ممکن است در مورد برنامه هایی که در حالت "کرنل" یا "کاربر" اجرا می شوند شنیده باشید. همه چیز به نحوه عملکرد سیستم عامل ها در هنگام انجام وظایفشان بستگی دارد. هنگامی که متوجه شدید، به راحتی می توانید تفاوت بین حالت کاربر و حالت هسته را درک کنید.

درک آنچه که یک سیستم عامل انجام می دهد^(Does)

یک کامپیوتر متشکل از سخت افزار، قطعات الکترونیکی و نرم افزار است، کد کامپیوتری که توسط آن سخت افزار اجرا می شود. اما چیزی که ممکن است کمتر واضح باشد نحوه کار آنها با یکدیگر است.

ضروری ترین عنصر یک کامپیوتر بیت یا «رقم دودویی» است. هر^{(” Everything)} کاری که کامپیوتر انجام می دهد به صورت یک و صفر نمایش داده می شود. اجزای مختلف^(Different) کامپیوتر بیت ها را به روش های مختلف نشان می دهند. در یک CPU ، ترانزیستورهای میکروسکوپی یک و صفر را با روشن یا خاموش بودن نشان می دهند. این ترانزیستورها در ساختارهای منطقی به نام گیت های منطقی مرتب شده اند.

در حافظه کامپیوتر الکترونیکی، بیت‌ها توسط سلول‌های حافظه نشان داده می‌شوند که دارای شارژ بالاتر یا پایین‌تر از یک آستانه معین هستند. در یک هارد دیسک مکانیکی، بیت ها به صورت نوسانات مغناطیسی اندازه گیری شده بر روی یک صفحه چرخان نمایش داده می شوند. در دیسک‌های نوری، گودال‌ها و زمین‌هایی که نور لیزر را منعکس می‌کنند یا نمی‌کنند، همین کار را انجام می‌دهند. 

مهم نیست که چگونه نمایش فیزیکی کد باینری به دست می آید، در نهایت می توانید تمام اجزای کامپیوتر مصرف کننده را به این کد ماشین خام کاهش دهید.

بنابراین چگونه می توان از رابط انسان پسند یک رایانه به فرآیندهای خام و سطح پایین در خود رایانه رفت؟ اینجاست که سیستم عامل وارد می شود. مستقیماً سخت افزار رایانه را کنترل می کند. 

این نرم افزار همه چیزهایی را که برنامه های کاربردی (و در نتیجه کاربر) می خواهند به دستورالعمل های کد ماشین ترجمه می کند که CPU و سایر اجزاء آن را درک می کنند. مهم ترین نرم افزار در این فرآیند هسته است.

هسته چیست؟

هسته، همانطور که از نامش پیداست، هسته اصلی سیستم عامل است. هسته نرم افزاری است که در RAM قرار دارد و هر کاری را که کامپیوتر انجام می دهد هدایت می کند. وقتی چیزی در حافظه نوشته می شود، این هسته است که اجرا را هدایت می کند.

هسته می‌داند که چگونه با سخت‌افزارهایی مانند GPU^(GPUs) و کارت‌های شبکه ارتباط برقرار کند، اما ممکن است نداند که چگونه با تکیه بر استانداردهای عمومی در صنعت رایانه، آنها را با پتانسیل کامل خود کار کند.

درایورهای سخت افزار در اینجا وارد عمل می شوند. درایورها به سیستم عامل شما می گویند که چگونه با اجزای خاص کار کند، به همین دلیل است که برای مثال، برای پردازنده های گرافیکی Nvidia و AMD به درایورهای مختلفی نیاز دارید.^{(AMD GPUs)}

هسته مجهز به درایورهای مناسب، قدرت نهایی در رایانه است، از جمله انجام کارهایی که می تواند داده ها را به طور فاجعه باری از بین ببرد.

نقش رابط^(Role) های برنامه نویسی^{(Application Programming Interfaces)} کاربردی ( API^(APIs) )

در روزهای MS-DOS ، توسعه دهندگان نرم افزار مجبور بودند نرم افزار خود را به طور خاص برای سخت افزار کاربر بنویسند. بدنام ترین نمونه این مورد در سیستم های MS-DOS درایورهای کارت صدا بودند.

