【 标题 】 ring 3级32位x86 cpu仿真
【 作者 】 linxer
【 Q Q 】 3568599
【 声明 】 俺系初级选手,高手略过。失误之处敬请诸位大侠赐教!
题外话:本文系本人最近编码的总结,目前初步完成了ring 3级别x86 cpu的仿真,但由于这个东西还跟很多模块关联在一起,这些模块我都还没有写,因此,我写的这个虚拟的ring 3 x86 cpu的代码也还没有进行功能性等测试,目前只是能编译过去而已。本文旨在说明如何仿真,不在于show代码,不过为了说明问题,会引用一些代码,这些代码来源于那些未测试的代码,有意往下看的,请抱着一颗发掘代码bug的心,抱歉!
前段时间已经发过一篇关于如何识别x86机器码的文章,机器码识别出来了,接下来就是要交给仿真的cpu执行,这里给出一个相对简单的cpu的实现。
首先说下,这里为什么只仿真ring 3级别的一些功能?这是由于仿真的cpu上不能安装OS决定的,如果要用到一些ring 0的功能那怎么办呢,就只能仔细分析这个ring 0的功能,通过其它方式仿真出来了。
这个仿真的cpu包含以下三个部分:cpu环境,寻址系统和指令解析系统。
一.cpu环境
必要的宏定义
#define u8 unsigned char
#define s8 char
#define u16 unsigned short int
#define s16 short int
#define u32 unsigned int
#define s32 int
1. 8个普通寄存器在x86上按如下顺序索引
typedef enum tagCommonRegIndex
{
EAX = 0,
ECX,
EDX,
EBX,
ESP,
EBP,
ESI,
EDI
}CommonRegIndex;
2. 6个段寄存器在x86上按如下顺序索引
typedef enum tagSegmentRegIndex
{
ES = 0,
CS,
SS,
DS,
FS,
GS
}SegmentRegIndex;
3. 定义标志寄存器有用位的索引
这里并没有按照intel CPU的格式来定义,主要是出于效率考虑,因为程序执行过程中有大量的跳转语句,这些语句都要用到条件位,用这种方式比用一个unsigned long来定义标志寄存器,每次可以节省一个&操作,由于在仿真的cpu上执行程序,效果是个大问题,因此这里在效率问题上也是“寸土必争”的;另外,我还把常用的条件位放在一起了,这也与x86 cpu不同,这里只要是为了减少cache miss情况,不过应该收效甚微的
这种定义方式就注定了标志寄存器操作指令的特殊性,幸好与标志寄存器相关的指令只要仿真四条(pushf/sahf/popf/lahf)
typedef enum tagFlagReg
{
CF = 0,
ZF,
SF,
OF,
DF,
PF,
AF,
TF,
IF
}FlagReg;
4. 普通32位寄存器结构声明
用这个结构可以比较方便的访问普通寄存器里包含的"小寄存器",比如说eax中的ax/ah/al
typedef union tagCommonReg
{
s32 nAll;
s16 _x;
struct tag8CommonReg
{
s8 _l;
s8 _h;
}_8;
}CommonReg, *PCommonReg;
5. cpu环境
typedef struct tagCPUEnvernment
{
CommonReg commonReg[8]; //8个普通32位寄存器
u32 eip; //eip寄存器
CommonReg segReg[6]; //段寄存器,这里其实用s16就可以啦,段寄存器虽然有48bit,但是我们可见的只有16bit
u8 flagReg[9]; //要用到的9个标志寄存器位
}CPUEnvernment, *PCPUEnvernment;
为了以下的应用,这里定义一个cpu环境变量:
CPUEnvernment g_cpu; 二.寻址系统
这里不含寄存器的寻址,因为寄存器的寻址可以很轻松搞定,一般都在opcode和ModR/M包含了。这里特指内存寻址。
对32位的cpu来说,含有16位寻址和32位寻址,具体用的是那种寻址方式,由每条指令的寻址大小前缀码指定,不过现在好像都是用32位寻址啦。
1. 16位寻址
要内存寻址的指令,指令一定会有modR/M字节,这个字节会标识该如何寻址,在16位寻址的指令中,是没有sib字节的,这样使得16位寻址仿真起来也相对简单些。比如,当mod=00,R/M=000的时候,它表示[bx + si],我们可以由g_cpu.commonReg[EBX]._x + g_cpu.commonReg[ESI]._x得到程序执行过程中用到的虚拟地址。具体情况可以参考Intel官方手册第二卷的Intel Instruction Set Reference(A-M)部分的36页。
2. 32位寻址
32位寻址比16位寻址要复杂的多,要32内存寻址的指令中一定会有modR/M字节,可能会有sib字节。
在R/M不为100的时候,表示指令中不含sib字节,它的情况跟16位寻址没有什么差别,比如,当mod=00,R/M=000的时候,它表示[eax],我们可以由g_cpu.commonReg[EAX].nAll得到程序执行过程中用到的虚拟地址。具体情况可以参考Intel官方手册第二卷的Intel Instruction Set Reference(A-M)部分的37页。
在R/M=100的时候,那么指令就含有sib字节了,sib字节主要用来支持一些象数组样的寻址,比如说sib=01 000 001,由它表示的是[ecx + eax * 2],我们可以由g_cpu.commonReg[ECX].nAll + g_cpu.commonReg[EAX].nAll * 2得到sib字节表示的虚拟地址,然后在和mod字段配合,加上一定的偏移,就可以得到最终的虚拟地址了。具体情况可以参考Intel官方手册第二卷的Intel Instruction Set Reference(A-M)部分的38页。
3. 地址转换
由上面得到的地址都是虚拟地址,那怎么获得这个虚拟地址实际表示的操作数呢,即怎样获得它在真实cpu上的虚拟地址呢,这个转换应该可以说比较简单的,在程序在仿真cpu上执行前,我们要有个PE load的过程,在这个过程中,我们可以知道,这个pe文件的ImageBase跟真实加载到内存中的起始地址的差额,用这个差额就可以完成这种地址转换了。 三.指令解析系统
写这个模块是最枯燥的,不过这也取决于你要虚拟多少条指令,基本上是每个指令要有一个专门的解析函数,因此工作量是挺大的,体力活!
