《逆向工程核心原理》读书笔记——第4章 IA-32寄存器基本讲解

Posted 2021-10-02 大灬白

第4章 IA-32寄存器基本讲解

• 4.IA-32寄存器
• • 1.通用寄存器
  • 2.段寄存器
  • 3.程序状态与控制寄存器
  • 4.指令指针寄存器

4.IA-32寄存器

  IA-32是英特尔推出的32位元架构，属于复杂的指令集架构，并且支持多种寄存器。下面列出了IA-32支持的寄存器类型。

  以上寄存器列表中，我们先要学习基本程序运行寄存器的相关内容，这是程序调试中最常见的寄存器，是学习程序调试初级技术必须掌握的内容。后面学习中、高级程序调试技术时，我们将继续学习有关控制寄存器（Control registers )、内存管理寄存器(Memory management registers )、调试寄存器(Debug registers）的知识。
基本程序运行寄存器
图4-1来自IA-32用户手册，描述了基本程序运行寄存器的组织结构，它由4类寄存器组成：
  通用寄存器( General Purpose Registers，32位，8个)
  段寄存器( Segment Registers，16位,6个)
  程序状态与控制寄存器（ Program Status and Control Registers，32位，1个)
  指令指针寄存器（ Instruction Pointer，32位,1个)

提示
  如图4-1所示，在寄存器名称缩略语之前添加字母E(Extended，扩展)，表示该寄存器在16位CPU (IA-16）时就已经存在，并且其大小在IA-32下由原16位扩展为32位。
下面分别介绍一下各种寄存器。

1.通用寄存器

  顾名思义，通用寄存器是一种通用型的寄存器，用于传送和暂存数据，也可参与算术逻辑运算，并保存运算结果。IA-32中每个通用寄存器的大小都是32位，即4个字节，主要用来保存常量与地址等，由特定汇编指令来操作特定寄存器。除常规用途外,某些寄存器还具有一些特殊功能，请看图4-2（该图来自IA-32用户手册)。

提示
  为了实现对低16位的兼容，各寄存器又可以分为高(H:High)、低(L:Low )几个独立寄存器。下面以EAX为例讲解。
  ●EAX（accumulator）: (0~31 )32位
  ●AX（accumulator）: (0~15)EAX的低16位
  ●AH（accumulator）: (8~15)AX的高8位
  ●AL（accumulator）: （0~7)AX的低8位
  若想全部使用4个字节（32位)，则使用EAX;若只想使用2个字节（16位)，只要使用EAX的低16位部分AX就可以了。AX又分为高8位的AH与低8位的AL两个独立寄存器。借助这种方式，可以根据不同情况把一个32位的寄存器分别用作8位、16位、32位寄存器。
  各寄存器的名称如下所示。
  ●EAX（extend accumulator register）:(针对操作数和结果数据的）累加器
  ●EBX（extend base register）:(DS段中的数据指针）基址寄存器
  ●ECX（extend count register）:(字符串和循环操作的)计数器
  ●EDX（extend data register）:(IO指针）数据寄存器
  以上4个寄存器主要用在算术运算(ADD、SUB、XOR、OR等）指令中，常常用来保存常量与变量的值。某些汇编指令(MUL、DIV、LODS等）直接用来操作特定寄存器，执行这些命令后，仅改变特定寄存器中的值。
  此外，ECX与EAX也可以用于特殊用途。循环命令（LOOP)中，ECX用来循环计数（loop count)，每执行一次循环，ECX都会减1。EAX一般用在函数返回值中，所有Win32 API函数都会先把返回值保存到EAX再返回。
请注意!
  编写Windows汇编程序时，Win32 API函数在内部会使用ECX与EDX，调用这些API时，ECX与EDX的值就会改变。所以，ECX与EDX中保存有重要数据时，调用API前要先把这些数据备份到其他寄存器或栈。
  通用寄存器中其他几个寄存器的名称如下所示。
  EBP（Base Pointer）: (SS段中栈内数据指针)扩展基址指针寄存器
  ESI（Source Index）:(字符串操作源指针）源变址寄存器
  EDI（Destination Index）:(字符串操作目标指针）目的变址寄存器
  ESP（Stack Pointer）: ( SS段中栈指针）栈指针寄存器
以上4个寄存器主要用作保存内存地址的指针。
  ESP指示栈区域的栈顶地址，某些指令(PUSH、POP、CALL、RET)可以直接用来操作ESP(栈区域管理是程序中相当重要的部分，请不要把ESP用作其他用途)。
  EBP表示栈区域的基地址，函数被调用时保存ESP的值，函数返回时再把值返回ESP，保证栈不会崩溃（这称为栈帧(Stack Frame)技术，它是代码逆向分析技术中的一个重要概念，后面会详细讲解)。ESI和EDI与特定指令(LODS、STOS、REP、MOVS等)一起使用，主要用于内存复制。

