ربما سمعت عن التطبيقات التي تعمل في وضع "kernel" أو "المستخدم". يعود الأمر برمته إلى كيفية عمل أنظمة التشغيل عندما يؤدون وظائفهم. بمجرد أن تفهم ذلك ، من السهل فهم الفرق بين وضع المستخدم ووضع النواة.

فهم ما يفعله نظام التشغيل^(Does)

يتكون الكمبيوتر من الأجهزة والمكونات الإلكترونية والبرامج ورمز الكمبيوتر الذي يتم تنفيذه بواسطة هذا الجهاز. ولكن ما قد يكون أقل وضوحًا هو كيفية عملهم معًا.

العنصر الأكثر أهمية في الكمبيوتر هو البت أو "الرقم الثنائي. "^{(” Everything)} يتم تمثيل كل ما يفعله الكمبيوتر في صورة آحاد وأصفار. تمثل مكونات الكمبيوتر المختلفة^(Different) البتات بطرق مختلفة. في وحدة المعالجة المركزية ( CPU ) ، تمثل الترانزستورات المجهرية الآحاد والأصفار إما عن طريق التشغيل أو الإيقاف. يتم ترتيب تلك الترانزستورات في هياكل منطقية تسمى بوابات منطقية.

في ذاكرة الكمبيوتر الإلكترونية ، يتم تمثيل وحدات البت بواسطة خلايا ذاكرة إما ذات شحنة أعلى أو أقل من عتبة معينة. على القرص الصلب الميكانيكي ، يتم تمثيل البتات كتقلبات مغناطيسية يتم قياسها على طبق دوار. على الأقراص الضوئية ، تؤدي الحفر والأراضي التي تعكس ضوء الليزر أو لا تعكسه نفس المهمة. 

بغض النظر عن كيفية تحقيق التمثيل المادي للشفرة الثنائية ، يمكنك في النهاية تقليل جميع مكونات الكمبيوتر للمستهلك إلى رمز الجهاز الخام هذا.

إذن ، كيف يمكنك الانتقال من واجهة الكمبيوتر الصديقة للإنسان إلى العمليات الأولية منخفضة المستوى في الكمبيوتر نفسه؟ وهنا يأتي دور نظام التشغيل. فهو يتحكم مباشرة في أجهزة الكمبيوتر. 

يترجم هذا البرنامج كل شيء تريده التطبيقات (وبالتالي المستخدم) إلى تعليمات رمز الجهاز التي تفهمها وحدة المعالجة المركزية^(CPU) والمكونات الأخرى. تعتبر النواة أهم جزء من البرامج في هذه العملية.

ما هي النواة؟

النواة ، كما يوحي الاسم ، هي جوهر نظام التشغيل. النواة هي برنامج موجود في ذاكرة الوصول العشوائي ( RAM ) ويوجه كل ما يفعله الكمبيوتر. عندما يتم كتابة شيء ما في الذاكرة ، فإن النواة هي التي توجه التنفيذ.

تعرف النواة كيفية التفاعل مع الأجهزة مثل وحدات معالجة الرسومات^(GPUs) وبطاقات الشبكة ، ولكنها قد لا تعرف كيفية تشغيلها بكامل إمكاناتها ، بالاعتماد على المعايير العامة في صناعة الكمبيوتر.

يتم تشغيل برامج تشغيل الأجهزة هنا. تخبر برامج التشغيل نظام التشغيل الخاص بك بكيفية العمل مع مكونات محددة ، ولهذا السبب تحتاج إلى برامج تشغيل مختلفة لوحدات معالجة الرسومات Nvidia و AMD^{(AMD GPUs)} ، على سبيل المثال.

نظرًا لتزويده بالمحركات الصحيحة ، فإن النواة هي السلطة النهائية داخل الكمبيوتر ، بما في ذلك القيام بأشياء يمكن أن تدمر البيانات بشكل كارثي.

دور واجهات ^(Role)برمجة^{(Application Programming Interfaces)} التطبيقات ( APIs )

في أيام MS-DOS ، كان على مطوري البرامج كتابة برامجهم خصيصًا لأجهزة المستخدم. كان المثال الأكثر شهرة على أنظمة MS-DOS هو برامج تشغيل بطاقة الصوت.

