Vous avez peut-être entendu parler d'applications fonctionnant en mode « noyau » ou « utilisateur ». Tout dépend de la façon dont les systèmes d'exploitation fonctionnent lorsqu'ils font leur travail. Une fois que vous avez compris cela, il est facile de saisir la différence entre le mode utilisateur et le mode noyau.

Comprendre ce que fait un système d'^(Does) exploitation

Un ordinateur se compose de matériel, les composants électroniques et de logiciels, le code informatique exécuté par ce matériel. Mais ce qui est peut-être moins clair, c'est comment ils travaillent ensemble.

L'élément le plus essentiel d'un ordinateur est le bit ou «chiffre binaire». « Tout ce^{(” Everything)} que fait un ordinateur est représenté par des uns et des zéros. Différents^(Different) composants informatiques représentent les bits de différentes manières. Dans un processeur^(CPU) , les transistors microscopiques représentent les uns et les zéros en étant allumés ou éteints. Ces transistors sont organisés en structures logiques, appelées portes logiques.

Dans la mémoire informatique électronique, les bits sont représentés par des cellules de mémoire ayant une charge supérieure ou inférieure à un certain seuil. Sur un disque dur mécanique, les bits sont représentés par des fluctuations magnétiques mesurées sur un plateau tournant. Sur les disques optiques, les puits et les méplats qui réfléchissent ou non la lumière laser font le même travail. 

Quelle que soit la manière dont la représentation physique du code binaire est obtenue, vous pouvez éventuellement réduire tous les composants informatiques grand public à ce code machine brut.

Alors, comment passer de l'interface conviviale d'un ordinateur aux processus bruts de bas niveau de l'ordinateur lui-même ? C'est là qu'intervient le système d'exploitation. Il contrôle directement le matériel de l'ordinateur. 

Ce logiciel traduit tout ce que les applications (et donc l'utilisateur) veulent en instructions de code machine que le CPU et les autres composants comprennent. Le logiciel le plus critique dans ce processus est le noyau.

Qu'est-ce que le noyau ?

Le noyau est, comme son nom l'indique, le cœur du système d'exploitation. Le noyau est un logiciel qui réside dans la RAM^(RAM) et dirige tout ce que fait l'ordinateur. Quand quelque chose est écrit en mémoire, c'est le noyau qui dirige l'exécution.

Le noyau sait comment s'interfacer avec du matériel tel que les GPU^(GPUs) et les cartes réseau, mais il ne sait peut-être pas comment les exploiter à leur plein potentiel, en s'appuyant sur les normes génériques de l'industrie informatique.

Les pilotes matériels entrent en jeu ici. Les pilotes indiquent à votre système d'exploitation comment travailler avec des composants spécifiques, c'est pourquoi vous avez besoin de pilotes différents pour les GPU Nvidia et AMD^{(AMD GPUs)} , par exemple.

Équipé des bons pilotes, le noyau est l'autorité ultime au sein de l'ordinateur, y compris faire des choses qui peuvent détruire des données de manière catastrophique.

Le rôle^(Role) des interfaces de programmation d'applications^{(Application Programming Interfaces)} ( API^(APIs) )

À l'époque de MS-DOS , les développeurs de logiciels devaient écrire leur logiciel spécifiquement pour le matériel de l'utilisateur. L'exemple le plus notoire de cela sur les systèmes MS-DOS était les pilotes de carte son.

Un jeu vidéo donné devrait supporter les cartes les plus populaires ( Sound Blaster , Ad-lib , Gravis Ultrasound , etc.) et espérer que la plupart des joueurs soient couverts. Aujourd'hui, les choses fonctionnent très différemment, grâce aux API^(APIs) .

Microsoft DirectX est un excellent exemple. Si vous souhaitez une explication détaillée, consultez Qu'est-ce que DirectX et pourquoi est-ce important ? ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}Cependant, la chose la plus importante à savoir est que l' API offre aux développeurs de logiciels un moyen standard de demander des ressources matérielles à des composants tels que le GPU . De plus, les fabricants de matériel doivent uniquement s'assurer que leurs produits sont conformes à DirectX pour garantir une compatibilité totale avec tout logiciel également conforme.