2.段寄存器

  段(Segment)这一术语来自IA-32的内存管理模型，学习段寄存器前，先了解一下段的有关知识。
提示
  段寄存器的相关知识对刚学习代码逆向分析技术的人而言比较难。所以阅读本部分内容时，并不需要完全掌握。随着代码逆向分析技术水平的提高，需要学习段寄存器时再深入学习亦可。
  IA-32的保护模式中，段是一种内存保护技术，它把内存划分为多个区段，并为每个区段赋予起始地址、范围、访问权限等，以保护内存。此外，它还同分页技术( Paging)一起用于将虚拟内存变更为实际物理内存。段内存记录在SDT ( Segment Descriptor Table，段描述符表)中，而段寄存器就持有这些SDT的索引( index )。
  请看图4-3（来自IA-32用户手册)，它描述了保护模式下的内存分段模型。段寄存器总共由6种寄存器组成，分别为CS、SS、DS、ES、FS、GS，每个寄存器的大小为16位，即2个字节。另外，每个段寄存器指向的段描述符(Segment Descriptor)与虚拟内存结合，形成一个线性地址( Linear Address )，借助分页技术，线性地址最终被转换为实际的物理地址（Physical Address )。
提示
  不使用分页技术的操作系统中，线性地址直接变为物理地址。

  各段寄存器的名称如下。
  CS:Code Segment，代码段寄存器
  SS:Stack Segment，栈段寄存器
  DS:Data Segment，数据段寄存器
  ES:Extra ( Data ) Segment，附加（数据)段寄存器
  FS:Data Segment，数据段寄存器
  GS:Data Segment，数据段寄存器
  顾名思义，CS寄存器用于存放应用程序代码所在段的段基址，SS寄存器用于存放栈段的段基址，DS寄存器用于存放数据段的段基址。ES、FS、GS寄存器用来存放程序使用的附加数据段的段基址，如图4-3所示。
  程序调试中会经常用到FS寄存器，它用于计算SEH ( Structured Exception Handler，结构化异常处理机制)、TEB (Thread Environment Block，线程环境块)、PEB (Process Environment Block,进程环境块）等地址，这些都属于高级调试技术。

3.程序状态与控制寄存器

  ●EFLAGS:Flag Register，标志寄存器
  IA-32中标志寄存器的名称为EFLAGS，其大小为4个字节( 32位)，由原来的16位FLAGS寄存器扩展而来。
  如图4-4所示，EFLAGS寄存器的每位都有意义，每位的值或为1或为0，代表On/Off或True/False。其中有些位由系统直接设定，有些位则根据程序命令的执行结果设置。

提示
  Flag一词具有“旗帜”、“旗标”的意思，“升旗”时设为1( On/True )，“降旗”时设为0 (Off/False ).
  如上所述，EFLAGS寄存器共有32个位元，掌握每位的含义是相当困难的。学习代码逆向分析技术的初级阶段，只要掌握3个与程序调试相关的标志即可，分别为ZF (Zero Flag，零标志)、OF (Overflow Flag，溢出标志)、CF (Carry Flag，进位标志)。
提示
  以上3个标志之所以重要，是因为在某些汇编指令，特别是Jcc（条件跳转）指令中要检查这3个标志的值，并根据它们的值决定是否执行某个动作。
  ●ZF(Zero Flag，零标志)
  若运算结果为0，则其值为1 ( True )，否则其值为0(False )。
  ●OF(Overflow Flag，溢出标志)
  有符号整数（signed integer)溢出时，OF值被置为1。此外，MSB (Most Significant Bit,最高有效位）改变时，其值也被设为1。
  ●CF(Carry Flag，进位标志)
  无符号整数（unsigned integer)溢出时，其值也被置为1。
刚开始会混淆OF和CF的发生条件，导致结果不尽如人意。不断积累调试经验就能明确区分了。

4.指令指针寄存器

  ●EIP: Instruction Pointer，指令指针寄存器
  指令指针寄存器保存着CPU要执行的指令地址，其大小为32位(4个字节)，由原16位IP寄存器扩展而来。程序运行时，CPU会读取EIP中一条指令的地址，传送指令到指令缓冲区后，EIP寄存器的值自动增加，增加的大小即是读取指令的字节大小。这样，CPU每次执行完一条指令，就会通过EIP寄存器读取并执行下一条指令。
  与通用寄存器不同，我们不能直接修改EIP的值，只能通过其他指令间接修改，这些特定指令包括JMP、Jcc、CALL、RET。此外，我们还可以通过中断或异常来修改EIP的值。