win10系统架构调用

Posted 2020-12-29 linwx

操作系统模型

操作系统有两种模式：

• 用户模式
• 内核模式

当用户模式调用系统服务时，CPU执行一个特殊的指令以切换到内核模式（Ring0），当系统服务调用完成时，操作系统切换回用户模式（Ring3）。 
Windows实现了一套内核保护机制，比如PatchGuard和内核模式代码签名。

系统架构

windows简化版架构实现：

 

在windows下，用户程序不直接调用本地的Windows服务，而是直接通过子系统DLL来调用。子系统DLL的角色是将文档化的函数翻译成调用的非文档化的系统服务（未公开的）。 
内核模式的几个组件：

• Windows执行实体，包括基础系统服务，比如内存管理器，进程和线程管理器，安全管理，I/O管理，网络，进程间通信。
• Windows内核，包括底层系统函数，比如线程调度，中断，异常分发，多核同步。也提供了一些routine和实现高层结构的基础对象。
• 设备驱动，包括硬件设备驱动（翻译用户I/O到硬件I/O），软件驱动（例如文件和网络驱动）。
• 硬件抽象层，独立于内核的一层代码，将设备驱动于平台差异性 分离开
• 窗口和图形系统，实现GUI函数，处理用户接口和绘图 
   
  其中第二个比第一个的名字少了os多了个pa，省去的os没有任何意义，但是多出来的pa所代表的意思是PAE(物理地址扩展)，这是X86CPU的一个硬件特性，Windows启动之后根据当前系统设置是否开启了PAE特性会自动选择把其中一个作为内核加载到内存中。

系统服务调用机制

系统调用所提供的服务(函数)是运行在内核中的，也就是说，在"系统空间"中。而应用软件则都在用户空间中，二者之间有着空间的间隔（CPU运行模式不同）。 
一般有三种手段，使CPU进入系统态（即转入系统空间执行）：

① 中断：来自于外部设备的中断请求。当有中断请求到来时，CPU自动进入系统态，并从某个预定地址开始执行指令。中断只发生在两条指令之间，不影响正在执行的指令。

② 异常：无论是在用户空间或系统空间，执行指令失败时都会引起异常，CPU会因此进入系统态（如果原先不在系统空间），从而在系统空间中对异常做出处理。异常发生在执行一条指令的过程中，所以当前执行的指令已经半途而废了。

③ 自陷：以上两种都是CPU被动进入系统态。而自陷是CPU通过自陷指令主动进入系统态。多数CPU都有自陷指令，系统调用函数一般都是靠自陷指令实现的。一条自陷指令的作用相当于一次子程序调用，子程序存在于系统空间。

快速系统调用机制

执行 SYSCALL 前，需要加载一个系统服务号到 EAX 寄存器，系统服务号的作用就是提供给 KiSystemCall64 ()在 KeServiceDescriptorTable 或 KeServiceDescriptorTableShadow中索引相应系统服务的入口地址并调度执行。

在WindowsNT系列操作系统中，有两种类型的系统服务，

• 一种实现在内核文件中，是常用的系统服务；
• 另一种实现在win32k.sys中，是一些与图形显示及用户界面相关的系统服务。这些系统服务在系统执行期间常驻于系统内存区中，并且他们的入口地址保存在两个系统服务地址表KiServiceTable和Win32pServiceTable中。而每个系统服务的入口参数所用的总字节数则分别保存在另外两个系统服务参数表（ArgumentTable）中。

系统服务地址表和系统参数表是一一对应的，每个系统服务表（一下简称SST）都指向一个地址表和一个参数表。在Windows 2000/xp/7系统中,只有两个SST。一个SST指向了KiServiceTable，而另一个SST则指向了Win32pServiceTable.

所有的SST都保存在系统服务描述表（SDT）中。系统中一共有两个SDT，一个是ServiceDescriptorTable，另一个是ServiceDescriptorTableShadow。ServiceDescriptor中只有指向KiServiceTable的SST，而ServiceDescriptorTableShadow则包含了所有的两个SST。SSDT是可以访问的，而SSDTShadow是不公开的。

windows内核文件导出了一个公开的变量KeServiceDecriptorTable，它指向了SSDT。在内核程序中可以直接使用这个变量，通过数据结构之间的关系，找到KiServiceTable，然后从KiServiceTable中查找任何一个系统服务的入口地址。

下面是关于这些数据结构的示意图： 

 

跟踪代码调试

通过跟踪代码中使用的CreateFile系统API来发现Windows 10 X64系统是怎么调用内核实现的过程。