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d-kami x86-1

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D
Daisuke Kamikawa
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Java で x86 エミュレータ を作る 2010/08/21 d-kami 1
自己紹介 ■自己紹介  本名 : 上川大介  所属 : 筑波大学某研究室  Hatena: d-kami  Twitter: d_kami 2
x86 エミュレータをなぜ作ろうと思ったのか？ (1/2) ■なぜ x86 エミュレータを作ろうと思った のか？ (1/2) 作れそうだったから 3
x86 エミュレータをなぜ作ろうと思ったのか？ (2/2) ■x86 エミュレータをなぜ作ろうと思った のか？ (2/2)  アセンブリ言語で作った小さなプログラムなら簡単にエミュレー トできるのではないか？  それじゃ、作ってみよう！ 4
持っていた知識 ■持っていた知識  メモリにプログラムが載っている  プログラムカウンタがある  レジスタがある (EAX 、 EBX 、 ECX 、 EDX...)  フラグレジスタ EFLAGS の一部  コントロールレジスタ CR0 の一部  A20 ゲート、 GDT 、 IDT 5
x86 エミュレータの開発環境 ■x86 エミュレータの開発環境 　　　 Java 6
目標 ■目標 　　 Live CD 版の 　 Fedora を動かす 7
本題 ■本題 ■この発表の内容  とりあえずアセンブリ言語でプログラムを作る  セグメントレジスタやフラグレジスタの簡単な説明  命令の書式  BIOS ファンクションの一部  ところどころに Java の簡単なソースコードがでてくる 8
進め方 ■進め方  私が勉強した通りにスライドは進んで行きます  わからなくなるまで進み、わからなくなったら調べる  これがいいやり方かどうかはわかりません  アセンブリ言語として NASM を利用しているため Intel の構文が でてきます  そのため MOV EAX, ECX は ECX の値を EAX に代入する 9
とりあえず作業開始 ■とりあえず作業開始 public class VM{ // 汎用レジスタの一部 long eax; long ebx; long ecx; long edx; // プログラムカウンタ long eip; // メモリ byte[] memory; } 10
基本的な作業 ■基本的な作業 1 アセンブリ言語でプログラムを作ってアセンブル 2 アセンブルしてできたバイナリを memory に読み込む 3 eip を初期化する 4 memory の eip 番目の値を取得して、その値を命令と見て実行 　→例えば取得した値が 0x05 だったら足し算を行う 5 実行した命令の長さ分だけ eip を増やし、 4 へ 11
アセンブリ言語で書いてみる ■アセンブリ言語で書いてみる MOV AX, 1 ADD AX, 1 ■まずはこれだけをアセンブル ■test.asm で保存して nasm test.asm でバイナリファイルを作る 12
アセンブル後、どうなるのか ■アセンブル後、どうなるのか  nasm test.asm -l test.list と入れると test.list に以下の内容が 出力される 1 00000000 B80100 MOV AX, 1 2 00000003 050100 ADD AX, 1 13
命令を実装する ( 超簡易版 ) ■命令を実装する ( 超簡易版 ) int opcode = memory[eip] & 0xFF; if(opcode == 0xB8){ eax = getMemoryValue16(eip + 1); eip += 3; }else if(opecode == 0x05){ eax += getMemoryValue16(eip + 1); eip += 3; } 14
レジスタの内容確認プログラム ■レジスタの内容確認プログラム public void dump(){ System.out.println(“EAX = ” + eax); System.out.println(“EBX = ” + ebx); System.out.println(“ECX = ” + ecx); System.out.println(“EDX = ” + edx); System.out.println(“EIP = “ + eip); } 出力結果 EAX = 2 EBX = 0 ECX = 0 EDX = 0 EIP = 6 15
セグメントレジスタ ■セグメントレジスタ  CS や DS などの 16bit のレジスタ  リアルモードの場合、セグメントレジスタの値を 16 倍したもの とプログラムカウンタやアドレスを足す  他にもデータセグメントの DS やスタックセグメントの SS があ る。 16
フラグレジスタ ■フラグレジスタ  条件分岐などで使うフラグの集合 ➔ 演算で変化するフラグ - Carry Flag - Parity Flag - Adjust Flag - Zero Flag - Sign Flag - Overflow Flag ➔ 特定の命令で変化するフラグ - Direction Flag - Intteerupt Enable Flag 17
Java で実装 (1/3) ■Java で実装 (1/3)  まずセグメントレジスタから ➔ コードセグメントを使ってる場合、オペコードの取得がこう なる int opecode = memory[cs * 16 + eip] & 0xFF; ➔ データセグメントの場合 ds * 16 + address; 18
