आपने एप्लिकेशन के "कर्नेल" या "यूजर" मोड में चलने के बारे में सुना होगा। यह सब इस बात पर निर्भर करता है कि ऑपरेटिंग सिस्टम अपना काम करते समय कैसे काम करते हैं। एक बार जब आप इसे समझ लेते हैं, तो यूजर मोड और कर्नेल मोड के बीच का अंतर समझना आसान हो जाता है।
यह समझना कि एक ऑपरेटिंग सिस्टम क्या करता है
एक कंप्यूटर में हार्डवेयर, इलेक्ट्रॉनिक घटक, और सॉफ्टवेयर, उस हार्डवेयर द्वारा निष्पादित कंप्यूटर कोड होते हैं। लेकिन जो कम स्पष्ट हो सकता है वह यह है कि वे एक साथ कैसे काम करते हैं।
कंप्यूटर का सबसे आवश्यक तत्व बिट या "बाइनरी डिजिट" है। कंप्यूटर जो कुछ भी करता है उसे एक और शून्य के रूप में दर्शाया जाता है। विभिन्न कंप्यूटर घटक बिट्स को अलग-अलग तरीकों से दर्शाते हैं। एक CPU में, सूक्ष्म ट्रांजिस्टर या तो चालू या बंद होकर एक और शून्य को दर्शाते हैं। उन ट्रांजिस्टर को तार्किक संरचनाओं में व्यवस्थित किया जाता है, जिन्हें लॉजिक गेट कहा जाता है।
इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटर मेमोरी में, बिट्स को मेमोरी सेल द्वारा एक निश्चित थ्रेशोल्ड से ऊपर या नीचे चार्ज होने से दर्शाया जाता है। एक मैकेनिकल हार्ड ड्राइव पर, बिट्स को एक घूमती प्लेटर पर मापे गए चुंबकीय उतार-चढ़ाव के रूप में दर्शाया जाता है। ऑप्टिकल डिस्क पर, पिट्स और लैंड्स जो लेजर लाइट को प्रतिबिंबित करते हैं या नहीं, वही काम करते हैं।
कोई फर्क नहीं पड़ता कि बाइनरी कोड का भौतिक प्रतिनिधित्व कैसे प्राप्त किया जाता है, आप अंततः सभी उपभोक्ता कंप्यूटर घटकों को इस कच्चे मशीन कोड तक कम कर सकते हैं।
तो आप कंप्यूटर के मानव-अनुकूल इंटरफेस से कंप्यूटर में कच्चे, निम्न-स्तरीय प्रक्रियाओं तक कैसे जाते हैं? यहीं पर ऑपरेटिंग सिस्टम आता है। यह सीधे कंप्यूटर के हार्डवेयर को नियंत्रित करता है।
यह सॉफ्टवेयर उन सभी चीजों का अनुवाद करता है जो एप्लिकेशन (और इसलिए उपयोगकर्ता) चाहते हैं, उन मशीन कोड निर्देशों में जो CPU और अन्य घटक समझते हैं। इस प्रक्रिया में सबसे महत्वपूर्ण सॉफ्टवेयर कर्नेल है।
कर्नेल क्या है?
