调试寄存器 原理与使用：DR0-DR7

调试寄存器 原理与使用：DR0-DR7

下面介绍的知识性信息来自intel IA-32手册（可以在intel的开发手册或者官方网站查到），提示和补充来自学习调试器实现时的总结。

希望能给你带去有用的信息。

（DRx对应任意的一个 调试 寄存 器。LENn对应任意一个长度。Ln对应任意一个局部置位）

DR0-DR7可以直接被读写操作（MOV 指令之类的，DRx可以是源操作数也可以是目的操作数）

   但是，DRx的访问是需要一定权限的。比如你用MOV操作的话，你需要在实地址模式，系统管理模式（smm）或者在保护模式（CPL设0）.如果权限不够，将会在访问DRx的时候尝产生#GP（general-protection）异常

现在来看看DRx可以干些什么？ 

1.设置发生断点的地址（线性地址）
2.设置断点的长度（1，2，4个字节，但是执行断点只能是1）
3.设置在 调试异常产生的地址执行的操作
4.设置断点是否可用
5.在 调试异常产生时， 调试条件是否是可用

（以上直接翻译自"Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual" volume 3。
以下来自个人的总结。当然，也是参考intel官方资料得来的）

我们来看看 调试 寄存 器的一些细节信息。
下图很重要，后面的介绍都是针对这个图说的。
（当然不是我画的，是来自intel  ia-32系统结构开发手册18章2节）。



调试 寄存 器 DR0-DR3
   这四个 寄存 器是用来设置 断点地址的。断点的比对在物理地址转换前（异常产生时，还没有将线性地址转换成物理地址）。由于只有0-3四个保存地址的 寄存 器，所以，硬件断点，在物理上最多只能有4个。
调试 寄存 器DR4-DR5 
   这两个 调试 寄存 器有CR4的DE标记控制。如果DE置位，那么对这两个 寄存 器的访问会导致#UD异常。如果DE置0，那么他们就被化名为DR6-DR7（你一定会问原来的DR6-DR7怎么办？这个…… 我也不知道。如果你搞明白了，一定记得告诉我）
调试 寄存 器DR7(控制 寄存 器)
   (先介绍DR7对DR6的理解有好处。)

DR7是 调试控制 寄存 器。控制方式嘛！继续看：
1.  L0-L3（由第0，2，4，6位控制）:对应DR0-DR3，设置断点作用范围，如果被置位，那么将只对当前任务有效。每次异常后，Lx都被清零。
2.  G0-G3（由第1，3，5，7位控制）：对应DR0-DR3,如果置位，那么所有的任务都有效。每次异常后不会被清零。以确保对所有任务有效。但是，不知道为什么，我在测试时：
设置Gn后，不能返回 调试异常给 调试 器（如果你知道为什么，记得告诉我）
3.  LE,GE（由第8，9位控制）:这个在P6以下系列CPU上不被支持，在升级版的系列里面：如果被置位，那么cpu将会追踪精确的数据断点。LE是局部的，GE是全局的。（到底什么算精确的，我也不清楚，但是，我知道如果设置了这两个，cpu的速度会降低。我在测试中，都没有置位。）
4.  GD(由第13位控制):如果置位，追踪下一条指令是否会访问 调试 寄存 器。如果是，产生异常。在下面的DR6里面，你会知道他还和另外一个标志位有点关系。
5.  R/W0-R/W3：（由第16，17，20，21，24，25，28，29位控制）：这个东西的处理有两种情况。
如果CR4的DE被置位，那么，他们按照下面的规则处理问题：
00：执行断点
01：数据写入断点
10：I/0读写断点
11：读写断点，读取指令不算
如果DE置0，那么问题会这样处理：
00：执行断点
01：数据写入断点
10：未定义
11：数据读写断点，读取指令不算
6.  LEN0-LEN3：（由第18.19.22.23.26.27.30位控制）：指定内存操作的大小。
00：1字节（执行断点只能是1字节长）
01：2字节
10：未定义或者是8字节（和cpu的系列有关系）
11：4字节
调试 寄存 器DR6（ 调试状态 寄存 器）
   这个 寄存 器主要是在 调试异常产生后，报告产生 调试异常的相关信息
1.  B0-B3（DR0-DR3）：DRx指定的断点在满足DR7指定的条件下，产生异常。那么Bx就置位。但是，有时，即使Ln和Gn置0，也可能产生Bx被置位。这种现象可能这样出现（提示：在p6系列处理 器，REP MOVS在不断循环中产生的 调试异常需要执行完了才能准确返回给 调试进程）：DR0的L0,G0都置0（DR0就是一个不能产生异常的断点了），然后在DR0指定的地址是一个REP指令的循环，这样，DR0就可能在这个循环之后的REP指令产生的 调试异常中将B0置位
2.  BD：BD需要DR7的GD置位，才有效。BD是在下一条指令要访问到某一个 调试 寄存 器的时候，被置位的。
3.  BS：单步执行模式时，被置位。单步执行是最高权限的 调试异常。
4.  BT:在任务切换的时候，被置位。但是必须在被切换去的任务的TSS段里面的T标记被置位的情况下才有效。在控制权被切换过去后，在执行指令前，返回 调试异常。但是，需要注意，如果 调试程序是一个任务，那么T标记的设置肯定就冲突了。然后，导致了死循环（BT的这些信息都是按照官方资料翻译而来，由于没有实际的操作，肯定会有理解上的出入。如果要深入的话，建议看官方资料）
  
