Es posible que haya oído hablar de aplicaciones que se ejecutan en modo "kernel" o "usuario". Todo depende de cómo funcionan los sistemas operativos cuando hacen su trabajo. Una vez que comprenda eso, es fácil comprender la diferencia entre el modo de usuario y el modo kernel.

Comprender lo que hace un sistema operativo^(Does)

Una computadora consta de hardware, los componentes electrónicos y el software, el código de computadora ejecutado por ese hardware. Pero lo que puede estar menos claro es cómo trabajan juntos.

El elemento más esencial de una computadora es el bit o "dígito binario". “Todo lo^{(” Everything)} que hace una computadora se representa como unos y ceros. Los diferentes^(Different) componentes de la computadora representan bits de diferentes maneras. En una CPU , los transistores microscópicos representan unos y ceros estando encendidos o apagados. Esos transistores están dispuestos en estructuras lógicas, llamadas puertas lógicas.

En la memoria de una computadora electrónica, los bits están representados por celdas de memoria que tienen una carga por encima o por debajo de cierto umbral. En un disco duro mecánico, los bits se representan como fluctuaciones magnéticas medidas en un plato giratorio. En los discos ópticos, los hoyos y las tierras que reflejan o no la luz láser hacen el mismo trabajo. 

No importa cómo se logre la representación física del código binario, eventualmente puede reducir todos los componentes de la computadora del consumidor a este código de máquina sin procesar.

Entonces, ¿cómo se pasa de la interfaz humana de una computadora a los procesos sin procesar de bajo nivel en la computadora misma? Ahí es donde entra el sistema operativo. Controla directamente el hardware de la computadora. 

Este software traduce todo lo que las aplicaciones (y, por lo tanto, el usuario) desean en instrucciones de código de máquina que la CPU y otros componentes entienden. La pieza de software más crítica en este proceso es el núcleo.

¿Qué es el núcleo?

El kernel es, como su nombre indica, el núcleo del sistema operativo. El kernel es un software que reside en la RAM y dirige todo lo que hace la computadora. Cuando algo se escribe en la memoria, es el núcleo el que dirige la ejecución.

El núcleo sabe cómo interactuar con hardware como GPU^(GPUs) y tarjetas de red, pero es posible que no sepa cómo operarlas en todo su potencial, confiando en los estándares genéricos de la industria informática.

Los controladores de hardware entran en juego aquí. Los controladores le dicen a su sistema operativo cómo trabajar con componentes específicos, por lo que necesita diferentes controladores para las GPU Nvidia y AMD^{(AMD GPUs)} , por ejemplo.

Equipado con los controladores correctos, el kernel es la máxima autoridad dentro de la computadora, lo que incluye hacer cosas que pueden destruir datos de manera catastrófica.

El papel^(Role) de las interfaces de programación^{(Application Programming Interfaces)} de aplicaciones ( API^(APIs) )

En los días de MS-DOS , los desarrolladores de software tenían que escribir su software específicamente para el hardware del usuario. El ejemplo más notorio de esto en los sistemas MS-DOS fueron los controladores de tarjetas de sonido.

Un videojuego dado tendría que ser compatible con las tarjetas más populares ( Sound Blaster , Ad-lib , Gravis Ultrasound , etc.) y esperar que la mayoría de los jugadores estuvieran cubiertos. Hoy en día, las cosas funcionan de manera muy diferente, gracias a las API^(APIs) .

Microsoft DirectX es un gran ejemplo. Si desea una explicación detallada, consulte ¿Qué es DirectX y por qué es importante? ^{(What Is DirectX and Why Is It Important?)}Sin embargo, lo más importante que debe saber es que la API ofrece una forma estándar para que los desarrolladores de software soliciten recursos de hardware de componentes como la GPU . Además, los fabricantes de hardware solo deben asegurarse de que sus productos cumplan con DirectX para garantizar la compatibilidad total con cualquier software compatible.