कर्नेल, जैसा कि नाम से पता चलता है, ऑपरेटिंग सिस्टम का मूल है। कर्नेल वह सॉफ्टवेयर है जो RAM में रहता है और कंप्यूटर जो कुछ भी करता है उसे निर्देशित करता है। जब कुछ मेमोरी में लिखा जाता है, तो यह कर्नेल होता है जो निष्पादन को निर्देशित करता है।
कर्नेल जानता है कि GPU और नेटवर्क कार्ड जैसे हार्डवेयर के साथ कैसे इंटरफेस करना है, लेकिन यह उन्हें उनकी पूरी क्षमता से संचालित करना नहीं जान सकता, कंप्यूटर उद्योग में सामान्य मानकों पर भरोसा करता है।
हार्डवेयर ड्राइवर यहां खेल में आते हैं। ड्राइवर आपके ऑपरेटिंग सिस्टम को बताते हैं कि विशिष्ट घटकों के साथ कैसे काम करना है, यही कारण है कि आपको Nvidia और AMD GPU के लिए अलग-अलग ड्राइवरों की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए।
सही ड्राइवरों से लैस, कर्नेल कंप्यूटर के भीतर अंतिम प्राधिकरण है, जिसमें वे चीजें शामिल हैं जो डेटा को विनाशकारी रूप से नष्ट कर सकती हैं।
एप्लिकेशन प्रोग्रामिंग इंटरफेस (API) की भूमिका
MS-DOS के दिनों में, सॉफ्टवेयर डेवलपर्स को अपने सॉफ्टवेयर को उपयोगकर्ता के हार्डवेयर के लिए विशेष रूप से लिखना पड़ता था। MS-DOS सिस्टम पर इसका सबसे कुख्यात उदाहरण साउंड कार्ड ड्राइवर थे।
एक दिए गए वीडियो गेम को सबसे लोकप्रिय कार्ड (साउंड ब्लास्टर, एड-लिब, ग्रेविस अल्ट्रासाउंड, आदि) का समर्थन करना होता था और आशा करनी होती थी कि अधिकांश खिलाड़ी कवर थे। आज, चीजें API की बदौलत बहुत अलग तरीके से काम करती हैं।
माइक्रोसॉफ्ट डायरेक्टएक्स एक बेहतरीन उदाहरण है। यदि आप गहन व्याख्या चाहते हैं, तो देखें कि डायरेक्टएक्स क्या है और यह महत्वपूर्ण क्यों है? हालांकि, जानने वाली सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि API सॉफ्टवेयर डेवलपर्स के लिए GPU जैसे घटकों से हार्डवेयर संसाधनों के लिए पूछने का एक मानक तरीका प्रदान करता है। इसके अतिरिक्त, हार्डवेयर निर्माताओं को केवल यह सुनिश्चित करना होगा कि उनके उत्पाद डायरेक्टएक्स का अनुपालन करते हैं ताकि किसी भी इसी तरह के अनुपालन सॉफ्टवेयर के साथ पूर्ण संगतता सुनिश्चित हो सके।
API सॉफ्टवेयर एप्लिकेशन और उसके हार्डवेयर ड्राइवरों के साथ निम्न-स्तरीय कर्नेल के बीच अनुवाद की एक परत प्रदान करते हैं। हां, इसके साथ थोड़ा प्रदर्शन दंड आता है। फिर भी, आधुनिक कंप्यूटरों पर, यह नगण्य है, और यह विभिन्न प्रकार के लाभों के साथ आता है, जो हमें अंततः यूजर मोड और कर्नेल मोड पर लाता है।
यूजर मोड बनाम कर्नेल मोड
आधुनिक ऑपरेटिंग सिस्टम सैकड़ों या हजारों "प्रक्रियाओं" को एक साथ चलाते हैं, गतिशील रूप से उन्हें उनकी प्राथमिकताओं और गणना शक्ति आवश्यकताओं के आधार पर CPU समय देते हैं।
जब आप एक एप्लिकेशन लॉन्च करते हैं, तो यह प्रक्रियाएं उत्पन्न करता है, और CPU उन्हें या तो यूजर मोड या कर्नेल मोड में निष्पादित कर सकता है।