Java で実装 (2/3) ■Java で実装 (2/3)  Eflags を表すクラス public class EFlags{ private int eflags; public void setZero(boolean){ ... } public boolean isZero(){ int czero = (eflags >> 0x06) & 0x01; return czero == 0x01; } }  Zero Flag の設定 boolean flag = (result == 0); eflags.setZero(flag); 19
Java で実装 (3/3) ■Java で実装 (3/3)  利用例 public class JE implements Instruction{ public void execute(VM vm){ if(vm.getEFlags().isZero()){ int diff = vm.getSignedCode8(1); vm.addEIP(diff); } vm.addEIP(2); } } 20
命令の書式 ■命令の書式 Prefix Opecode ModR/M SIB Displacemen Immediate t 21
Prefix(1/3) ■Prefix(1/3) Prefix Opecode ModR/M SIB Displacemen Immediate t  Prefix には４つのグループがある  ４つのグループから１つずつ追加することができる  １つの Prefix につき１ byte 22
Prefix(2/3) ■Prefix(2/3)  グループ１ ロック、およびリピート ➔ 0xF0 LOCK ➔ 0xF2 REPNE/REPNZ ➔ 0xF3 REP または REPE/REPZ  グループ２ セグメント・オーバーライド・プリフィクス ➔ 0x2E CS セグメント・オーバーライド ➔ 0x36 SS セグメント・オーバーライド ➔ 0x3E DS セグメント・オーバーライド ➔ 0x26 ES セグメント・オーバーライド ➔ 0x64 FS セグメント・オーバーライド ➔ 0x65 GS セグメント・オーバーライド 23
Prefix(3/3) ■Prefix(3/3)  グループ 3 ➔ 0x66 オペランド・サイズ・オーバーライド・プリフィックス ➔ オペランドを 16bit 又は 32bit に切り替えられる  グループ 4 ➔ 0x67 アドレス・サイズ・オーバーライド・プリフィックス ➔ アドレスを 16bit 又は 32bit に切り替えられる 24
Opecode ■Opecode Prefix Opecode ModR/M SIB Displacemen Immediate t  １〜３ byte で表される命令の番号  ModR/M のうちの 3bit が拡張オペコードフィールドとして扱わ れる場合がある 25
ModR/M(1/2) ■ModR/M(1/2) Prefix Opecode ModR/M SIB Displacemen Immediate t  Mod フィールド、 Register/Opecode フィールド、 R/M フィールドに分かれている  Register/Opecode は命令によってレジスタのインデックスに なったり、拡張オペコードフィールドになる 26
ModR/M(2/2) ■ModR/M(2/2) Mod Register/Opecode R/M  Mod が 2bit 、 Register/Opecode が 3bit 、 R/M が 3bit  Mod と R/M を合わせて使い、 5bit ぶん 32 通りの表現が可能  32 通りのなか、８個のレジスタと２４通りのアドレスの指定方 法がある 27
SIB(1/2) ■SIB(1/2) Prefix Opecode ModR/M SIB Displacemen Immediate t  Scale Index Base の略  ModR/M でアドレスを指定する場合、２つのレジスタの足し 算、またはレジスタと値の足し算のみだった  しかし、 SIB を使うと [EAX * 8 + 32 + EBP] といった掛け算 を混ぜたり、オペランドを増やすことができる 28
SIB(2/2) ■SIB(2/2) Scale Index Base  ２の Scale 乗 × Base + Index(8 * EAX + ECX)  ModR/M の Mod によってさらに値を足すことができる 29
Displacement と Immediate ■Displacement と Immediate Prefix Opecode ModR/M SIB Displaceme Immediate nt  Displacement は１、２、４ byte の値。 ModR/M や SIB のア ドレスの計算に数値を入れたいに使う  Immediate は命令によって、レジスタやメモリではなく、直接 値を指定する場合に使う (ADD EAX, 1) 30
Java で実装 その２ (1/4) ■Java で実装 その２ (1/4) public void execute() throws NotImplementException{ int code = getCode8(0); Instruction instruction = instMap.get(code); if(instruction == null){ throw new NotImplementException(code); } instruction.execute(this); } 31
