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谈谈intel x86提供的Branch Trace Store的功能

谈谈intel x86提供的Branch Trace Store的功能

好就没来发贴了...罪过罪过
这里说说Intel提供的BTS功能,相信对于做系统逆向分析有一定作用 
本文在我blog的http://www.csksoft.net/blog/post/bts_setup.html
介绍
Branch Trace Store(BTS)是目前广泛被intel CPU所提供的一种硬件辅助调试功能,因为在MSRA项目需要,所以作了一些基于它的应用。虽然Intel的CPU开发手册[1]提供了比较详细的使用方法,但是由于比较笼统,且缺少win32下的相关资料。所以我打算把其中的一些tricky的事情和大家分享下。这些内容当然也是我自己查找公开资料得到的,因此也不算什么秘密吧 :-)
BTS简单的说就是允许CPU将自己实际执行到的分支指令(jmp/jxx/call/int/etc.)的相关信息保存下来的功能。一般CPU都会保存每个分支指令的源地址和目标地址,该地址在保护模式下是虚拟地址形式表示的。利用这个功能,可以实时地了解当前CPU正在执行代码的实际流程情况,很多分析软件,如Intel的Vtune或者profiling库,如*nix平台下的perfmon[2]都用它来做一些程序性能分析。当然,还可以做很多其他有趣的事,比如逆向工程,具体我就不说了。
不过目前很少有资料具体介绍如何在win32下开启该功能并实现一个可用的BTS捕捉引擎。当然可以参考perfmon的代码,但BTS在其中只是很小一个部分,同时为了实现跨平台,对于新手来说难度较大。因此我这里重点介绍对于单核心的NetBurst构架的CPU(通俗地说就是P4这类)在win32下的具体实现细节。其他的构架,比如现在的Core Due,大家可以参考intel的开发手册举一反三。
工作框架
实际上,上面所说的BTS只是intel对于分支指令信息捕获机制的一个分支,就P4而言,大致提供了下列几种分支指令的捕获手段
Last Branch Record(LBR) 
故名思意,该方式将记录最后几个分支信息,实际上NetBurst CPU中内建了若干个MSR寄存器用于记录Last Branch Record,称为LBR Stack。在该模式下运行的CPU会采用Round Robin的方式循环填充那几个MSR寄存器。
该方式常用在调试器的Call Stack分析上,我们这里就不涉及了
Branch Trace Messages
该方式和我们将介绍的Branch Trace Store大致类似,与LBR不同的是,CPU会把分支信息发送到系统总线上供第三方硬件在总线上接收数据。而BTS则直接将数据保存到由程序制定的内存单元中。我们这里也不讨论该方式。
Branch Trace Store
简单的说,BTS就是将分支信息保存到了有程序(实际就是我们)制定的一块内存空间中。而当这块内存用尽时,CPU可以采用Round Robin的方式循环填充,这就和LBR类似,但可以指定内存块的大小来决定最大捕捉量。另一种处理方式是在内存快用尽的时候,一个事先由我们设定的处理中断将触发来完成对当前内存块中BTS数据的保存工作。这样就可以记录任意多的分支信息了。我们这里主要考虑的就是这种方式的BTS。
按照intel开发手册的描述,BTS开启后的CPU执行模式如下图所示:
screen.width*0.6) {this.width=screen.width*0.6;this.alt='';this.onmouseover=this.style.cursor='pointer';this.onclick=function(){window.open('http://www.csksoft.net/data/pic/bts_main_framework.gif')}}" />
每当CPU执行到一个分支指令后,它就会产生一个如上左图的BTS记录项。这里举个例子:

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