คุณอาจเคยได้ยินเกี่ยวกับแอปพลิเคชันที่ทำงานในโหมด "เคอร์เนล" หรือ "ผู้ใช้" ทั้งหมดอยู่ที่ระบบปฏิบัติการทำงานอย่างไรเมื่อพวกเขาทำงาน เมื่อคุณเข้าใจแล้ว จะเป็นเรื่องง่ายที่จะเข้าใจความแตกต่างระหว่างโหมดผู้ใช้และโหมดเคอร์เนล

ทำความเข้าใจว่าระบบปฏิบัติการทำอะไรได้บ้าง^(Does)

คอมพิวเตอร์ประกอบด้วยฮาร์ดแวร์ ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ และซอฟต์แวร์ รหัสคอมพิวเตอร์ที่ดำเนินการโดยฮาร์ดแวร์นั้น แต่สิ่งที่อาจไม่ชัดเจนคือการทำงานร่วมกันอย่างไร

องค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของคอมพิวเตอร์คือบิตหรือ "เลขฐานสอง" ทุกสิ่ง^{(” Everything)}ที่คอมพิวเตอร์ทำจะถูกแสดงเป็นหนึ่งและศูนย์ ส่วนประกอบคอมพิวเตอร์ที่ แตกต่างกัน^(Different)แสดงถึงบิตในรูปแบบต่างๆ ในซีพียู^(CPU)ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กจะแทนค่าหนึ่งและศูนย์โดยการเปิดหรือปิด ทรานซิสเตอร์เหล่านี้ถูกจัดเรียงเป็นโครงสร้างเชิงตรรกะ เรียกว่าลอจิกเกท

ในหน่วยความจำอิเล็กทรอนิกส์ของคอมพิวเตอร์ บิตจะแสดงโดยเซลล์หน่วยความจำที่มีประจุสูงหรือต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด บนฮาร์ดไดรฟ์แบบกลไก บิตจะแสดงเป็นความผันผวนของแม่เหล็กที่วัดบนจานหมุน สำหรับออปติคัลดิสก์ หลุมและดินแดนที่ทำหรือไม่สะท้อนแสงเลเซอร์จะทำงานแบบเดียวกัน 

ไม่ว่ารูปแบบทางกายภาพของรหัสไบนารีจะสำเร็จด้วยวิธีใด ในที่สุด คุณก็สามารถลดส่วนประกอบคอมพิวเตอร์ของผู้บริโภคทั้งหมดลงเหลือเพียงรหัสเครื่องดิบนี้

ดังนั้นคุณจะเปลี่ยนจากอินเทอร์เฟซที่เป็นมิตรกับมนุษย์ของคอมพิวเตอร์ไปเป็นกระบวนการระดับต่ำในคอมพิวเตอร์ได้อย่างไร นั่นคือที่มาของระบบปฏิบัติการ ซึ่งควบคุมฮาร์ดแวร์ของคอมพิวเตอร์โดยตรง 

ซอฟต์แวร์นี้แปลทุกอย่างที่แอปพลิเคชัน (และผู้ใช้) ต้องการเป็นคำสั่งรหัสเครื่องที่CPUและส่วนประกอบอื่นๆ เข้าใจ ซอฟต์แวร์ที่สำคัญที่สุดในกระบวนการนี้คือเคอร์เนล

เคอร์เนลคืออะไร?

เคอร์เนลเป็นแกนหลักของระบบปฏิบัติการตามชื่อของมัน เคอร์เนลคือซอฟต์แวร์ที่อยู่ในRAMและควบคุมทุกอย่างที่คอมพิวเตอร์ทำ เมื่อบางสิ่งถูกเขียนลงในหน่วยความจำ จะเป็นเคอร์เนลที่ชี้นำการดำเนินการ

เคอร์เนลรู้วิธีเชื่อมต่อกับฮาร์ดแวร์ เช่นGPU^(GPUs)และการ์ดเครือข่าย แต่อาจไม่ทราบวิธีใช้งานอุปกรณ์เหล่านี้อย่างเต็มศักยภาพ โดยอาศัยมาตรฐานทั่วไปในอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์

ไดรเวอร์ฮาร์ดแวร์เข้ามาเล่นที่นี่ ไดรเวอร์จะบอกระบบปฏิบัติการของคุณถึงวิธีการทำงานกับส่วนประกอบเฉพาะ ซึ่งเป็นสาเหตุที่คุณต้องการไดรเวอร์ที่แตกต่างกันสำหรับGPU Nvidia^(Nvidia)และAMD^{(AMD GPUs)}เป็นต้น

พร้อมกับไดรเวอร์ที่เหมาะสม เคอร์เนลเป็นอำนาจสูงสุดภายในคอมพิวเตอร์ รวมถึงการทำสิ่งที่สามารถทำลายข้อมูลอย่างร้ายแรง

บทบาท^(Role)ของApplication Programming^{(Application Programming Interfaces)} Interfaces ( API^(APIs) )

