Du kanske har hört talas om applikationer som körs i "kärna" eller "användarläge". Allt beror på hur operativsystem fungerar när de gör sitt jobb. När du väl förstår det är det lätt att förstå skillnaden mellan användarläge och kärnläge.

Förstå vad ett operativsystem gör^(Does)

En dator består av hårdvara, elektroniska komponenter och mjukvara, datorkoden som exekveras av den hårdvaran. Men det som kanske är mindre tydligt är hur de fungerar tillsammans.

En dators viktigaste element är biten eller "binär siffra. ” Allt^{(” Everything)} en dator gör representeras som ettor och nollor. Olika^(Different) datorkomponenter representerar bitar på olika sätt. I en CPU representerar mikroskopiska transistorer ettor och nollor genom att antingen vara på eller av. Dessa transistorer är arrangerade i logiska strukturer, kallade logiska grindar.

I elektroniskt datorminne representeras bitar av minnesceller som antingen har en laddning över eller under en viss tröskel. På en mekanisk hårddisk representeras bitar som magnetiska fluktuationer mätt på en snurrande tallrik. På optiska skivor gör gropar och landområden som reflekterar eller inte reflekterar laserljus samma jobb. 

Oavsett hur den fysiska representationen av binär kod uppnås, kan du så småningom reducera alla konsumentdatorkomponenter till denna råa maskinkod.

Så hur går man från det människovänliga gränssnittet på en dator till de råa processerna på låg nivå i själva datorn? Det är där operativsystemet kommer in. Det styr direkt datorns hårdvara. 

Denna programvara översätter allt applikationer (och därmed användaren) vill ha till maskinkodinstruktionerna som CPU och andra komponenter förstår. Den mest kritiska mjukvaran i denna process är kärnan.

Vad är kärnan?

Kärnan är, som namnet antyder, kärnan i operativsystemet. Kärnan är programvara som finns i RAM och styr allt som datorn gör. När något skrivs in i minnet är det kärnan som styr exekveringen.

Kärnan vet hur man samverkar med hårdvara som GPU:er^(GPUs) och nätverkskort, men den kanske inte vet hur man använder dem till sin fulla potential, eftersom den förlitar sig på generiska standarder inom datorindustrin.

Hårdvarudrivrutinerna spelar in här. Drivrutiner talar om för ditt operativsystem hur man arbetar med specifika komponenter, varför du till exempel behöver olika drivrutiner för Nvidia och AMD GPU^{(AMD GPUs)} .

Utrustad med rätt drivrutiner är kärnan den ultimata auktoriteten inom datorn, inklusive att göra saker som katastrofalt kan förstöra data.

Rollen för applikationsprogrammeringsgränssnitt^{(Application Programming Interfaces)} ( API^(APIs) ) _^(Role)

På MS-DOS^(MS-DOS) dagar var mjukvaruutvecklare tvungna att skriva sin programvara specifikt för användarens hårdvara. Det mest ökända exemplet på detta på MS-DOS- system var drivrutiner för ljudkort.

Ett givet videospel skulle behöva stödja de mest populära korten ( Sound Blaster , Ad-lib , Gravis Ultrasound , etc.) och hoppas att de flesta spelarna var täckta. Idag fungerar saker väldigt annorlunda, tack vare API:er^(APIs) .

Microsoft DirectX är ett bra exempel. Om du vill ha en djupgående förklaring, kolla in Vad är DirectX och varför är det viktigt? ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}Det viktigaste att veta är dock att API :et erbjuder ett standardsätt för mjukvaruutvecklare att be om hårdvaruresurser från komponenter som GPU . Dessutom måste maskinvarutillverkare bara se till att deras produkter överensstämmer med DirectX för att säkerställa full kompatibilitet med all mjukvara som också är kompatibel.

API^(APIs) :er erbjuder ett lager av översättning mellan mjukvaruapplikationer och lågnivåkärnan med dess hårdvarudrivrutiner. Ja, detta kommer med ett litet prestationsstraff. Ändå, på moderna datorer, är detta försumbart, och det kommer med en mängd fördelar, vilket är där vi äntligen kommer till användarläge och kärnläge.

Användarläge kontra kärnläge

Moderna operativsystem kör hundratals eller tusentals "processer" samtidigt, vilket dynamiskt ger dem CPU- tid efter behov baserat på deras prioriteringar och krav på beräkningskraft.