يجب أن تدعم لعبة فيديو معينة البطاقات الأكثر شيوعًا ( Sound Blaster و Ad-lib و Gravis Ultrasound وما إلى ذلك) ونأمل أن تتم تغطية معظم اللاعبين. اليوم ، تعمل الأشياء بشكل مختلف تمامًا ، بفضل واجهات برمجة التطبيقات^(APIs) .

يعد Microsoft DirectX^{(Microsoft DirectX)} مثالاً رائعًا. إذا كنت تريد شرحًا تفصيليًا ، فراجع ما المقصود بـ DirectX ولماذا هو مهم؟ ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}ومع ذلك ، فإن أهم شيء يجب معرفته هو أن واجهة برمجة التطبيقات^(API) توفر طريقة قياسية لمطوري البرامج لطلب موارد الأجهزة من مكونات مثل وحدة معالجة الرسومات^(GPU) . بالإضافة إلى ذلك ، يجب على صانعي الأجهزة التأكد فقط من أن منتجاتهم تتوافق مع DirectX لضمان التوافق الكامل مع أي برنامج متوافق بالمثل.

تقدم واجهات برمجة التطبيقات^(APIs) طبقة من الترجمة بين تطبيقات البرامج والنواة منخفضة المستوى مع برامج تشغيل الأجهزة الخاصة بها. نعم ، هذا يأتي مع عقوبة أداء بسيطة. ومع ذلك ، على أجهزة الكمبيوتر الحديثة ، هذا لا يكاد يذكر ، ويأتي مع مجموعة متنوعة من المزايا ، حيث وصلنا أخيرًا إلى وضع المستخدم ووضع النواة.

وضع المستخدم مقابل وضع Kernel

تعمل أنظمة التشغيل الحديثة على تشغيل مئات أو آلاف "العمليات" في وقت واحد ، مما يمنحها ديناميكيًا وقت وحدة المعالجة المركزية^(CPU) حسب الحاجة بناءً على أولوياتها ومتطلبات طاقة الحساب.

عند تشغيل أحد التطبيقات ، فإنه يولد عمليات ، ويمكن لوحدة المعالجة المركزية^(CPU) تنفيذها إما في وضع المستخدم أو وضع النواة.

عملية Windows التي يتم تشغيلها في وضع المستخدم لها فقط حق الوصول إلى مساحة عنوان الذاكرة الظاهرية الخاصة الخاصة بها وجدول المقبض. يستخدم البرنامج هذه الجداول لتخزين البيانات في ذاكرة الوصول العشوائي^(RAM) وطلب الموارد. لا يوجد وصول مباشر إلى الذاكرة أو الأجهزة الأخرى ، والأمر متروك لنظام التشغيل لتعيين تلك المساحات الافتراضية إلى الأجهزة الفعلية للكمبيوتر.

يعد هذا أمرًا جيدًا لعدة أسباب ، ولكن الميزة الأكثر أهمية هي أن التطبيق لا يمكنه الكتابة فوق البيانات أو تغييرها خارج مساحة عنوان الذاكرة الظاهرية الخاصة به. بالإضافة إلى ذلك ، هناك وظائف معينة محظورة على عمليات وضع المستخدم ، خاصة تلك التي يمكن أن تعطل النظام أو تدمر البيانات.

عند بدء تشغيل عملية أو رفعها إلى وضع kernel ، فإنها تتمتع بوصول كامل إلى موارد النظام ، حتى تلك المخصصة لنظام التشغيل. لذلك ، من الناحية النظرية ، يمكن أن تستبدل البيانات المهمة التي يحتاجها نظام التشغيل ليعمل بشكل صحيح.

الفخاخ والاستثناءات

من المهم أن نفهم أن هذين الوضعين يتم فرضهما على مستوى الأجهزة بواسطة وحدة المعالجة المركزية^(CPU) نفسها. إذا حاول أحد التطبيقات التي يتم تشغيلها في وضع المستخدم القيام بشيء يتطلب الوصول إلى وضع kernel ، فإنه يقوم بإنشاء "تعويض" أو "استثناء". سيتعامل نظام التشغيل بعد ذلك مع التطبيق ، عادةً عن طريق إيقاف تشغيله وإنشاء سجل تعطل حتى يتمكن المطورون من رؤية ما حدث في الذاكرة عندما خرجت الأشياء عن المسار.

