Možno ste už počuli o aplikáciách bežiacich v režime „kernel“ alebo „user“. Všetko závisí od toho, ako fungujú operačné systémy, keď vykonávajú svoju prácu. Keď to pochopíte, je ľahké pochopiť rozdiel medzi používateľským režimom a režimom jadra.

Pochopenie toho, čo robí^(Does) operačný systém

Počítač pozostáva z hardvéru, elektronických komponentov a softvéru, počítačového kódu vykonávaného týmto hardvérom. Čo však môže byť menej jasné, je to, ako spolupracujú.

Najdôležitejším prvkom počítača je bit alebo „binárna číslica. “Všetko^{(” Everything)} , čo počítač robí, je reprezentované jednotkami a nulami. Rôzne^(Different) počítačové komponenty predstavujú bity rôznymi spôsobmi. V CPU mikroskopické tranzistory predstavujú jednotky a nuly tým, že sú zapnuté alebo vypnuté. Tieto tranzistory sú usporiadané do logických štruktúr, ktoré sa nazývajú logické brány.

V elektronickej počítačovej pamäti sú bity reprezentované pamäťovými bunkami, ktoré majú náboj nad alebo pod určitým prahom. Na mechanickom pevnom disku sú bity reprezentované ako magnetické fluktuácie merané na rotujúcom tanieri. Na optických diskoch, jamky a plochy, ktoré odrážajú alebo neodrážajú laserové svetlo, vykonávajú rovnakú prácu. 

Bez ohľadu na to, ako sa dosiahne fyzická reprezentácia binárneho kódu, môžete nakoniec zredukovať všetky komponenty spotrebiteľského počítača na tento surový strojový kód.

Ako teda prejsť od rozhrania počítača priateľského k človeku k surovým procesom nízkej úrovne v samotnom počítači? Tu prichádza na rad operačný systém. Ten priamo riadi hardvér počítača. 

Tento softvér prekladá všetko, čo aplikácie (a teda aj používateľ) chcú, do inštrukcií strojového kódu, ktorým CPU a ostatné komponenty rozumejú. Najkritickejším softvérom v tomto procese je jadro.

Čo je jadro?

Jadro je, ako už názov napovedá, jadrom operačného systému. Jadro je softvér, ktorý sa nachádza v RAM a riadi všetko, čo počítač robí. Keď sa niečo zapíše do pamäte, je to jadro, ktoré riadi vykonávanie.

Jadro vie, ako sa prepojiť s hardvérom, ako sú GPU^(GPUs) a sieťové karty, ale nemusí vedieť, ako ich naplno využívať, spoliehajúc sa na generické štandardy v počítačovom priemysle.

Tu prichádzajú do úvahy ovládače hardvéru. Ovládače povedia vášmu operačnému systému, ako má pracovať s konkrétnymi komponentmi, a preto potrebujete rôzne ovládače napríklad pre GPU Nvidia a AMD^{(AMD GPUs)} .

Jadro vybavené správnymi ovládačmi je najvyššou autoritou v počítači, vrátane robenia vecí, ktoré môžu katastrofálne zničiť dáta.

Úloha aplikačných^(Role) programovacích rozhraní^{(Application Programming Interfaces)} ( API^(APIs) )

V časoch MS-DOS museli vývojári softvéru napísať svoj softvér špeciálne pre hardvér používateľa. Najznámejším príkladom tohto na systémoch MS-DOS boli ovládače zvukových kariet.

Daná videohra by musela podporovať najpopulárnejšie karty ( Sound Blaster , Ad-lib , Gravis Ultrasound atď.) a dúfať, že väčšina hráčov bude pokrytá. Dnes veci fungujú úplne inak vďaka rozhraniam API^(APIs) .

Microsoft DirectX je skvelým príkladom. Ak chcete podrobné vysvetlenie, pozrite si Čo je DirectX a prečo je dôležité? ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}Najdôležitejšie je však vedieť, že rozhranie API^(API) ponúka vývojárom softvéru štandardný spôsob, ako požiadať o hardvérové ​​zdroje od komponentov, ako je GPU . Okrem toho musia výrobcovia hardvéru zabezpečiť, aby ich produkty vyhovovali DirectX , aby bola zabezpečená úplná kompatibilita s akýmkoľvek podobne vyhovujúcim softvérom.

Rozhrania API^(APIs) ponúkajú vrstvu prekladu medzi softvérovými aplikáciami a nízkoúrovňovým jadrom s jeho hardvérovými ovládačmi. Áno, prichádza to s miernou výkonnostnou penalizáciou. Na moderných počítačoch je to však zanedbateľné a prináša to množstvo výhod, v ktorých sa konečne dostávame k používateľskému režimu a režimu jadra.

Používateľský režim vs. režim jadra

Moderné operačné systémy spúšťajú stovky alebo tisíce „procesov“ súčasne, pričom im dynamicky poskytujú CPU čas podľa potreby na základe ich priorít a požiadaviek na výpočtový výkon.

Keď spustíte aplikáciu, generuje procesy a CPU ich môže vykonávať v užívateľskom režime alebo v režime jadra.