När du startar ett program genererar det processer och CPU :n kan köra dem i antingen användarläge eller kärnläge.

En Windows -process som körs i användarläge har bara tillgång till sitt eget privata virtuella minnesadressutrymme och hanteringstabell. Programvaran använder dessa tabeller för att lagra data i RAM och begära resurser. Det finns ingen direkt tillgång till minne eller annan hårdvara, och det är upp till operativsystemet att mappa dessa virtuella utrymmen till datorns faktiska hårdvara.

Detta är bra av många anledningar, men den mest avgörande fördelen är att applikationen inte kan skriva över eller ändra data utanför sitt virtuella minnesadressutrymme. Dessutom är vissa funktioner förbjudna för processer i användarläge, främst sådana som kan krascha systemet eller förstöra data.

När en process startar eller höjs till kärnläge har den full tillgång till systemresurser, även de som är reserverade för operativsystemet. Så i teorin kan det skriva över avgörande data som operativsystemet behöver för att fungera korrekt.

Fällor och undantag

Det är viktigt att förstå att dessa två lägen upprätthålls på hårdvarunivå av processorn^(CPU) själv. Om ett program som körs i användarläge försöker göra något som kräver åtkomst i kärnläge, genererar det en "fälla" eller "undantag". Operativsystemet kommer sedan att hantera applikationen, vanligtvis genom att stänga av den och generera en kraschlogg så att utvecklarna kan se vad som hände i minnet när saker gick av stapeln.

The Dangers of Kernel Mode : The Blue Screen of Death

Om du någonsin har upplevt en Blue Screen of Death (vem har inte gjort det?) som tvingade din dator att stänga av eller starta om, finns det en god chans att det var en process i kärnläge att skylla på.

När en process i kärnläge gör något den inte är tänkt att göra, kan operativsystemet inte återhämta sig från det, och hela datorn stannar. När en process i användarläge går i stå är det bara applikationen som kraschar, och resten av programvaran och operativsystemet kan fortsätta utan problem.

Detta är ett område där API^(APIs) :er spelar en viktig roll eftersom det är API :et som ber om kärnlägesprivilegier. Användarlägesapplikationer delegerar i huvudsak förfrågningar som skulle ha krävt kärnlägesprivilegier till API :et .

Detta är anledningen till att kärnläge vanligtvis bara ges till systemprocesser på låg nivå som behöver komma åt datorns hårdvara direkt. Vanligtvis utökas denna behörighet till en process eftersom den behöver mer prestanda än vad användarläget kan ge. Vissa CPU- instruktioner fungerar bara i kärnläge, så om en process behöver använda dessa funktioner måste den höjas.

Om du har problem med Blue Screen of Death , se till att läsa vår Blue Screen of Death-felsökningsguide för 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 applicаtions running in “kernel” or “user” mode. It’s all down to how operating ѕystems work when they do their jobs. Once you understand thаt, 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

• Hur man aktiverar mörkt läge i Windows 11

• Hur man installerar Windows 11 med ett lokalt konto

• 6 sätt att logga ut från Windows 11 -

• Hur man startar Windows 11 i felsäkert läge (8 sätt) -

• 5 sätt att skapa och lägga till en ny användare i Windows 11 -

• Chipset och moderkort som stöder Windows 11 operativsystem

• Hur man loggar ut från e-postkontot i Mail-appen i Windows 11

• Hur man installerar Windows Subsystem för Linux på Windows 11

• Fix Datorn måste stödja TPM 2.0-fel när du installerar Windows 11

• Så här fixar du Windows 11-viloläge som inte fungerar

• Så här justerar du webbkamerans ljusstyrka i Windows 11

• Aktivera eller inaktivera Wi-Fi och Ethernet-adapter på Windows 11

• Hur fungerar funktionen Dynamic Refresh Rate i Windows 11

• Hur du aktiverar eller inaktiverar Snap Layouts på Windows 11

• Windows 11 Releasedatum, pris, hårdvarukrav

• Hur man aktiverar God Mode i Windows 11

• Klicka här för att ange ditt senaste autentiseringsmeddelande i Windows 11

• Hur man aktiverar mörkt läge i Windows 11 -

• 7 sätt att byta användare i Windows 11 -

• Visa eller dölj ikoner i Aktivitetsfältets hörnspillområde på Windows 11