یک بازی ویدیویی معین باید از محبوب‌ترین کارت‌ها ( Sound Blaster ، Ad-lib ، Gravis Ultrasound و غیره) پشتیبانی کند و امیدواریم که اکثر بازیکنان تحت پوشش قرار گیرند. امروزه، به لطف APIها^(APIs) ، همه چیز بسیار متفاوت عمل می کند.

Microsoft DirectX یک مثال عالی است. اگر توضیح عمیقی می خواهید، DirectX چیست و چرا مهم است را بررسی کنید؟ ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}با این حال، مهم ترین چیزی که باید بدانید این است که API یک راه استاندارد برای توسعه دهندگان نرم افزار ارائه می دهد تا منابع سخت افزاری را از اجزایی مانند GPU درخواست کنند. علاوه بر این، سازندگان سخت‌افزار فقط باید اطمینان حاصل کنند که محصولاتشان با DirectX مطابقت دارند تا از سازگاری کامل با هر نرم‌افزار سازگاری مشابه اطمینان حاصل کنند.

API^(APIs) ها لایه ای از ترجمه را بین برنامه های کاربردی نرم افزار و هسته سطح پایین با درایورهای سخت افزاری خود ارائه می دهند. بله، این با یک جریمه عملکرد جزئی همراه است. با این حال، در رایانه‌های مدرن، این امر ناچیز است، و دارای مزایای مختلفی است، که در نهایت به حالت کاربر و حالت هسته می‌رسیم.

حالت کاربر در مقابل حالت هسته

سیستم عامل های مدرن صدها یا هزاران «فرآیند» را به طور همزمان اجرا می کنند و به صورت پویا بر اساس اولویت ها و توان محاسباتی مورد نیاز زمان CPU را در اختیار آنها قرار می دهد.^(CPU)

هنگامی که یک برنامه کاربردی را راه اندازی می کنید، فرآیندهایی را تولید می کند و CPU می تواند آنها را در حالت کاربر یا در حالت هسته اجرا کند.

یک فرآیند ویندوز^(Windows) که در حالت کاربر اجرا می شود فقط به فضای آدرس حافظه مجازی خصوصی و جدول دسته خود دسترسی دارد. نرم افزار از این جداول برای ذخیره داده ها در رم^(RAM) و درخواست منابع استفاده می کند. هیچ دسترسی مستقیمی به حافظه یا سایر سخت افزارها وجود ندارد و این بر عهده سیستم عامل است که آن فضاهای مجازی را به سخت افزار واقعی رایانه نگاشت کند.

این به دلایل زیادی خوب است، اما مهم ترین مزیت این است که برنامه نمی تواند داده ها را خارج از فضای آدرس حافظه مجازی خود بازنویسی یا تغییر دهد. علاوه بر این، عملکردهای خاصی برای فرآیندهای حالت کاربر غیرمحدود هستند، عمدتاً آنهایی که می توانند سیستم را خراب کنند یا داده ها را از بین ببرند.

هنگامی که یک فرآیند راه اندازی می شود یا به حالت هسته ارتقا می یابد، به منابع سیستم، حتی منابع رزرو شده برای سیستم عامل، دسترسی کامل دارد. بنابراین، از نظر تئوری، می‌تواند داده‌های مهمی را که سیستم عامل برای اجرای درست به آن نیاز دارد، بازنویسی کند.

تله ها و استثناها

درک این نکته مهم است که این دو حالت در سطح سخت افزار توسط خود CPU اعمال می شوند. اگر برنامه‌ای که در حالت کاربر اجرا می‌شود سعی کند کاری را انجام دهد که به دسترسی به حالت هسته نیاز دارد، یک «تله» یا «استثنا» ایجاد می‌کند. سپس سیستم عامل با برنامه کار می کند، معمولاً با خاموش کردن آن و ایجاد یک گزارش خرابی به طوری که توسعه دهندگان بتوانند ببینند وقتی همه چیز از بین رفت چه اتفاقی در حافظه افتاده است.