Les API^(APIs) offrent une couche de traduction entre les applications logicielles et le noyau de bas niveau avec ses pilotes matériels. Oui, cela s'accompagne d'une légère pénalité de performance. Pourtant, sur les ordinateurs modernes, cela est négligeable et présente de nombreux avantages, c'est là que nous arrivons enfin au mode utilisateur et au mode noyau.

Mode utilisateur vs mode noyau

Les systèmes d'exploitation modernes exécutent des centaines ou des milliers de "processus" simultanément, leur donnant dynamiquement le temps CPU nécessaire en fonction de leurs priorités et de leurs besoins en puissance de calcul.

Lorsque vous lancez une application, elle génère des processus et le processeur^(CPU) peut les exécuter en mode utilisateur ou en mode noyau.

Un processus Windows s'exécutant en mode utilisateur n'a accès qu'à son propre espace d'adressage de mémoire virtuelle privée et à sa table de descripteurs. Le logiciel utilise ces tables pour stocker des données dans la RAM et demander des ressources. Il n'y a pas d'accès direct à la mémoire ou à d'autres matériels, et c'est au système d'exploitation de mapper ces espaces virtuels sur le matériel réel de l'ordinateur.

C'est bon pour de nombreuses raisons, mais l'avantage le plus crucial est que l'application ne peut pas écraser ou modifier des données en dehors de son espace d'adressage de mémoire virtuelle. De plus, certaines fonctions sont interdites aux processus en mode utilisateur, principalement celles qui pourraient planter le système ou détruire des données.

Lorsqu'un processus se lance ou est élevé en mode noyau, il a un accès complet aux ressources système, même celles réservées au système d'exploitation. Donc, en théorie, cela pourrait écraser des données cruciales dont le système d'exploitation a besoin pour fonctionner correctement.

Pièges et exceptions

Il est important de comprendre que ces deux modes sont appliqués au niveau matériel par le processeur^(CPU) lui-même. Si une application s'exécutant en mode utilisateur essaie de faire quelque chose qui nécessite un accès en mode noyau, elle génère une « interruption » ou une « exception ». Le système d'exploitation s'occupera ensuite de l'application, généralement en la fermant et en générant un journal de plantage afin que les développeurs puissent voir ce qui s'est passé en mémoire lorsque les choses ont déraillé.

Les dangers du mode noyau^{(Kernel Mode)} : l' écran bleu^{(Blue Screen)} de la mort^(Death)

Si vous avez déjà rencontré un écran bleu^{(Blue Screen)} de la mort^(Death) (qui ne l'a pas fait ?) Qui a forcé votre ordinateur à s'éteindre ou à redémarrer, il y a de fortes chances que ce soit un processus en mode noyau à blâmer.

Lorsqu'un processus en mode noyau fait quelque chose qu'il n'est pas censé faire, le système d'exploitation ne peut pas s'en remettre et tout l'ordinateur s'arrête. Lorsqu'un processus en mode utilisateur se détraque, seule l'application se bloque, et le reste du logiciel et le système d'exploitation peuvent continuer sans aucun problème.

C'est un domaine où les API^(APIs) jouent un rôle essentiel puisque c'est l' API qui demande les privilèges du mode noyau. Les applications en mode utilisateur délèguent essentiellement les requêtes qui auraient requis des privilèges en mode noyau à l' API .

C'est pourquoi le mode noyau n'est généralement accordé qu'aux processus système de bas niveau qui doivent accéder directement au matériel de l'ordinateur. Habituellement, ce privilège est étendu à un processus car il a besoin de plus de performances que ce que le mode utilisateur peut fournir. Certaines instructions CPU ne fonctionnent qu'en mode noyau, donc si un processus doit utiliser ces fonctions, il doit être élevé.

Si vous rencontrez des problèmes avec l' écran bleu^{(Blue Screen)} de la mort^(Death) , assurez-vous de lire notre guide de dépannage de l'écran bleu de la mort pour Windows 10^{(Blue Screen of Death Troubleshooting Guide for Windows 10)} !

What Is User Mode vs Kernel Mode in Windows

You may haνе heard about aрplications running in “kernel” or “user” mоde. It’s all down to how operating systems work when they dо their јobs. Once you understand that, it’s easy to grasp the difference between user mode and kеrnel 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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