Las API^(APIs) ofrecen una capa de traducción entre las aplicaciones de software y el kernel de bajo nivel con sus controladores de hardware. Sí, esto viene con una ligera penalización de rendimiento. Aún así, en las computadoras modernas, esto es insignificante y viene con una variedad de ventajas, que es donde finalmente llegamos al modo de usuario y al modo kernel.

Modo de usuario frente a modo kernel

Los sistemas operativos modernos ejecutan cientos o miles de "procesos" simultáneamente, lo que les proporciona dinámicamente tiempo de CPU según sea necesario en función de sus prioridades y requisitos de potencia de cálculo.

Cuando inicia una aplicación, genera procesos y la CPU puede ejecutarlos en modo usuario o en modo kernel.

Un proceso de Windows que se ejecuta en modo de usuario solo tiene acceso a su propio espacio de direcciones de memoria virtual privada y a su tabla de identificadores. El software usa estas tablas para almacenar datos en RAM y solicitar recursos. No hay acceso directo a la memoria u otro hardware, y depende del sistema operativo asignar esos espacios virtuales al hardware real de la computadora.

Esto es bueno por muchas razones, pero el beneficio más importante es que la aplicación no puede sobrescribir ni alterar datos fuera de su espacio de direcciones de memoria virtual. Además, ciertas funciones están fuera de los límites de los procesos en modo usuario, principalmente aquellas que podrían bloquear el sistema o destruir datos.

Cuando un proceso se inicia o se eleva al modo kernel, tiene acceso completo a los recursos del sistema, incluso a aquellos reservados para el sistema operativo. Entonces, en teoría, podría sobrescribir datos cruciales que el sistema operativo necesita para funcionar correctamente.

Trampas y excepciones

Es importante comprender que estos dos modos se imponen a nivel de hardware por la propia CPU . Si una aplicación que se ejecuta en modo usuario intenta hacer algo que requiere acceso en modo kernel, genera una "trampa" o "excepción". Luego, el sistema operativo se ocupará de la aplicación, generalmente apagándola y generando un registro de fallas para que los desarrolladores puedan ver qué sucedió en la memoria cuando las cosas se descarrilaron.

Los peligros^(Dangers) del modo kernel^{(Kernel Mode)} : la pantalla azul^{(Blue Screen)} de la muerte^(Death)

Si alguna vez ha experimentado una pantalla azul^{(Blue Screen)} de la muerte^(Death) (¿quién no?) que obligó a su computadora a apagarse o reiniciarse, es muy probable que la culpa sea un proceso en modo kernel.

Cuando un proceso en modo kernel hace algo que se supone que no debe hacer, el sistema operativo no puede recuperarse y toda la computadora se detiene. Cuando un proceso de modo de usuario se vuelve loco, solo la aplicación falla y el resto del software y el sistema operativo pueden continuar sin ningún problema.

Esta es un área donde las API^(APIs) juegan un papel esencial, ya que es la API la que solicita privilegios de modo kernel. Las aplicaciones en modo usuario esencialmente delegan solicitudes que habrían requerido privilegios de modo kernel a la API .

Esta es la razón por la cual el modo kernel generalmente solo se otorga a los procesos del sistema de bajo nivel que necesitan acceder directamente al hardware de la computadora. Por lo general, este privilegio se extiende a un proceso porque necesita más rendimiento que el que puede proporcionar el modo de usuario. Algunas instrucciones de la CPU^(CPU) solo funcionan en modo kernel, por lo que si un proceso necesita usar esas funciones, debe elevarse.

Si tiene problemas con la pantalla azul^{(Blue Screen)} de la muerte^(Death) , asegúrese de leer nuestra Guía de solución de problemas de la pantalla azul de la muerte para Windows 10^{(Blue Screen of Death Troubleshooting Guide for Windows 10)} .

What Is User Mode vs Kernel Mode in Windows

You may have heard abоut applications running in “kernel” or “uѕer” mode. It’s all dоwn to how operating systemѕ work whеn they do their jobѕ. Once you understand that, it’s easy to grаsp the difference bеtween user mode and kernеl 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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