状态寄存器

概述

状态寄存器又称cpsr,是cpu运算器的一部分。主要存放两类信息:

1、存放当前指令执行结果的各种状态或条件码,结果是否为负、是否为0、是否进位、是否溢出;
2、存放控制信息,有终端标志位、跟踪标志位。

cpsr寄存器为32位寄存器,低8位为控制位,高4位为条件标志位。具体功能如下:

位数 标识 描述
31 N 符号标志位 当两个有符号整数运算时,结果为负N=1,结果为正N=0
30 Z 零标志位 表示运算结果是否为零,如果为零 Z=1,不为零Z=0
29 C 进位标志位 ①加法运算中,产生进位C=1,否则C=0; ②减法运算中,产生借位C=0,否则C=1
28 V 溢出标志位 有符号数据运算中,超出机器所能识别的范围,称为溢出。 正+正=负 溢出、负+负=正 溢出、正+负=正/负(不可能溢出)
27~8 保留位
7 I 中断禁止标志位 I=1时禁止IRQ中断
6 F 快速中断禁止标志位 F=1时禁止FIQ中断
5 T 控制标志位 T=0表示执行ARM指令 T=1表示执行Thumb指令
4~0 M4~M0 M控制位 可访问的寄存器,处理器模式

以上标志位,在逆向中我们只关注NZCV标志位即可,其他标志位相对底层,在单片机开发中比较常见,如51单片机NZCV位都有,只是位置不一样,M位确定定时器模式(13位、16位计数器)。

标志位验证

上面是CPU相关文档中对寄存器的描述,下面验证一下寄存器值是否和描述一致。

创建一个iOSApp工程,在主函数main()中增加一个判断条件并输出打印,在条件判断出下断点。代码如下:

int main(int argc, char * argv[]) {
    int arg1 = 1.0;
    int arg2 = 2.0;
    if (arg1 == arg2) {
        NSLog(@"相等");
    } else {
        NSLog(@"不相等");
    }
}

使用真机运行,因为真机和模拟器使用的不是一套指令集,不便于我们验证。断点后查看标志位(General Purpose Registers):

if1.png
  • 可以在Xcode上查看寄存器值,也可以使用register read cpsr指令来读取cpsr寄存器的值
  • 上图断点停留在ldr指令处,还没有到判断指令,此时查看到cpsr的高位为60110N标志位为0
  • subs w8, w8, w9指令进行减运算,从上面指令可知w8=1w9=2相减得-1,结果赋值到w8寄存器,此时,出现一个减法运算,结果为负出现借位,并且不为零,不存在溢出,所有可以提前判断高位NZCV1000
  • b.ne为判断跳转指令,判断w8w9是否不相等,如果不相等跳转至0x1008a22d4地址指令处执行(实际上是判断Z(零标志位)是否为零,为零相等,不为零不相等。两个相同整数相减结果为零)

相关b指令:

指令 描述
bl 跳转到指定地址处执行,函数调用
b.lt 比较结果是小于(less than),跳转指定地址执行,否则不跳转
b.le 比较结果是小于等于(less than or equal to),跳转指定地址执行,否则不跳转
b.gt 比较结果是大于(greater than),跳转指定地址执行,否则不跳转
b.ge 比较结果是大于等于(greater than or equal to),跳转指定地址执行,否则不跳转
b.eq 比较结果是等于(equal to),跳转指定地址执行,否则不跳转
b.ne 不叫结果是不等于(not equal to),跳转指定地址执行,否则不跳转
b.hi 比较结果是无符号大于,跳转指定地址执行,否则不跳转

单步向下执行到b.ne 0x1008a22d4指令处,查看寄存器值如下:

if2.png
  • 结果为0x80000000即高位为1000符合预期,此时指令将跳转到0x1008a22d4处,也就是输出“不相等”

上面到了判断是否不相等的位置,还没有执行该判断指令,理论上是会打印“不相等”。这里可以尝试修改该寄存器的值让其相等,看看打印结果是否为“相等”。也就是Z标志位1,其他标志位为0,即高位为0100也就是0x40000000,下面看下修改结果是否符合预期。结果如下:

if3.png
  • 打印相等符合预期,通过修改状态寄存器值,改变了程序的正常执行流程
  • 最后cpsr寄存器为0x60000000,对应高位0110C位变为1,主要原因执行了add x0, x0, #0x68指令,加法指令出现进位C=1

总结

状态寄存器控制着程序的执行流程,那么在逆向中我们可以通过修改状态寄存器的值,使一些关键判断条件无效,来绕过程序中对外的限制。如:破解反逆向、给自己开一个超级会员。

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