1. Java で
x86 エミュレータ
を作る
2010/08/21
d-kami
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2. 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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3. 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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4. 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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5. 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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6. 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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7. 目標
■目標
Live CD 版の
Fedora を動かす
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8. 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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9. 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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10. 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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11. 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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12. 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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13. 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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14. 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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15. 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
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16. 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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17. 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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18. 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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19. 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);
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20. 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);
}
}
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21. 命令の書式
■命令の書式
Prefix Opecode ModR/M SIB Displacemen Immediate
t
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22. 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
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23. 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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24. 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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25. 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
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26. 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
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27. 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
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28. 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
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29. 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
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30. 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)
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31. 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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32. 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);
...
}
}
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33. 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);
}
}
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34. 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);
}
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35. 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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36. 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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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
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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
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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
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40. 現状
■現状
boot: Could not find
kernel image
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41. 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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