Bạn có thể đã nghe nói về các ứng dụng chạy ở chế độ “hạt nhân” hoặc “người dùng”. Tất cả phụ thuộc vào cách hệ điều hành hoạt động khi chúng thực hiện công việc của mình. Khi bạn hiểu điều đó, thật dễ dàng để hiểu được sự khác biệt giữa chế độ người dùng và chế độ hạt nhân.

Hiểu Hệ điều hành làm gì^(Does)

Máy tính bao gồm phần cứng, các thành phần điện tử và phần mềm, mã máy tính được thực thi bởi phần cứng đó. Nhưng điều có thể ít rõ ràng hơn là cách chúng hoạt động cùng nhau.

Yếu tố thiết yếu nhất của máy tính là bit hoặc “chữ số nhị phân. ”Mọi thứ^{(” Everything)} mà máy tính thực hiện được biểu diễn dưới dạng số một và số không. Các^(Different) thành phần máy tính khác nhau biểu diễn các bit theo những cách khác nhau. Trong một CPU , các bóng bán dẫn cực nhỏ biểu thị số 0 và số 0 bằng cách bật hoặc tắt. Các bóng bán dẫn đó được sắp xếp thành các cấu trúc logic, được gọi là cổng logic.

Trong bộ nhớ máy tính điện tử, các bit được biểu diễn bằng các ô nhớ hoặc có điện tích trên hoặc dưới một ngưỡng nhất định. Trên ổ cứng cơ học, các bit được biểu diễn dưới dạng dao động từ tính được đo trên đĩa quay. Trên đĩa quang, các hố và vùng đất có hoặc không phản xạ ánh sáng laser cũng thực hiện công việc tương tự. 

Bất kể cách biểu diễn vật lý của mã nhị phân được thực hiện như thế nào, cuối cùng bạn có thể giảm tất cả các thành phần máy tính tiêu dùng xuống mã máy thô này.

Vậy làm cách nào để bạn đi từ giao diện thân thiện với con người của máy tính sang các quy trình thô, cấp thấp trong chính máy tính? Đó là nơi hệ điều hành xuất hiện. Nó trực tiếp điều khiển phần cứng của máy tính. 

Phần mềm này dịch mọi thứ mà ứng dụng (và do đó người dùng) muốn thành các lệnh mã máy mà CPU và các thành phần khác hiểu được. Phần quan trọng nhất của phần mềm trong quá trình này là hạt nhân.

Kernel là gì?

Kernel, như tên gọi cho thấy, là cốt lõi của hệ điều hành. Kernel là phần mềm nằm trong RAM và chỉ đạo mọi thứ mà máy tính thực hiện. Khi một thứ gì đó được ghi vào bộ nhớ, thì chính hạt nhân sẽ chỉ đạo việc thực thi.

Hạt nhân biết cách giao tiếp với phần cứng như GPU^(GPUs) và card mạng, nhưng nó có thể không biết cách vận hành chúng phát huy hết khả năng của chúng, dựa vào các tiêu chuẩn chung trong ngành máy tính.

Các trình điều khiển phần cứng phát huy tác dụng ở đây. Trình điều khiển cho hệ điều hành của bạn biết cách hoạt động với các thành phần cụ thể, đó là lý do tại sao bạn cần các trình điều khiển khác nhau cho GPU Nvidia^(Nvidia) và AMD^{(AMD GPUs)} chẳng hạn.

Được trang bị đúng trình điều khiển, hạt nhân là cơ quan có thẩm quyền cuối cùng trong máy tính, bao gồm cả việc thực hiện những việc có thể phá hủy dữ liệu một cách thảm khốc.

Vai trò^(Role) của giao diện lập trình ứng dụng^{(Application Programming Interfaces)} ( API^(APIs) )

Vào thời của MS-DOS , các nhà phát triển phần mềm phải viết phần mềm của họ đặc biệt cho phần cứng của người dùng. Ví dụ nổi tiếng nhất về điều này trên hệ thống MS-DOS là trình điều khiển card âm thanh.