ในสมัยของMS-DOSนักพัฒนาซอฟต์แวร์ต้องเขียนซอฟต์แวร์ของตนสำหรับฮาร์ดแวร์ของผู้ใช้โดยเฉพาะ ตัวอย่างที่โด่งดังที่สุดของสิ่งนี้บน ระบบ MS-DOSคือไดรเวอร์การ์ดเสียง

วิดีโอเกมที่กำหนดจะต้องรองรับการ์ดยอดนิยม ( Sound Blaster , Ad-lib , Gravis Ultrasoundเป็นต้น) และหวังว่าผู้เล่นส่วนใหญ่จะได้รับการคุ้มครอง ทุกวันนี้ สิ่งต่างๆ ทำงานต่างไปจากเดิมมาก ต้องขอบคุณAPIs

Microsoft DirectXเป็นตัวอย่างที่ดี หากคุณต้องการคำอธิบายเชิงลึก โปรดดูที่ DirectX คืออะไรและเหตุใดจึงสำคัญ ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}อย่างไรก็ตาม สิ่งที่สำคัญที่สุดที่ควรทราบคือAPIนำเสนอวิธีมาตรฐานสำหรับนักพัฒนาซอฟต์แวร์ในการขอทรัพยากรฮาร์ดแวร์จากส่วนประกอบต่างๆเช่นGPU นอกจากนี้ ผู้ผลิตฮาร์ดแวร์ต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์ของตนสอดคล้องกับDirectX เท่านั้น เพื่อให้แน่ใจว่าสามารถใช้งานร่วมกับซอฟต์แวร์ที่เป็นไปตามข้อกำหนดเดียวกันได้อย่างสมบูรณ์

API^(APIs)นำเสนอเลเยอร์การแปลระหว่างแอปพลิเคชันซอฟต์แวร์และเคอร์เนลระดับต่ำพร้อมไดรเวอร์ฮาร์ดแวร์ ใช่ สิ่งนี้มาพร้อมกับบทลงโทษด้านประสิทธิภาพเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ สิ่งเหล่านี้มีเพียงเล็กน้อย และมาพร้อมกับข้อดีมากมาย ซึ่งในที่สุดเราก็มาถึงโหมดผู้ใช้และโหมดเคอร์เนล

โหมดผู้ใช้เทียบกับโหมดเคอร์เนล

ระบบปฏิบัติการสมัยใหม่เรียกใช้ "กระบวนการ" หลายแสนรายการพร้อมกัน โดยให้ เวลา CPU แบบไดนามิก ตามความจำเป็นตามลำดับความสำคัญและความต้องการพลังงานในการคำนวณ

เมื่อคุณเปิดแอปพลิเคชัน โปรแกรมจะสร้างกระบวนการ และCPUสามารถดำเนินการได้ในโหมดผู้ใช้หรือโหมดเคอร์เนล

กระบวนการ Windows^(Windows)ที่ทำงานในโหมดผู้ใช้จะสามารถเข้าถึงพื้นที่ที่อยู่หน่วยความจำเสมือนส่วนตัวและตารางจัดการเท่านั้น ซอฟต์แวร์ใช้ตารางเหล่านี้เพื่อเก็บข้อมูลในRAMและขอทรัพยากร ไม่มีการเข้าถึงหน่วยความจำหรือฮาร์ดแวร์อื่นๆ โดยตรง และขึ้นอยู่กับระบบปฏิบัติการที่จะจับคู่พื้นที่เสมือนเหล่านั้นกับฮาร์ดแวร์จริงของคอมพิวเตอร์

ซึ่งเป็นสิ่งที่ดีด้วยเหตุผลหลายประการ แต่ประโยชน์ที่สำคัญที่สุดก็คือ แอปพลิเคชันไม่สามารถเขียนทับหรือแก้ไขข้อมูลนอกพื้นที่ที่อยู่หน่วยความจำเสมือนได้ นอกจากนี้ ฟังก์ชันบางอย่างไม่ได้จำกัดไว้สำหรับกระบวนการในโหมดผู้ใช้ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นฟังก์ชันที่อาจทำให้ระบบขัดข้องหรือทำลายข้อมูล

เมื่อกระบวนการเริ่มต้นหรือถูกยกระดับเป็นโหมดเคอร์เนล กระบวนการจะสามารถเข้าถึงทรัพยากรระบบได้อย่างเต็มที่ แม้กระทั่งทรัพยากรที่สงวนไว้สำหรับระบบปฏิบัติการ ตามทฤษฎีแล้ว มันสามารถเขียนทับข้อมูลสำคัญที่ระบบปฏิบัติการจำเป็นต้องทำงานอย่างถูกต้อง