有些 调试异常会将B0-B3清零。但是其他的DR6的位是不能被产生异常的进程清零的。每次 调试异常返回后， 调试进程都会先将DR6清零，再按照情况设置。以免产生不必要的错误。

对齐问题和64位处理 器
对齐问题：
这个问题是来源于LENn的设置，如果设置4字节，那么必须4字节对齐。例如：我们下4字节的断点，那么DRx需要是A0000/A0004/A0008这样的地址上。I/O地址是零扩展的（这个……也许意味着必须完全对齐）。因为，intel在比对地址时：用LENn的值去覆盖DRx里面保存的地址的低位。你可以想到，不对齐会有什么后果了吧。注意：执行断点只能是1字节。

再用图片解释下（当然，图片来自intel官方资料）：




在64位处理 器下：
调试 寄存 器当然也是64位的。在操作过程中，写入，前面32位被置零。读取：只返回后32位。MOV DRx操作，前32位被忽略。
DR6-DR7的高32位被保留。置零。如果置位，会产生#GP异常。8字节的读写断点完全被支持。

最后，还是给个图片（64位处理 器的布局）：

最后需要提醒一个小问题：数据写入断点设置后。是在原数据被修改后，才产生调试异常。所以，返回异常时，原有数据已经被修改。如果想保留原有数据，需要自己提前保存对应地址的数据。

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

VC利用调试寄存器实现硬件断点,处理断点异常

/************************************************************************ SetHardWareBP: 设置线程硬件断点 hThread:  线程句柄 dwAddr:    断点地址 dwDrIndex:  硬件寄存器(0~3) nType:    断点类型(0:执行,1:读取,2:写入) nLen:    读写断点数据长度(1,2,4) /************************************************************************/  BOOL SetHardWareBP(HANDLE hThread,DWORD dwAddr,DWORD dwDrIndex=0,UINT nType=0,UINT nLen=1) {   BOOL bResult=FALSE;      CONTEXT context = {0};   context.ContextFlags=CONTEXT_DEBUG_REGISTERS;   if(::GetThreadContext(hThread,&context))   {     DWORD dwDrFlags=context.Dr7;       //将断点地址复制进入对应Dr寄存器(参考CONTEXT结构)     memcpy(((BYTE *)&context)+4+dwDrIndex*4,&dwAddr,4);            //决定使用哪个寄存器     dwDrFlags|=(DWORD)0x1<<(2*dwDrIndex);      //见OD读写断点时 这个置位了,执行没有(置位也正常-_-)     dwDrFlags|=0x100;           //先将对应寄存器对应4个控制位清零(先或,再异或,还有其它好方法吗) =.= 悲催的小学生     dwDrFlags|=(DWORD)0xF<<(16+4*dwDrIndex);     dwDrFlags^=(DWORD)0xF<<(16+4*dwDrIndex);           //设置断点类型,执行:00 读取:11 写入:01     //(不知何故,测试时发现不论是11还是01,读写数据时均会断下来)     if (nType==1)           dwDrFlags|=(DWORD)0x3<<(16+4*dwDrIndex);  //读取     else if(nType==2)         dwDrFlags|=(DWORD)0x1<<(16+4*dwDrIndex);  //写入     //else if(nType==0)        //dwDrFlags=dwDrFlags            //执行           //设置读写断点时数据长度     if (nType!=0)     {       if(nLen==2 && dwAddr%2==0)               dwDrFlags|=(DWORD)0x1<<(18+4*dwDrIndex);  //2字节       else if(nLen==4  && dwAddr%4==0)           dwDrFlags|=(DWORD)0x3<<(18+4*dwDrIndex);  //4字节     }          context.Dr7=dwDrFlags;     if (::SetThreadContext(hThread,&context)) bResult=TRUE;   }   return bResult; }

//异常处理 //直接从工程中拷出来的 typedef ULONG (WINAPI *pfnRtlDispatchException)(PEXCEPTION_RECORD pExcptRec,CONTEXT * pContext); static pfnRtlDispatchException m_fnRtlDispatchException=NULL;  BOOL RtlDispatchException(PEXCEPTION_RECORD pExcptRec,CONTEXT * pContext);  ULONG WINAPI CSysHook::_RtlDispatchException( PEXCEPTION_RECORD pExcptRec,CONTEXT * pContext ) {   if(RtlDispatchException(pExcptRec,pContext)) return 1;   return m_fnRtlDispatchException(pExcptRec,pContext); }  //Hook程序异常处理,当程序发生异常时,由ring0转回ring3时调用的第一个函数:KiUserExceptionDispatcher BOOL CSysHook::HookSystemSEH() {   BOOL bResult=FALSE;   BYTE *pAddr=(BYTE *)::GetProcAddress(::GetModuleHandleA("ntdll"),"KiUserExceptionDispatcher");   if (pAddr)   {     while (*pAddr!=0xE8)pAddr++;  //XP~Win7正常,Win8尚无缘得见     m_fnRtlDispatchException=(pfnRtlDispatchException)((*(DWORD *)(pAddr+1))+5+(DWORD)pAddr);  //得到原函数地址     DWORD dwNewAddr=(DWORD)_RtlDispatchException-(DWORD)pAddr-5;                //计算新地址     CMemory::WriteMemory((DWORD)pAddr+1,(BYTE *)&dwNewAddr,4);  //这个写内存的自己改造吧     bResult=TRUE;   }   return bResult; }  //异常处理函数 BOOL RtlDispatchException(PEXCEPTION_RECORD pExcptRec,CONTEXT * pContext) {    返回TRUE,这个异常我已经处理好了,继续运行程序    返回FALSE,这个异常不是我的,找别人处理去 }