Một trò chơi điện tử nhất định sẽ phải hỗ trợ các thẻ phổ biến nhất ( Sound Blaster , Ad-lib , Gravis Ultrasound , v.v.) và hy vọng rằng hầu hết người chơi đều được hỗ trợ. Ngày nay, mọi thứ hoạt động rất khác, nhờ vào các API^(APIs) .

Microsoft DirectX là một ví dụ tuyệt vời. Nếu bạn muốn được giải thích chuyên sâu, hãy xem DirectX là gì và tại sao nó lại quan trọng? ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}Tuy nhiên, điều quan trọng nhất cần biết là API cung cấp một cách tiêu chuẩn để các nhà phát triển phần mềm yêu cầu tài nguyên phần cứng từ các thành phần như GPU . Ngoài ra, các nhà sản xuất phần cứng chỉ phải đảm bảo rằng sản phẩm của họ tuân thủ DirectX để đảm bảo khả năng tương thích hoàn toàn với bất kỳ phần mềm tương tự nào tương tự.

Các API^(APIs) cung cấp một lớp dịch giữa các ứng dụng phần mềm và nhân cấp thấp với các trình điều khiển phần cứng của nó. Có, điều này đi kèm với một hình phạt hiệu suất nhẹ. Tuy nhiên, trên các máy tính hiện đại, điều này là không đáng kể, và nó đi kèm với nhiều ưu điểm khác nhau, đó là nơi cuối cùng chúng ta đến với chế độ người dùng và chế độ hạt nhân.

Chế độ người dùng so với Chế độ hạt nhân

Các hệ điều hành hiện đại chạy đồng thời hàng trăm hoặc hàng nghìn “quy trình”, tự động cung cấp cho chúng thời gian CPU khi cần thiết dựa trên mức độ ưu tiên và yêu cầu năng lượng tính toán của chúng.

Khi bạn khởi chạy một ứng dụng, nó sẽ tạo ra các quy trình và CPU có thể thực thi chúng ở chế độ người dùng hoặc chế độ hạt nhân.

Tiến trình Windows chạy ở chế độ người dùng chỉ có quyền truy cập vào không gian địa chỉ bộ nhớ ảo riêng tư và bảng xử lý. Phần mềm sử dụng các bảng này để lưu trữ dữ liệu trong RAM và yêu cầu tài nguyên. Không có quyền truy cập trực tiếp vào bộ nhớ hoặc phần cứng khác và tùy thuộc vào hệ điều hành để ánh xạ những không gian ảo đó với phần cứng thực của máy tính.

Điều này là tốt vì nhiều lý do, nhưng lợi ích quan trọng nhất là ứng dụng không thể ghi đè hoặc thay đổi dữ liệu bên ngoài không gian địa chỉ bộ nhớ ảo của nó. Ngoài ra, một số chức năng bị giới hạn đối với các quy trình ở chế độ người dùng, chủ yếu là những chức năng có thể làm hỏng hệ thống hoặc phá hủy dữ liệu.

Khi một tiến trình khởi chạy hoặc được nâng lên chế độ hạt nhân, nó có toàn quyền truy cập vào các tài nguyên hệ thống, ngay cả những tài nguyên dành riêng cho hệ điều hành. Vì vậy, về lý thuyết, nó có thể ghi đè lên dữ liệu quan trọng mà hệ điều hành cần để chạy đúng cách.

Bẫy và Ngoại lệ

Điều quan trọng là phải hiểu rằng hai chế độ này được thực thi ở cấp phần cứng bởi chính CPU . Nếu một ứng dụng đang chạy ở chế độ người dùng cố gắng thực hiện một điều gì đó yêu cầu quyền truy cập chế độ hạt nhân, nó sẽ tạo ra một “cái bẫy” hoặc “ngoại lệ”. Sau đó, hệ điều hành sẽ xử lý ứng dụng, thường bằng cách tắt ứng dụng và tạo nhật ký sự cố để các nhà phát triển có thể xem những gì đã xảy ra trong bộ nhớ khi mọi thứ đi sai hướng.