กับดักและข้อยกเว้น

สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าโหมดทั้งสองนี้บังคับใช้ที่ระดับฮาร์ดแวร์โดยตัวCPU หากแอปพลิเคชันที่ทำงานในโหมดผู้ใช้พยายามทำบางสิ่งที่ต้องมีการเข้าถึงโหมดเคอร์เนล แอปพลิเคชันจะสร้าง "กับดัก" หรือ "ข้อยกเว้น" ระบบปฏิบัติการจะจัดการกับแอปพลิเคชัน โดยปกติแล้วจะปิดตัวลงและสร้างบันทึกการขัดข้อง เพื่อให้นักพัฒนาสามารถเห็นสิ่งที่เกิดขึ้นในหน่วยความจำเมื่อสิ่งต่างๆ หลุดออกจากราง

อันตราย^(Dangers)ของโหมดเคอร์เนล^{(Kernel Mode)} : หน้าจอสีน้ำเงิน^{(Blue Screen)}แห่งความตาย^(Death)

หากคุณเคยประสบกับหน้าจอสีน้ำเงิน^{(Blue Screen)}มรณะ ( ใคร^(Death)ยังไม่เคย) ที่บังคับให้คอมพิวเตอร์ของคุณปิดหรือรีสตาร์ท มีโอกาสดีที่กระบวนการในโหมดเคอร์เนลจะถูกตำหนิ

เมื่อกระบวนการในโหมดเคอร์เนลทำสิ่งที่ไม่ควรทำ ระบบปฏิบัติการจะไม่สามารถกู้คืนได้ และคอมพิวเตอร์ทั้งเครื่องจะหยุดทำงาน เมื่อกระบวนการในโหมดผู้ใช้ยุ่งเหยิง มีเพียงแอปพลิเคชันเท่านั้นที่หยุดทำงาน และซอฟต์แวร์ที่เหลือและระบบปฏิบัติการสามารถทำงานต่อไปได้โดยไม่มีปัญหาใดๆ

นี่เป็นพื้นที่หนึ่งที่API^(APIs)มีบทบาทสำคัญ เนื่องจากเป็นAPI ที่ ขอสิทธิ์โหมดเคอร์เนล แอปพลิเคชันโหมดผู้ใช้จะมอบหมายคำขอที่จำเป็นต่อAPI ในโหมด เคอร์เนล

นี่คือสาเหตุที่โดยปกติแล้วโหมดเคอร์เนลจะใช้ได้กับกระบวนการระบบระดับต่ำที่จำเป็นต้องเข้าถึงฮาร์ดแวร์ของคอมพิวเตอร์โดยตรงเท่านั้น โดยปกติ สิทธิ์นี้จะขยายไปสู่กระบวนการเนื่องจากต้องการประสิทธิภาพมากกว่าที่โหมดผู้ใช้จะมีให้ได้ คำสั่ง CPU^(CPU)บางคำสั่งทำงานในโหมดเคอร์เนลเท่านั้น ดังนั้นหากกระบวนการจำเป็นต้องใช้ฟังก์ชันเหล่านั้น จะต้องได้รับการยกระดับ

หากคุณกำลังมีปัญหากับBlue Screen of Deathโปรดอ่านคู่มือการแก้ไขปัญหา Blue Screen of Death สำหรับ 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 applications running in “kernel” or “uѕer” mоde. It’s all down to how operating systems work when theу do their jobs. Once yоu understand that, it’s easy to grasp the dіfferenсe between user mode аnd 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

• วิธีเปิดใช้งาน Dark Mode ใน Windows 11

• วิธีการติดตั้ง Windows 11 ด้วยบัญชีท้องถิ่น

• 6 วิธีออกจากระบบ Windows 11

• วิธีการเริ่มต้นใน Windows 11 Mode ปลอดภัย (8 วิธี)

• 5 วิธีในการสร้างและเพิ่มผู้ใช้ใหม่ใน Windows 11

• วิธีที่จะเผชิญกับการปลดล็อค Windows 11 กับ Windows Hello

• วิธีการตั้งวอลล์เปเปอร์ที่แตกต่างกันบนเดสก์ท็อปที่แตกต่างกันบน Windows 11

• วิธีการซ่อน Badges บน Taskbar Icons ใน Windows 11

• วิธีเปิดใช้งานโหมดไฮเบอร์เนตใน Windows 11

• Context Menu บรรณาธิการ: Add, Remove Context Menu รายการใน Windows 11

• วิธีการเปลี่ยน Theme ใน Microsoft Teams บน Windows 11

• วิธีเปิดใช้งานหรือปิดใช้งาน Dynamic Refresh Rate (DRR) ใน Windows 11

• วิธีเปลี่ยน Insider Channel บน Windows 11

• วิธีการแสดงหรือซ่อนแอพที่ใช้มากที่สุดใน Start Menu บน Windows 11

• เปิดใช้งานหรือปิดใช้งาน Wi-Fi และ Ethernet adapter บน Windows 11

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

• วิธีการติดตั้ง Windows 11 โดยใช้ Hyper-V ใน Windows

• วิธีเริ่ม Windows 11 ในเซฟโหมด

• วิธีการลงชื่อออกจาก email account ใน Mail app ใน Windows 11

• วิธีทำ Video จาก Photos ใน Windows 11