietotilassa (8 tapaa) -

• 5 tapaa luoda ja lisätä uusi käyttäjä Windows 11:ssä -

• Kuinka asentaa Windows 11 käyttämällä Hyper-V:tä Windowsissa

• Järjestelmänvalvojan vaihtaminen Windows 11:ssä: 5 tapaa -

• Windows 11:n julkaisupäivä, hinta, laitteistovaatimukset

• Verkkokameran kirkkauden säätäminen Windows 11:ssä

• Piirisarjat ja emolevyt, jotka tukevat Windows 11 -käyttöjärjestelmää

• Tumman tilan kytkeminen päälle Windows 11:ssä -

• 5 tapaa kirjautua sisään Windows 11:een -

• Ota käyttöön tai poista käytöstä Wi-Fi- ja Ethernet-sovitin Windows 11:ssä

• Windows Insider Channelia ei voi vaihtaa Windows 11 - Dev tai Beta -käyttöjärjestelmässä

• Snap Layoutsin ottaminen käyttöön tai poistaminen käytöstä Windows 11:ssä

• Windows 11 yrityksille ja yrityksille – uusia ominaisuuksia

• Napsauta tätä syöttääksesi uusin kirjautumistietoviestisi Windows 11:ssä

• Teeman vaihtaminen Microsoft Teamsissa Windows 11:ssä

• Kuinka Dynamic Refresh Rate -ominaisuus toimii Windows 11:ssä

• Kuinka asentaa Windows Subsystem for Linux -käyttöjärjestelmään Windows 11