NT-Architektur: Was ist … User- und Kernel-Mode?

Die meisten Betriebssysteme haben Programme zum Anzeigen der CPU-Ausnutzung. In Windows heist dieses Program Task Manager.

Die CPU-Auslastung wird generell einfach als Prozentzahl für die CPU-Zeit, welche für nicht-Leerlauf-Tasks verwendet wird, angegeben. Aber das ist nur eine vereinfachte Darstellung. In jedem modernen Betriebssystem arbeitet die CPU eigentlich in zwei sehr unterschiedlichen Modi:

1. Kernel Modus

Im Kernel-Modus hat jeder auszuführende Code vollständigen und uneingeschrenkten Zugriff auf die Hardware des gesamten Systems. Es kann beliebige CPU-Anweisungen ausführen und auf jede Speicheradresse zugreifen. Der Kernel-Modus ist generell nur für sehr hardwarenahe Anwendungen, den SystemKernel und die kritischen Treiber reserviert. Crashs in Kernel-Modus sind katastrophal, da der System-Kernel die Systemfunktionalität danach nicht mehr gewährleisten kann und sich das System automatisch abschaltet (bzw. Anzeige des Bluescreens bei Windows).

2. User Modus

Im User-Modus hat der auszuführende Code keine Möglichkeit, direkt auf Hardware oder Speicheradressen von anderen Programmen, zu zugreifen. Code, der im User-Modus läuft, muss System-APIs benutzen, um auf Hardware oder Speicher zugreifen zu können. Durch diese Art von Isolation, sind Crashs im User-Modus-Code immer abfangbar und gefährden somit meistens nicht die Integrität des Kernels. Programmcode läuft meistens im User-Modus.

Es ist möglich, im TaskManager die Anzeige von “Kernel-Zeit” zu aktivieren (wie z.B. oben im Bild). Die grüne Linie zeigt die totale CPU-Zeit und die rote Linie zeigt die Kernel-Modus-Zeit an. Die Differenz zwichen diesen beiden Linien zeigt die User-Modus-Zeit an.

Diese zwei Modis sind nicht nur “Etiketten”; sie werden von der CPU-Hardware direkt durchgesetzt. Wenn Code im User-Modus versucht, z.B. eine priviligierte CPU-Anweisung zu nutzen, löst dies eine vom Kernel abgefangene Ausnahme aus. Anstelle dass das gesamte System abstürzt, wird dann nur die Teilanwendung beendet. Das ist der Vorteil des User-Modes.

x86-CPU-Hardware hat 4 “protection rings“: 0, 1, 2, und 3. Nur die Ringe 0 (Kernel) und 3 (User) werden standardmäßig benutzt.

Wenn wir nur 2 Isolierungsringe verwenden, ist es etwas unklar, wo Geräte-Treiber sein sollen (Der Code, welcher uns erlaubt, unsere Grafikkarten, Tastaturen, Mäuse, Drucker und so weiter zu nutzen).Sollen diese Treiber für maximale Performance im Kernel-Modus oder für maximale Stabilität im User-Modus laufen? In Windows ist die Antwort: Es kommt immer auf den Verwendungszweck an. Laufwerk-Treiber können in beiden, User- und Kernel-Modus laufen. Heutzutage laufen die meisten Treiber im User-Modus – außer z.B. Grafikkartentreiber, welche aus Geschwindigkeitsgründen direkten Zugriff auf das System brauchen. Aber selbst das änderte sich mit Windows Vista: Dort sind Video-Treiber für User- und Kernel-Modus geteilt. Vielleicht ist das der Grund, weshalb Spieler sagen, dass Vista etwa 10% langsamer in Spielen ist als Windows XP.

Die genaue Grenze zwischen diesen Modi ist hier noch etwas unklar: Welcher Code sollte im User-Modus laufen? Und: welcher Code sollte im Kernel-Modus laufen? Oder sollen wir vielleicht den Boden als das Fundament nehmen – ein Ring unter allen anderen, Ring -1, welchen wir als x86 Hardware-Virtualisierung kennen.

Der User-Modus ist sicher nützlich, aber nicht ohne Nachteile. Der Wechsel zwischen User- und Kernel-Mous ist sehr langsam.

Die strikte Trennung der CPU zwischen User- und Kernel-Modus ist für die meisten User völlig unsichtbar, aber es ist der Unterschied, ob der komplette Computer abstürzt, oder ob meistens nur die Programme.