مخاطر^(Dangers) وضع النواة^{(Kernel Mode)} : شاشة^{(Blue Screen)} الموت الزرقاء^(Death) _

إذا سبق لك تجربة Blue Screen of Death (من لم يفعل ذلك؟) والتي أجبرت جهاز الكمبيوتر الخاص بك على إيقاف التشغيل أو إعادة التشغيل ، فهناك فرصة جيدة لإلقاء اللوم على عملية وضع kernel.

عندما تقوم عملية في وضع kernel بشيء ليس من المفترض أن تفعله ، لا يمكن لنظام التشغيل التعافي منه ، ويتوقف الكمبيوتر بأكمله. عندما تتعطل عملية وضع المستخدم ، يتعطل التطبيق فقط ، ويمكن أن يستمر باقي البرنامج ونظام التشغيل دون أي مشاكل.

هذا هو أحد المجالات التي تلعب فيها واجهات برمجة التطبيقات^(APIs) دورًا أساسيًا لأنها واجهة برمجة التطبيقات^(API) التي تطلب امتيازات وضع kernel. تقوم تطبيقات وضع المستخدم بشكل أساسي بتفويض الطلبات التي تتطلب امتيازات وضع kernel إلى API .

هذا هو السبب في أن kernel-mode يُمنح عادةً فقط لعمليات النظام منخفضة المستوى التي تحتاج إلى الوصول إلى أجهزة الكمبيوتر مباشرةً. عادة ، يتم تمديد هذا الامتياز إلى عملية لأنها تحتاج إلى أداء أكثر مما يمكن أن يوفره وضع المستخدم. تعمل بعض تعليمات وحدة المعالجة المركزية^(CPU) فقط في وضع kernel ، لذلك إذا احتاجت العملية إلى استخدام هذه الوظائف ، فيجب رفعها.

إذا كنت تواجه مشكلة مع Blue Screen of Death ، فتأكد من قراءة دليل Blue Screen of Death لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها لنظام التشغيل Windows 10^{(Blue Screen of Death Troubleshooting Guide for Windows 10)} !

What Is User Mode vs Kernel Mode in Windows

You may have heard aboυt applications running in “kernel” or “user” mоde. It’s all down to how operating systеms work when they do their jobs. Once you understand that, it’ѕ easy to grasp the difference between user mоde 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

• كيفية تمكين Dark Mode في Windows 11

• كيفية تثبيت Windows 11 مع حساب المحلي

• 6 طرق لتسجيل الخروج من Windows 11

• كيفية بدء تشغيل Windows 11 في آمنة Mode (8 طرق)

• 5 طرق لإنشاء وإضافة مستخدم جديد في Windows 11

• إصلاح وPC يجب أن يدعم TPM 2.0 خطأ أثناء تثبيت Windows 11

• كيفية تمكين أو تعطيل Dynamic Refresh Rate (DRR) في Windows 11

• كيفية تمكين أو تعطيل التحكم في حساب المستخدم في Windows 11

• كيفية التبديل إلى حساب محلي Windows 11 من Microsoft one

• لا يمكن لهذا الكمبيوتر تشغيل Windows 11 - إصلاحه!

• ويندوز 11 لBusiness and Enterprise - New الميزات

• كيفية تعيين خلفية مختلفة على أجهزة كمبيوتر سطح المكتب المختلفة على Windows 11

• كيفية تحديد أي تطبيق إلى Taskbar في Windows 11

• كيفية مواجهة فتح Windows 11 مع Windows Hello

• كيفية إصلاح Windows 11 Sleep Mode لا يعمل

• كيفية تغيير Administrator على Windows 11: 5 طرق

• لا يمكن تبديل Windows Insider Channel على Windows 11 - dev أو beta

• كيفية تشغيل Dark Mode في Windows 11

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

• 7 طرق للتبديل بين المستخدم في Windows 11 -