Μπορεί να έχετε ακούσει για εφαρμογές που εκτελούνται σε λειτουργία "πυρήνα" ή "χρήστης". Όλα εξαρτώνται από το πώς λειτουργούν τα λειτουργικά συστήματα όταν κάνουν τη δουλειά τους. Μόλις το καταλάβετε, είναι εύκολο να κατανοήσετε τη διαφορά μεταξύ της λειτουργίας χρήστη και της λειτουργίας πυρήνα.

Κατανόηση του τι κάνει ένα λειτουργικό σύστημα^(Does)

Ένας υπολογιστής αποτελείται από υλικό, ηλεκτρονικά εξαρτήματα και λογισμικό, τον κώδικα υπολογιστή που εκτελείται από αυτό το υλικό. Αλλά αυτό που μπορεί να είναι λιγότερο σαφές είναι πώς συνεργάζονται.

Το πιο ουσιαστικό στοιχείο ενός υπολογιστή είναι το bit ή "δυαδικό ψηφίο". Όλα όσα^{(” Everything)} κάνει ένας υπολογιστής αντιπροσωπεύονται ως μονάδες και μηδενικά. Διαφορετικά^(Different) στοιχεία υπολογιστή αντιπροσωπεύουν τα bit με διαφορετικούς τρόπους. Σε μια CPU , τα μικροσκοπικά τρανζίστορ αντιπροσωπεύουν το ένα και το μηδέν είτε είναι ενεργοποιημένα είτε απενεργοποιημένα. Αυτά τα τρανζίστορ είναι διατεταγμένα σε λογικές δομές, που ονομάζονται λογικές πύλες.

Στη μνήμη του ηλεκτρονικού υπολογιστή, τα bit αντιπροσωπεύονται από κυψέλες μνήμης είτε με φορτίο πάνω είτε κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο. Σε έναν μηχανικό σκληρό δίσκο, τα bits αντιπροσωπεύονται ως μαγνητικές διακυμάνσεις που μετρώνται σε μια περιστρεφόμενη πιατέλα. Σε οπτικούς δίσκους, κοιλώματα και εδάφη που αντανακλούν ή δεν αντανακλούν το φως λέιζερ κάνουν την ίδια δουλειά. 

Ανεξάρτητα από το πώς επιτυγχάνεται η φυσική αναπαράσταση του δυαδικού κώδικα, μπορείτε τελικά να μειώσετε όλα τα εξαρτήματα του υπολογιστή καταναλωτών σε αυτόν τον πρωτογενή κώδικα μηχανής.

Πώς λοιπόν μπορείτε να πάτε από τη φιλική προς τον άνθρωπο διεπαφή ενός υπολογιστή στις ακατέργαστες, χαμηλού επιπέδου διαδικασίες στον ίδιο τον υπολογιστή; Εκεί μπαίνει το λειτουργικό σύστημα. Ελέγχει άμεσα το υλικό του υπολογιστή. 

Αυτό το λογισμικό μεταφράζει όλα όσα θέλουν οι εφαρμογές (και επομένως ο χρήστης) στις οδηγίες κώδικα μηχανής που κατανοούν η CPU και άλλα εξαρτήματα. ^(CPU)Το πιο κρίσιμο κομμάτι λογισμικού σε αυτή τη διαδικασία είναι ο πυρήνας.

Τι είναι ο πυρήνας;

Ο πυρήνας είναι, όπως υποδηλώνει το όνομα, ο πυρήνας του λειτουργικού συστήματος. Ο πυρήνας είναι λογισμικό που βρίσκεται στη μνήμη RAM^(RAM) και κατευθύνει ό,τι κάνει ο υπολογιστής. Όταν κάτι γράφεται στη μνήμη, είναι ο πυρήνας που κατευθύνει την εκτέλεση.

Ο πυρήνας γνωρίζει πώς να διασυνδέεται με υλικό όπως GPU^(GPUs) και κάρτες δικτύου, αλλά μπορεί να μην ξέρει πώς να τις χειρίζεται στο μέγιστο των δυνατοτήτων τους, βασιζόμενος σε γενικά πρότυπα στον κλάδο των υπολογιστών.

Τα προγράμματα οδήγησης υλικού παίζουν εδώ. Τα προγράμματα οδήγησης λένε στο λειτουργικό σας σύστημα πώς να λειτουργεί με συγκεκριμένα στοιχεία, γι' αυτό χρειάζεστε διαφορετικά προγράμματα οδήγησης για τις GPU της Nvidia και της AMD^{(AMD GPUs)} , για παράδειγμα.

Εξοπλισμένος με τα σωστά προγράμματα οδήγησης, ο πυρήνας είναι η απόλυτη αρχή στον υπολογιστή, συμπεριλαμβανομένης της εκτέλεσης πράξεων που μπορούν να καταστρέψουν καταστροφικά δεδομένα.