Java で実装 その２ (2/4) ■Java で実装 その２ (2/4) public class InstructionMap{ private Instruction[] instructions; public InstructionMap(){ instructions = new Instruction[256]; } public void init(){ instructions[0x01] = new AddRMXRX(); instructions[0x03] = new AddRXRMX(); instructions[0x04] = new AddALImm8(); instructions[0x05] = new AddAXImmX(); instructions[0x06] = new Push(ES); ... } } 32
Java で実装 その２ (3/4) ■Java で実装 その２ (3/4) public class OperandPrefix implements Instruction{ public void execute(VM vm){ int code = vm.getCode8(1); vm.setOperandPrefix(true); vm.addEIP(1); Instruction instruction = vm.getInstruction(code); instruction.execute(vm); vm.setOperandPrefix(false); } } 33
Java で実装 その２ (4/4) ■Java で実装 その２ (4/4) public class VMUtil{ public static int getMod(int modrm){ return ((modrm & 0xC0) >> 6) & 0x03; } public static int getRegisterIndex(int modrm){ return ((modrm & 0x38) >> 3) & 0x07; } public static int getOpecode(int modrm){ return getRegisterIndex(modrm); } public static int getRM(int modrm){ return (modrm & 0x07); } 34
ここからが本番 ■OS をブートしたい  ブートセクタを 0x7C00 に置く  フロッピーブートだと先頭 512byte  CD だと少し大変 ➔ El Torito に従ってブートセクタを読み込む ➔ Live CD 版のブートを目指してるのでこちらの対応必須 35
BIOS ファンクション ■BIOS ファンクション  エミュレータでブートローダを実行してると、でてくる ➔ メモリ上の 0xCD の次の byte とレジスタの内容で使われる機 能が変化 - 文字表示やグラフィックモードの確認・設定 - ディスクの確認・設定、読み込み 36
INT 0x10 ■INT 0x10  グラフィック関係の機能が集まっている  AH が 0x0E のとき文字表示、 AH=0x00 でグラフィックモード設 定  ただし、通常のグラフィックモード設定より VESA が使えるかど うかを調べることが普通だと思うので、 VESA が使えるかどう か調べる AX = 0x4F03 と設定の AX = 0x4F02 37
INT 0x13 ■INT 0x13  ディスクの読み書き、設定など  AH が 0x02 で読み込み、 0x03 で書き込み  ただし、拡張 INT 0x13 というものがあり、大抵のブートローダ は機能の有無をチェックするため、対応する必要あり  AH が 0x41 で存在のチェック、 0x42 で読み込み、 0x43 で書き 込み 38
あとは命令をひたすら実装 ■あとは命令をひたすら実装 1 まず実行 2 実装してない命令が来るまで繰り返す 3 実装してない命令が来たら Intel のマニュアルを見て実装 4 2 へ戻る  これの繰り返しでうまくいったらいいなぁ 39
現状 ■現状 boot: Could not find 　 kernel image 40
残念な途中経過ですが頑張っています 残念な途中経過ですが 　　頑張っています 41

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  • 37. INT 0x10 ■INT 0x10  グラフィック関係の機能が集まっている  AH が 0x0E のとき文字表示、 AH=0x00 でグラフィックモード設 定  ただし、通常のグラフィックモード設定より VESA が使えるかど うかを調べることが普通だと思うので、 VESA が使えるかどう か調べる AX = 0x4F03 と設定の AX = 0x4F02 37
  • 38. INT 0x13 ■INT 0x13  ディスクの読み書き、設定など  AH が 0x02 で読み込み、 0x03 で書き込み  ただし、拡張 INT 0x13 というものがあり、大抵のブートローダ は機能の有無をチェックするため、対応する必要あり  AH が 0x41 で存在のチェック、 0x42 で読み込み、 0x43 で書き 込み 38
  • 39. あとは命令をひたすら実装 ■あとは命令をひたすら実装 1 まず実行 2 実装してない命令が来るまで繰り返す 3 実装してない命令が来たら Intel のマニュアルを見て実装 4 2 へ戻る  これの繰り返しでうまくいったらいいなぁ 39
  • 40. 現状 ■現状 boot: Could not find 　 kernel image 40