خطرات^(Dangers) حالت هسته^{(Kernel Mode)} : صفحه ^(Death)آبی^{(Blue Screen)} مرگ _

اگر تا به حال با صفحه آبی^{(Blue Screen)} مرگ مواجه شده اید^(Death) (چه کسی چنین نکرده است؟) که کامپیوتر شما را مجبور به خاموش یا راه اندازی مجدد کند، به احتمال زیاد این یک فرآیند در حالت هسته مقصر بوده است.

هنگامی که یک فرآیند در حالت هسته کاری را انجام می دهد که قرار نیست، سیستم عامل نمی تواند از آن بازیابی کند و کل کامپیوتر متوقف می شود. هنگامی که یک فرآیند حالت کاربر خراب می شود، فقط برنامه از کار می افتد و بقیه نرم افزار و سیستم عامل می توانند بدون هیچ مشکلی کار کنند.

این یکی از حوزه‌هایی است که APIها^(APIs) نقش اساسی را ایفا می‌کنند، زیرا این API است که امتیازات حالت هسته را درخواست می‌کند. برنامه های کاربردی حالت کاربر اساساً درخواست هایی را که به امتیازات حالت هسته نیاز دارند به API واگذار می کنند .

به همین دلیل است که حالت هسته معمولاً فقط به فرآیندهای سیستم سطح پایینی داده می شود که نیاز به دسترسی مستقیم به سخت افزار رایانه دارند. معمولاً این امتیاز به یک فرآیند تعمیم می‌یابد زیرا به عملکرد بیشتری نسبت به حالت کاربر نیاز دارد. برخی از دستورالعمل‌های CPU فقط در حالت هسته کار می‌کنند، بنابراین اگر فرآیندی نیاز به استفاده از آن توابع داشته باشد، باید آن را افزایش دهد.

اگر با صفحه^{(Blue Screen)} آبی مرگ مشکل دارید، ^(Death)راهنمای عیب یابی صفحه آبی مرگ ویندوز 10^{(Blue Screen of Death Troubleshooting Guide for Windows 10)} را حتما بخوانید !

What Is User Mode vs Kernel Mode in Windows

You may have heard about applications running in “kernеl” or “user” mode. It’s all down to how operating systems work when they do their jobs. Once yoυ understand that, it’s easу to grasp the differеnce 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

• چگونه Dark Mode را در Windows 11 فعال کنیم

• چگونه Windows 11 را با یک حساب کاربری محلی نصب کنید

• 6 راه برای خروج از سیستم Windows 11

• چگونه شروع Windows 11 در Safe Mode (8 راه)

• 5 راه برای ایجاد و اضافه کردن یک کاربر جدید در Windows 11

• چگونه می Windows 11 Insider Preview Build حالا

• چگونه Dark Mode را در Windows 11 روشن کنید

• نحوه فعال کردن حالت Hibernate در ویندوز 11

• چگونه برای نشان دادن یا مخفی کردن اکثر برنامه های مورد استفاده در Start Menu در Windows 11

• چگونه Theme را در Microsoft Teams در Windows 11 تغییر دهید

• نحوه فعال یا غیرفعال کردن کنترل حساب کاربری در ویندوز 11

• چگونه برای جلوگیری از Windows 11 از روی کامپیوتر شما نصب شده است

• نحوه فعال کردن حالت God Mode در ویندوز 11

• چیپ ست مادربرد و که پشتیبانی از ویندوز 11 operating system

• God Mode در Windows 11 vs. Windows 10 vs. Windows 7

• Dynamic Refresh Rate feature چگونه کار می کند در Windows 11

• نحوه فعال یا غیر فعال کردن Refresh Rate پویا (DRR) در Windows 11

• چگونه برای مخفی کردن Badges در Taskbar Icons در Windows 11

• 7 راه برای قفل کردن یک کامپیوتر Windows 11

• نحوه رفع عدم کارکرد حالت خواب ویندوز 11