Potresti aver sentito parlare di applicazioni in esecuzione in modalità "kernel" o "utente". Dipende tutto da come funzionano i sistemi operativi quando svolgono il loro lavoro. Una volta compreso questo, è facile capire la differenza tra la modalità utente e la modalità kernel.

Capire cosa fa un sistema operativo^(Does)

Un computer è costituito da hardware, componenti elettronici e software, il codice del computer eseguito da quell'hardware. Ma ciò che potrebbe essere meno chiaro è come lavorano insieme.

L'elemento più essenziale di un computer è il bit o “cifra binaria. Tutto ciò^{(” Everything)} che fa un computer è rappresentato come uno e zero. Diversi^(Different) componenti del computer rappresentano i bit in modi diversi. In una CPU , transistor microscopici rappresentano uno e zero essendo accesi o spenti. Questi transistor sono organizzati in strutture logiche, chiamate porte logiche.

Nella memoria dei computer elettronici, i bit sono rappresentati da celle di memoria con una carica superiore o inferiore a una certa soglia. Su un disco rigido meccanico, i bit sono rappresentati come fluttuazioni magnetiche misurate su un piatto rotante. Sui dischi ottici, le fosse e le terre che riflettono o meno la luce laser svolgono lo stesso lavoro. 

Indipendentemente da come viene ottenuta la rappresentazione fisica del codice binario, alla fine è possibile ridurre tutti i componenti del computer di consumo a questo codice macchina grezzo.

Quindi, come si passa dall'interfaccia umana di un computer ai processi grezzi e di basso livello nel computer stesso? È qui che entra in gioco il sistema operativo. Controlla direttamente l'hardware del computer. 

Questo software traduce tutto ciò che le applicazioni (e quindi l'utente) desiderano nelle istruzioni del codice macchina che la CPU e gli altri componenti comprendono. Il software più critico in questo processo è il kernel.

Qual è il kernel?

Il kernel è, come suggerisce il nome, il cuore del sistema operativo. Il kernel è un software che risiede nella RAM e dirige tutto ciò che fa il computer. Quando qualcosa viene scritto in memoria, è il kernel che dirige l'esecuzione.

Il kernel sa come interfacciarsi con hardware come GPU^(GPUs) e schede di rete, ma potrebbe non sapere come farle funzionare al massimo delle loro potenzialità, basandosi su standard generici nell'industria dei computer.

I driver hardware entrano in gioco qui. I driver indicano al tuo sistema operativo come lavorare con componenti specifici, motivo per cui hai bisogno di driver diversi per GPU Nvidia e AMD^{(AMD GPUs)} , ad esempio.

Dotato dei driver giusti, il kernel è l'autorità suprema all'interno del computer, incluso fare cose che possono distruggere i dati in modo catastrofico.

Il ruolo^(Role) delle interfacce di programmazione^{(Application Programming Interfaces)} delle applicazioni ( API^(APIs) )

Ai tempi di MS-DOS , gli sviluppatori di software dovevano scrivere il loro software specificamente per l'hardware dell'utente. L'esempio più noto di ciò sui sistemi MS-DOS^(MS-DOS) erano i driver della scheda audio.

Un determinato videogioco dovrebbe supportare le schede più popolari ( Sound Blaster , Ad-lib , Gravis Ultrasound , ecc.) e sperare che la maggior parte dei giocatori sia coperta. Oggi le cose funzionano in modo molto diverso, grazie alle API^(APIs) .

Microsoft DirectX è un ottimo esempio. Se desideri una spiegazione approfondita, dai un'occhiata a Cos'è DirectX e Perché è importante? ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}Tuttavia, la cosa più importante da sapere è che l' API offre un modo standard per gli sviluppatori di software per richiedere risorse hardware da componenti come la GPU . Inoltre, i produttori di hardware devono solo assicurarsi che i loro prodotti siano conformi a DirectX per garantire la piena compatibilità con qualsiasi software altrettanto conforme.