Proces Windows spustený v užívateľskom režime má prístup iba k vlastnému adresnému priestoru súkromnej virtuálnej pamäte a tabuľke manipulácie. Softvér používa tieto tabuľky na ukladanie údajov do pamäte RAM^(RAM) a vyžiadanie zdrojov. Neexistuje žiadny priamy prístup k pamäti alebo inému hardvéru a je na operačnom systéme, aby namapoval tieto virtuálne priestory na skutočný hardvér počítača.

To je dobré z mnohých dôvodov, ale najdôležitejšou výhodou je, že aplikácia nemôže prepísať alebo zmeniť údaje mimo svojho adresného priestoru virtuálnej pamäte. Okrem toho sú určité funkcie pre procesy v užívateľskom režime zakázané, najmä tie, ktoré by mohli zrútiť systém alebo zničiť údaje.

Keď sa proces spustí alebo je povýšený do režimu jadra, má plný prístup k systémovým prostriedkom, dokonca aj tým, ktoré sú vyhradené pre operačný systém. Teoreticky by teda mohol prepísať kľúčové údaje, ktoré operačný systém potrebuje na správne fungovanie.

Pasce a výnimky

Je dôležité pochopiť, že tieto dva režimy sú vynútené na hardvérovej úrovni samotným CPU . Ak sa aplikácia spustená v používateľskom režime pokúsi urobiť niečo, čo si vyžaduje prístup v režime jadra, vygeneruje „pascu“ alebo „výnimku“. Operačný systém sa potom s aplikáciou vysporiada, zvyčajne tak, že ju vypne a vygeneruje protokol o zlyhaní, aby vývojári mohli vidieť, čo sa stalo v pamäti, keď veci zmizli.

Nebezpečenstvo režimu jadra^{(Kernel Mode)} : Modrá ^{(Blue Screen)}obrazovka^(Death) smrti _^(Dangers)

Ak ste niekedy zažili modrú ^(Death)obrazovku^{(Blue Screen)} smrti (kto nie?), ktorá prinútila váš počítač vypnúť alebo reštartovať, je veľká šanca, že to bol proces v režime jadra.

Keď proces v režime jadra urobí niečo, čo by nemal robiť, operačný systém sa z toho nedokáže zotaviť a celý počítač sa zastaví. Keď sa proces používateľského režimu pokazí, zlyhá iba aplikácia a zvyšok softvéru a operačného systému môžu pokračovať bez problémov.

Toto je jedna z oblastí, kde API^(APIs) hrajú zásadnú úlohu, pretože je to API , ktoré vyžaduje privilégiá režimu jadra. Aplikácie používateľského režimu v podstate delegujú požiadavky, ktoré by vyžadovali privilégiá režimu jadra, na rozhranie API^(API) .

To je dôvod, prečo sa režim jadra zvyčajne poskytuje iba procesom na nízkej úrovni, ktoré potrebujú priamy prístup k hardvéru počítača. Zvyčajne je toto privilégium rozšírené na proces, pretože potrebuje vyšší výkon, ako môže poskytnúť používateľský režim. Niektoré inštrukcie CPU fungujú iba v režime jadra, takže ak proces potrebuje použiť tieto funkcie, musí byť zvýšená.

Ak máte problémy s modrou obrazovkou^{(Blue Screen)} smrti , určite si prečítajte našu príručku na riešenie problémov s modrou obrazovkou smrti ^(Death)pre Windows 10^{(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 oрerating systems work when they do their jobs. Once you understand that, it’s easy to grаsp the difference betweеn 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

• Ako povoliť tmavý režim v systéme Windows 11

• Ako nainštalovať Windows 11 pomocou lokálneho účtu

• 6 spôsobov, ako sa odhlásiť zo systému Windows 11 -

• Ako spustiť Windows 11 v núdzovom režime (8 spôsobov) -

• 5 spôsobov, ako vytvoriť a pridať nového používateľa v systéme Windows 11 -

• Ako zablokovať inštaláciu systému Windows 11 na vašom počítači

• Ako povoliť alebo zakázať dynamickú obnovovaciu frekvenciu (DRR) v systéme Windows 11

• Ako prepnúť na lokálny účet Windows 11 z účtu Microsoft

• Ako otvoriť Nástroje systému Windows v systéme Windows 11

• Windows 11 Dátum vydania, Cena, Hardvérové ​​požiadavky

• Ako zmeniť veľkosť panela úloh v systéme Windows 11

• Windows 11 pre firmy a podniky – nové funkcie

• Ako sa odhlásiť z e-mailového účtu v aplikácii Mail v systéme Windows 11

• Ako skryť odznaky na ikonách panela úloh v systéme Windows 11

• Ako zobraziť alebo skryť najpoužívanejšie aplikácie v ponuke Štart v systéme Windows 11

• Zobraziť alebo skryť ikony v oblasti pretečenia rohu panela úloh v systéme Windows 11

• Ako zapnúť tmavý režim v systéme Windows 11 -

• Ako opraviť režim spánku v systéme Windows 11, ktorý nefunguje

• Ako nainštalovať Windows 11 pomocou Hyper-V v systéme Windows

• Editory kontextovej ponuky: Pridávanie a odstraňovanie položiek kontextovej ponuky v systéme Windows 11