Ο ρόλος^(Role) των διεπαφών προγραμματισμού εφαρμογών^{(Application Programming Interfaces)} ( APIs )

Την εποχή του MS-DOS , οι προγραμματιστές λογισμικού έπρεπε να γράψουν το λογισμικό τους ειδικά για το υλικό του χρήστη. Το πιο διαβόητο παράδειγμα αυτού στα συστήματα MS-DOS ήταν τα προγράμματα οδήγησης κάρτας ήχου.

Ένα δεδομένο βιντεοπαιχνίδι θα έπρεπε να υποστηρίζει τις πιο δημοφιλείς κάρτες ( Sound Blaster , Ad-lib , Gravis Ultrasound , κ.λπ.) και ελπίζουμε ότι οι περισσότεροι παίκτες ήταν καλυμμένοι. Σήμερα, τα πράγματα λειτουργούν πολύ διαφορετικά, χάρη στα API^(APIs) .

Το Microsoft DirectX^{(Microsoft DirectX)} είναι ένα εξαιρετικό παράδειγμα. Εάν θέλετε μια εις βάθος εξήγηση, ρίξτε μια ματιά στο Τι είναι το DirectX και γιατί είναι σημαντικό; ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}Ωστόσο, το πιο σημαντικό πράγμα που πρέπει να γνωρίζετε είναι ότι το API προσφέρει έναν τυπικό τρόπο για τους προγραμματιστές λογισμικού να ζητούν πόρους υλικού από στοιχεία όπως η GPU . Επιπλέον, οι κατασκευαστές υλικού πρέπει μόνο να διασφαλίζουν ότι τα προϊόντα τους συμμορφώνονται με το DirectX για να διασφαλίσουν την πλήρη συμβατότητα με οποιοδήποτε παρόμοια συμβατό λογισμικό.

Τα API^(APIs) προσφέρουν ένα επίπεδο μετάφρασης μεταξύ των εφαρμογών λογισμικού και του πυρήνα χαμηλού επιπέδου με τα προγράμματα οδήγησης υλικού. Ναι, αυτό συνοδεύεται από μια μικρή ποινή απόδοσης. Ωστόσο, στους σύγχρονους υπολογιστές, αυτό είναι αμελητέο και συνοδεύεται από διάφορα πλεονεκτήματα, όπου τελικά φτάνουμε στη λειτουργία χρήστη και στη λειτουργία πυρήνα.

Λειτουργία χρήστη έναντι λειτουργίας πυρήνα

Τα σύγχρονα λειτουργικά συστήματα εκτελούν εκατοντάδες ή χιλιάδες «διαδικασίες» ταυτόχρονα, δίνοντάς τους δυναμικά χρόνο CPU όπως απαιτείται με βάση τις προτεραιότητές τους και τις απαιτήσεις υπολογιστικής ισχύος.

Όταν εκκινείτε μια εφαρμογή, αυτή δημιουργεί διεργασίες και η CPU μπορεί να τις εκτελέσει είτε σε λειτουργία χρήστη είτε σε λειτουργία πυρήνα.

Μια διαδικασία των Windows^(Windows) που εκτελείται σε λειτουργία χρήστη έχει πρόσβαση μόνο στον δικό της χώρο διευθύνσεων εικονικής μνήμης και πίνακα χειρισμού. Το λογισμικό χρησιμοποιεί αυτούς τους πίνακες για να αποθηκεύσει δεδομένα στη μνήμη RAM^(RAM) και να ζητήσει πόρους. Δεν υπάρχει άμεση πρόσβαση στη μνήμη ή σε άλλο υλικό και εναπόκειται στο λειτουργικό σύστημα να αντιστοιχίσει αυτούς τους εικονικούς χώρους στο πραγματικό υλικό του υπολογιστή.

Αυτό είναι καλό για πολλούς λόγους, αλλά το πιο κρίσιμο πλεονέκτημα είναι ότι η εφαρμογή δεν μπορεί να αντικαταστήσει ή να αλλάξει δεδομένα εκτός του χώρου διευθύνσεων εικονικής μνήμης. Επιπλέον, ορισμένες λειτουργίες είναι απεριόριστες σε διαδικασίες λειτουργίας χρήστη, κυρίως εκείνες που θα μπορούσαν να καταστρέψουν το σύστημα ή να καταστρέψουν δεδομένα.

Όταν μια διεργασία ξεκινά ή ανυψώνεται σε λειτουργία πυρήνα, έχει πλήρη πρόσβαση στους πόρους του συστήματος, ακόμη και σε αυτούς που είναι δεσμευμένοι για το λειτουργικό σύστημα. Έτσι, θεωρητικά, θα μπορούσε να αντικαταστήσει σημαντικά δεδομένα που χρειάζεται το λειτουργικό σύστημα για να εκτελεστεί σωστά.

Παγίδες και Εξαιρέσεις

Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε ότι αυτές οι δύο λειτουργίες επιβάλλονται σε επίπεδο υλικού από την ίδια την CPU . Εάν μια εφαρμογή που εκτελείται σε λειτουργία χρήστη προσπαθήσει να κάνει κάτι που απαιτεί πρόσβαση σε λειτουργία πυρήνα, δημιουργεί μια «παγίδα» ή «εξαίρεση». Στη συνέχεια, το λειτουργικό σύστημα θα ασχοληθεί με την εφαρμογή, συνήθως κλείνοντάς την και δημιουργώντας ένα αρχείο καταγραφής σφαλμάτων, έτσι ώστε οι προγραμματιστές να μπορούν να δουν τι συνέβη στη μνήμη όταν τα πράγματα ξέφυγαν.