Le API^(APIs) offrono un livello di traduzione tra le applicazioni software e il kernel di basso livello con i suoi driver hardware. Sì, questo comporta una leggera penalizzazione delle prestazioni. Tuttavia, sui computer moderni, questo è trascurabile e presenta una serie di vantaggi, ed è qui che arriviamo finalmente alla modalità utente e alla modalità kernel.

Modalità utente e modalità kernel

I moderni sistemi operativi eseguono centinaia o migliaia di "processi" contemporaneamente, fornendo loro in modo dinamico il tempo della CPU^(CPU) in base alle loro priorità e ai requisiti di potenza di calcolo.

Quando si avvia un'applicazione, vengono generati processi e la CPU può eseguirli sia in modalità utente che in modalità kernel.

Un processo Windows in esecuzione in modalità utente ha accesso solo al proprio spazio di indirizzi di memoria virtuale privata e alla propria tabella di handle. Il software utilizza queste tabelle per memorizzare i dati nella RAM e richiedere risorse. Non c'è accesso diretto alla memoria o ad altro hardware e spetta al sistema operativo mappare quegli spazi virtuali all'hardware effettivo del computer.

Questo è positivo per molte ragioni, ma il vantaggio più cruciale è che l'applicazione non può sovrascrivere o alterare i dati al di fuori del suo spazio di indirizzi di memoria virtuale. Inoltre, alcune funzioni sono off-limits per i processi in modalità utente, principalmente quelli che potrebbero mandare in crash il sistema o distruggere i dati.

Quando un processo viene avviato o elevato alla modalità kernel, ha pieno accesso alle risorse di sistema, anche quelle riservate al sistema operativo. Quindi, in teoria, potrebbe sovrascrivere i dati cruciali di cui il sistema operativo ha bisogno per funzionare correttamente.

Trappole ed eccezioni

È importante capire che queste due modalità sono applicate a livello hardware dalla CPU stessa. Se un'applicazione in esecuzione in modalità utente tenta di fare qualcosa che richiede l'accesso in modalità kernel, genera una "trappola" o "eccezione". Il sistema operativo si occuperà quindi dell'applicazione, di solito spegnendola e generando un registro degli arresti anomali in modo che gli sviluppatori possano vedere cosa è successo in memoria quando le cose sono andate fuori dai binari.

I pericoli^(Dangers) della modalità kernel^{(Kernel Mode)} : la schermata blu^{(Blue Screen)} della morte^(Death)

Se hai mai riscontrato una schermata blu^{(Blue Screen)} della morte^(Death) (chi non l'ha fatto?) che ha costretto il tuo computer a spegnersi o riavviarsi, ci sono buone probabilità che sia colpa di un processo in modalità kernel.

Quando un processo in modalità kernel fa qualcosa che non dovrebbe, il sistema operativo non può ripristinarsi e l'intero computer si arresta. Quando un processo in modalità utente va in tilt, solo l'applicazione si arresta in modo anomalo e il resto del software e del sistema operativo può continuare senza problemi.

Questa è un'area in cui le API^(APIs) svolgono un ruolo essenziale poiché è l' API che richiede privilegi in modalità kernel. Le applicazioni in modalità utente delegano essenzialmente le richieste che avrebbero richiesto privilegi in modalità kernel all'API^(API) .

Questo è il motivo per cui la modalità kernel è solitamente concessa solo ai processi di sistema di basso livello che devono accedere direttamente all'hardware del computer. Di solito, questo privilegio viene esteso a un processo perché richiede più prestazioni di quelle che la modalità utente può fornire. Alcune istruzioni della CPU^(CPU) funzionano solo in modalità kernel, quindi se un processo ha bisogno di usare quelle funzioni, deve essere elevato.

Se hai problemi con la schermata blu^{(Blue Screen)} della morte^(Death) , assicurati di leggere la nostra Guida alla risoluzione dei problemi della schermata blu della morte per 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 applicatіons running in “kernel” or “user” mode. It’s all down to how operating sуstems work when they do their jobs. Once yоu 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!

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