d-kami x86-1

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Java でx86 エミュレータ

を作る

2010/08/21d-kami

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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

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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

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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！

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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

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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

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目標

■目標

　　 Live CD 版の　 Fedora を動かす

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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

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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

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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;}

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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

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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

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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

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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;}

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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 = 2EBX = 0ECX = 0EDX = 0EIP = 6

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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。

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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

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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;

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■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);

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■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); }}

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命令の書式

■命令の書式

Prefix Opecode ModR/M SIB Displacement

Immediate

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Prefix(1/3)

■Prefix(1/3)

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


Immediate

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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

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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

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Opecode

■Opecode

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


Immediate

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ModR/M(1/2)

■ModR/M(1/2)

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


Immediate

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ModR/M(2/2)

■ModR/M(2/2)

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

Mod Register/Opecode R/M

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SIB(1/2)

■SIB(1/2)

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


Immediate

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SIB(2/2)

■SIB(2/2)

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

Scale Index Base

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Displacement と Immediate

■Displacement と Immediate

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)


Immediate

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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);}

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■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); ... }}

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■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); }}

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■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); }

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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

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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

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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

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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

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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

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現状

■現状

boot: Could not find 　 kernel image

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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

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