यूजर मोड में चल रही एक विंडोज प्रक्रिया की केवल अपने स्वयं के निजी वर्चुअल मेमोरी एड्रेस स्पेस और हैंडल टेबल तक पहुंच होती है। सॉफ्टवेयर RAM में डेटा स्टोर करने और संसाधनों का अनुरोध करने के लिए इन टेबल्स का उपयोग करता है। मेमोरी या अन्य हार्डवेयर तक कोई सीधी पहुंच नहीं है, और उन वर्चुअल स्पेस को कंप्यूटर के वास्तविक हार्डवेयर पर मैप करना ऑपरेटिंग सिस्टम पर निर्भर है।
यह कई कारणों से अच्छा है, लेकिन सबसे महत्वपूर्ण लाभ यह है कि एप्लिकेशन अपने वर्चुअल मेमोरी एड्रेस स्पेस के बाहर डेटा को ओवरराइट या बदल नहीं सकता। इसके अलावा, कुछ फ़ंक्शन यूजर-मोड प्रक्रियाओं के लिए सीमा से बाहर हैं, मुख्य रूप से वे जो सिस्टम को क्रैश कर सकते हैं या डेटा नष्ट कर सकते हैं।
जब कोई प्रक्रिया लॉन्च होती है या कर्नेल मोड में उन्नत होती है, तो इसमें सिस्टम संसाधनों तक पूर्ण पहुंच होती है, यहां तक कि ऑपरेटिंग सिस्टम के लिए आरक्षित संसाधन भी। इसलिए, सिद्धांत रूप में, यह उस महत्वपूर्ण डेटा को ओवरराइट कर सकता है जिसे ऑपरेटिंग सिस्टम को ठीक से चलाने के लिए आवश्यक है।
ट्रैप्स और एक्सेप्शन
यह समझना महत्वपूर्ण है कि ये दो मोड CPU द्वारा हार्डवेयर स्तर पर लागू किए जाते हैं। यदि यूजर मोड में चल रहा एक एप्लिकेशन कुछ ऐसा करने की कोशिश करता है जिसके लिए कर्नेल-मोड एक्सेस की आवश्यकता होती है, तो यह एक "ट्रैप" या "एक्सेप्शन" उत्पन्न करता है। ऑपरेटिंग सिस्टम तब एप्लिकेशन से निपटेगा, आमतौर पर इसे बंद करके और एक क्रैश लॉग उत्पन्न करके ताकि डेवलपर्स देख सकें कि चीजें गलत होने पर मेमोरी में क्या हुआ।
कर्नेल मोड के खतरे: ब्लू स्क्रीन ऑफ डेथ
यदि आपने कभी ब्लू स्क्रीन ऑफ डेथ (किसने नहीं?) का अनुभव किया है जिसने आपके कंप्यूटर को बंद या पुनरारंभ करने के लिए मजबूर किया, तो एक अच्छा मौका है कि यह एक कर्नेल-मोड प्रक्रिया को दोषी ठहराया गया था।
जब कर्नेल मोड में कोई प्रक्रिया कुछ ऐसा करती है जो उसे नहीं करना चाहिए, तो ऑपरेटिंग सिस्टम इससे उबर नहीं सकता, और पूरा कंप्यूटर रुक जाता है। जब एक यूजर-मोड प्रक्रिया पागल हो जाती है, तो केवल एप्लिकेशन क्रैश होता है, और बाकी सॉफ्टवेयर और ऑपरेटिंग सिस्टम बिना किसी समस्या के जारी रह सकते हैं।
यह एक ऐसा क्षेत्र है जहां API एक आवश्यक भूमिका निभाते हैं क्योंकि यह API कर्नेल-मोड विशेषाधिकारों के लिए पूछ रहा है। यूजर-मोड एप्लिकेशन अनिवार्य रूप से उन अनुरोधों को सौंपते हैं जिनके लिए कर्नेल-मोड विशेषाधिकारों की आवश्यकता होती है API को।
यही कारण है कि कर्नेल-मोड आमतौर पर केवल निम्न-स्तरीय सिस्टम प्रक्रियाओं को दिया जाता है जिन्हें कंप्यूटर के हार्डवेयर को सीधे एक्सेस करने की आवश्यकता होती है। आमतौर पर, इस विशेषाधिकार को एक प्रक्रिया को दिया जाता है क्योंकि इसे यूजर मोड की तुलना में अधिक प्रदर्शन की आवश्यकता होती है। कुछ CPU निर्देश केवल कर्नेल मोड में काम करते हैं, इसलिए यदि किसी प्रक्रिया को उन फ़ंक्शन का उपयोग करने की आवश्यकता है, तो इसे उन्नत किया जाना चाहिए।
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