The Dangers of Kernel Mode : The Blue Screen of Death

Εάν έχετε αντιμετωπίσει ποτέ μια μπλε οθόνη^{(Blue Screen)} θανάτου ( ποιος^(Death) όχι;) που ανάγκασε τον υπολογιστή σας να απενεργοποιηθεί ή να επανεκκινηθεί, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να φταίει μια διαδικασία λειτουργίας πυρήνα.

Όταν μια διεργασία σε λειτουργία πυρήνα κάνει κάτι που δεν πρέπει, το λειτουργικό σύστημα δεν μπορεί να ανακτήσει από αυτήν και ολόκληρος ο υπολογιστής σταματά. Όταν μια διαδικασία λειτουργίας χρήστη πάει χαμένη, μόνο η εφαρμογή διακόπτεται και το υπόλοιπο λογισμικό και το λειτουργικό σύστημα μπορούν να συνεχιστούν χωρίς προβλήματα.

Αυτός είναι ένας τομέας όπου τα API^(APIs) διαδραματίζουν ουσιαστικό ρόλο, καθώς το API ζητά δικαιώματα λειτουργίας πυρήνα. Οι εφαρμογές λειτουργίας χρήστη ουσιαστικά εκχωρούν αιτήματα που θα απαιτούσαν δικαιώματα λειτουργίας πυρήνα στο API .

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η λειτουργία πυρήνα χορηγείται συνήθως μόνο σε διεργασίες συστήματος χαμηλού επιπέδου που χρειάζονται απευθείας πρόσβαση στο υλικό του υπολογιστή. Συνήθως, αυτό το προνόμιο επεκτείνεται σε μια διεργασία επειδή χρειάζεται περισσότερη απόδοση από αυτή που μπορεί να προσφέρει η λειτουργία χρήστη. Ορισμένες οδηγίες CPU λειτουργούν μόνο σε λειτουργία πυρήνα, επομένως εάν μια διεργασία χρειάζεται να χρησιμοποιήσει αυτές τις λειτουργίες, πρέπει να ανυψωθεί.

Εάν αντιμετωπίζετε προβλήματα με την Blue Screen of Death , φροντίστε να διαβάσετε τον Οδηγό αντιμετώπισης προβλημάτων Blue Screen of Death για Windows 10^{(Blue Screen of Death Troubleshooting Guide for Windows 10)} !

What Is User Mode vs Kernel Mode in Windows

Yoυ may have heard abоut 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 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

• Πώς να ενεργοποιήσετε τη σκοτεινή λειτουργία στα Windows 11

• Πώς να εγκαταστήσετε τα Windows 11 με έναν τοπικό λογαριασμό

• 6 τρόποι για να αποσυνδεθείτε από τα Windows 11 -

• Πώς να ξεκινήσετε τα Windows 11 σε ασφαλή λειτουργία (8 τρόποι) -

• 5 τρόποι για να δημιουργήσετε και να προσθέσετε έναν νέο χρήστη στα Windows 11 -

• Πώς να αποκλείσετε την εγκατάσταση των Windows 11 στον υπολογιστή σας

• Πώς να αλλάξετε το μέγεθος της γραμμής εργασιών στα Windows 11

• God Mode στα Windows 11 έναντι Windows 10 έναντι Windows 7 -

• Πώς να αλλάξετε το θέμα στο Microsoft Teams στα Windows 11

• Πώς να εγκαταστήσετε το υποσύστημα Windows για Linux στα Windows 11

• Πώς να ρυθμίσετε τη φωτεινότητα της κάμερας Web στα Windows 11

• Chipset και μητρικές που υποστηρίζουν λειτουργικό σύστημα Windows 11

• Πώς να διορθώσετε την κατάσταση αναστολής λειτουργίας των Windows 11 που δεν λειτουργεί

• Δεν είναι δυνατή η εναλλαγή καναλιού Windows Insider σε Windows 11 - Dev ή Beta

• Πώς να ενεργοποιήσετε τη λειτουργία αδρανοποίησης στα Windows 11

• Επεξεργαστές μενού περιβάλλοντος: Προσθήκη, κατάργηση στοιχείων μενού περιβάλλοντος στα Windows 11

• Πώς να ενεργοποιήσετε τη λειτουργία God Mode στα Windows 11

• Πώς να καρφιτσώσετε οποιαδήποτε εφαρμογή στη γραμμή εργασιών στα Windows 11

• 7 τρόποι για να κλειδώσετε έναν υπολογιστή με Windows 11 -

• Πώς να ενεργοποιήσετε ή να απενεργοποιήσετε τον έλεγχο λογαριασμού χρήστη στα Windows 11