对指令的解析可以用两种方法来做到:
1. 关键地方内嵌汇编
因为对条件位的设置比较麻烦,我们可以用真实的cpu来搞定这些工作,这样轻松简洁,出错概率也减小不少,拿opcode=0x3c来说,它是cmp指令,它的一个参作数在eax中,第二个参作数是一个立即数
s32 cmp_rac_imm_fun()
{
s32 lFirst;
s32 lSecond;
s16 sFirst;
s16 sSecond;
s8 cFirst;
s8 cSecond;
u8 cCF = 0; //这里目前只仿真了4个条件位,初始默认为0
u8 cOF = 0;
u8 cSF = 0;
u8 cZF = 0;
if(操作数大小是4) //将最可能执行到的条件放前面,以提高效率
{
lFirst = g_cpu.commonReg[EAX].nAll;
lSecond = 立即数;
_asm
{
mov esi, lFirst;
cmp esi, lSecond;
jnc cmp_rac_imm_cf_1;
mov cCF, 1;
cmp_rac_imm_cf_1:
jno cmp_rac_imm_of_1;
mov cOF, 1;
cmp_rac_imm_of_1:
jne cmp_rac_imm_zf_1;
mov cZF, 1;
cmp_rac_imm_zf_1:
jns cmp_rac_imm_sf_1;
mov cSF, 1;
cmp_rac_imm_sf_1:
}
}
else if(操作数大小是2)
{
sFirst = g_cpu.commonReg[EAX]._x;
sSecond = 立即数;
_asm
{
mov si, sFirst;
cmp si, sSecond;
jnc cmp_rac_imm_cf_2;
mov cCF, 1;
cmp_rac_imm_cf_2:
jno cmp_rac_imm_of_2;
mov cOF, 1;
cmp_rac_imm_of_2:
jne cmp_rac_imm_zf_2;
mov cZF, 1;
cmp_rac_imm_zf_2:
jns cmp_rac_imm_sf_2;
mov cSF, 1;
cmp_rac_imm_sf_2:
}
}
else if(操作数大小是1)
{
cFirst = g_cpu.commonReg[EAX]._8._l;
cSecond = 立即数;
_asm
{
mov dh, cFirst;
cmp dh, cSecond;
jnc cmp_rac_imm_cf_3;
mov cCF, 1;
cmp_rac_imm_cf_3:
jno cmp_rac_imm_of_3;
mov cOF, 1;
cmp_rac_imm_of_3:
jne cmp_rac_imm_zf_3;
mov cZF, 1;
cmp_rac_imm_zf_3:
jns cmp_rac_imm_sf_3;
mov cSF, 1;
cmp_rac_imm_sf_3:
}
}
g_cpu.flagReg[ZF] = cZF; //修正仿真cpu中的某些条件位
g_cpu.flagReg[OF] = cOF;
g_cpu.flagReg[CF] = cCF;
g_cpu.flagReg[SF] = cSF;
g_cpu.eip += 指定大小; //eip指向下条待执行指令
return 0;
}
当然这种方法对某些指令的仿真是行不通的。
2. 完全手工模拟
还以opcode=0x3c为例,这里简单点说明,略过很多情况
s32 cmp_rac_imm_fun()
{
s32 lFirst;
s16 sFirst;
s8 cFirst;
//这里为了说明问题,阿拉就不模拟对OF,CF的影响了,我怕麻烦
if(操作数大小是4) //将最可能执行到的条件放前面,以提高效率
{
lFirst = g_cpu.commonReg[EAX].nAll - 立即数;
g_cpu.flagReg[ZF] = (lFirst == 0);
g_cpu.flagReg[SF] = (lFirst < 0);
}
else if(操作数大小是2)
{
sFirst = g_cpu.commonReg[EAX]._x - 立即数;
g_cpu.flagReg[ZF] = (sFirst == 0);
g_cpu.flagReg[SF] = (sFirst < 0);
}
else if(操作数大小是1)
{
cFirst = g_cpu.commonReg[EAX]._8._l - 立即数;
g_cpu.flagReg[ZF] = (cFirst == 0);
g_cpu.flagReg[SF] = (cFirst < 0);
}
g_cpu.eip += 指定大小; //eip指向下条待执行指令
return 0;
}
通过以上两个方法,应该是可以搞定所有ring 3级别的指令的解析的。 下面说下,如何将识别出来的机器码跟该机器码对应的解析函数关联起来:我们在x86机器码的识别过程,可以给每个识别出来的opcode一个id,而其相映的解析函数也用这个id,然后将所有解析函数放入函数指针数组中,并通过这个id索引,这样就可以从opcode快速找到相映的解析函数了。 就写到这里吧,这个仿真cpu的功能还很简单,还有待加强......
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