Mối nguy hiểm^(Dangers) của chế độ hạt nhân^{(Kernel Mode)} : Màn hình xanh ^{(Blue Screen)}chết chóc^(Death)

Nếu bạn đã từng trải qua Màn hình xanh^{(Blue Screen)} chết chóc^(Death) (ai chưa?) Buộc máy tính của bạn phải tắt hoặc khởi động lại, thì rất có thể đó là lỗi của quá trình chế độ hạt nhân.

Khi một tiến trình ở chế độ hạt nhân thực hiện một điều gì đó mà nó không được yêu cầu, hệ điều hành không thể khôi phục từ đó và toàn bộ máy tính sẽ tạm dừng. Khi quy trình ở chế độ người dùng hoạt động tốt, chỉ có ứng dụng bị treo và phần còn lại của phần mềm và hệ điều hành có thể tiếp tục mà không gặp bất kỳ sự cố nào.

Đây là một lĩnh vực mà các API^(APIs) đóng một vai trò thiết yếu vì đó là API yêu cầu các đặc quyền của chế độ hạt nhân. Các ứng dụng chế độ người dùng về cơ bản ủy quyền các yêu cầu sẽ yêu cầu đặc quyền chế độ hạt nhân cho API .

Đây là lý do tại sao chế độ hạt nhân thường chỉ được cấp cho các quy trình hệ thống cấp thấp cần truy cập trực tiếp vào phần cứng của máy tính. Thông thường, đặc quyền này được mở rộng cho một quy trình vì nó cần nhiều hiệu suất hơn chế độ người dùng có thể cung cấp. Một số lệnh CPU chỉ hoạt động trong chế độ hạt nhân, vì vậy nếu một tiến trình cần sử dụng các chức năng đó, nó phải được nâng lên.

Nếu bạn đang gặp sự cố với Màn hình xanh^{(Blue Screen)} chết chóc^(Death) , hãy nhớ đọc Hướng dẫn khắc phục sự cố Màn hình xanh chết chóc dành cho Windows 10^{(Blue Screen of Death Troubleshooting Guide for Windows 10)} của chúng tôi !

What Is User Mode vs Kernel Mode in Windows

You may have heard about applicationѕ 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 graѕp 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

• Cách bật Dark Mode trong Windows 11

• Cách cài đặt Windows 11 bằng tài khoản cục bộ

• 6 cách để đăng xuất Windows 11

• Cách khởi động Windows 11 trong Mode an toàn (8 cách)

• 5 cách tạo và thêm người dùng mới trong Windows 11

• Show or Hide Icons Trong Taskbar Corner Overflow area trên Windows 11

• Làm thế nào để Dynamic Refresh Rate feature làm việc trong Windows 11

• Làm thế nào để đăng xuất email account trong Mail app trong Windows 11

• Cách mở Windows Tools bằng Windows 11

• Cách thay đổi Theme trong Microsoft Teams trên Windows 11

• PC này không thể chạy Windows 11 - Khắc phục sự cố!

• Làm thế nào để điều chỉnh Webcam Brightness trong Windows 11

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

• Làm thế nào để bật Dark Mode trong Windows 11

• Cách bật Chế độ Chúa trong Windows 11

• Sửa lỗi PC phải hỗ trợ lỗi TPM 2.0 trong khi cài đặt Windows 11

• Cách bật hoặc tắt Snap Layouts trên Windows 11

• 7 cách để khóa PC Windows 11

• 5 cách đăng nhập vào Windows 11 -

• Làm thế nào để kích hoạt hoặc vô hiệu hóa động Refresh Rate (DRR) trong Windows 11