Windows CE API机制初探
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文章提交：san (san_at_xfocus.org)
Windows CE API机制初探
整理：san
创建：2005.07.06
更新：2005.07.07
--[ 目录
1 - Windows CE架构
2 - 列出所有系统API
3 - Windows CE的系统调用
4 - coredll.dll对API的包裹
5 - 用系统调用实现shellcode
6 - 小结
7 - 感谢
8 - 参考资料
--[ 1 - Windows CE架构
在《Windows CE初探》一文中已经介绍了KDataStruct的结构，这是一个非常重要的数据结构，可以从用户态的应用程序访问。其开始地址是固定的PUserKData（在SDK中定义：Windows CE Toolswce420POCKET PC 2003IncludeArmv4kfuncs.h），对于ARM处理器是0xFFFFC800，而其它处理器是0x00005800。偏移KINFO_OFFSET是UserKInfo数组，里面保存了重要的系统数据，比如模块链表、内核堆、APIset pointers表（SystemAPISets）。《Windows CE初探》一文中通过模块链表最终来搜索API在coredll中的地址，本文我们将讨论一下UserKInfo[KINX_APISETS]处的APIset pointers表。
Windows CE的API机制使用了PSLs(protected server libraries)，是一种客户端/服务端模式。PSLs象DLL一样处理导出服务，服务的导出通过注册APIset。
有两种类型的APIset，分别是固有的和基于句柄的。固有的API sets注册在全局表SystemAPISets中，可以以API句柄索引和方法索引的组合来调用他们的方法。基于句柄的API和内核对象相关，如文件、互斥体、事件等。这些API的方法可以用一个对象的句柄和方法索引来调用。
kfuncs.h中定义了固有APIset的句柄索引，如：SH_WIN32、SH_GDI、SH_WMGR等。基于句柄的API索引定义在PUBLICCOMMONOAKINCpsyscall.h中，如：HT_EVENT、HT_APISET、HT_SOCKET等。
SystemAPISets共有32个CINFO结构的APIset，通过遍历SystemAPISets成员，可以列出系统所有API。其中CINFO的结构在PRIVATEWINCEOSCOREOSNKINCkernel.h中定义：
/**
* Data structures and functions for handle manipulations
*/
typedef struct cinfo {
char acName[4]; /* 00: object type ID string */
uchar disp; /* 04: type of dispatch */
uchar type; /* 05: api handle type */
ushort cMethods; /* 06: # of methods in dispatch table */
const PFNVOID *ppfnMethods;/* 08: ptr to array of methods (in server address space) */
const DWORD *pdwSig; /* 0C: ptr to array of method signatures */
PPROCESS pServer; /* 10: ptr to server process */
} CINFO; /* cinfo */
typedef CINFO *PCINFO;
--[ 2 - 列出所有系统API
Dmitri Leman在他的cespy中有个DumpApis函数，略加修改后如下：
/ DumpApis.cpp
/
#include "stdafx.h"
extern "C" DWORD __stdcall SetProcPermissions(DWORD);
#define KINFO_OFFSET 0x300
#define KINX_API_MASK 18
#define KINX_APISETS 24
#define UserKInfo ((long *)(PUserKData KINFO_OFFSET))
/pointer to struct Process declared in Kernel.h.
typedef void * PPROCESS;
/I will not bother redeclaring this large structure.
/I will only define offsets to 2 fields used in DumpApis():
#define PROCESS_NUM_OFFSET 0 /process number (index of the slot)
#define PROCESS_NAME_OFFSET 0x20 /pointer to the process name
/Also declare structure CINFO, which holds an information
/about an API (originally declared in
/PRIVATEWINCEOSCOREOSNKINCKernel.h).
typedef struct cinfo {
char acName[4]; /* 00: object type ID string */
uchar disp; /* 04: type of dispatch */
uchar type; /* 05: api handle type */
ushort cMethods; /* 06: # of methods in dispatch table */
const PFNVOID *ppfnMethods;/* 08: ptr to array of methods (in server address space) */
const DWORD *pdwSig; /* 0C: ptr to array of method signatures */
PPROCESS pServer; /* 10: ptr to server process */
} CINFO; /* cinfo */
#define NUM_SYSTEM_SETS 32
/*-------------------------------------------------------------------
FUNCTION: ProcessAddress
PURPOSE:
returns an address of memory slot for the given process index.
PARAMETERS:
BYTE p_byProcNum - process number (slot index) between 0 and 31
RETURNS:
Address of the memory slot.
-------------------------------------------------------------------*/
inline DWORD ProcessAddress(BYTE p_byProcNum)
{
return 0x02000000 * (p_byProcNum 1);
}
int WINAPI WinMain( HINSTANCE hInstance,
HINSTANCE hPrevInstance,
LPTSTR lpCmdLine,
int nCmdShow)
{
FILE *fp;
DWORD l_dwOldPermissions = 0;
if ( (fp = fopen("\apis.txt", "w")) == NULL )
{
return 1;
}
fprintf(fp, "Dump APIs:n");
__try
{
/Get access to memory slots of other processes
l_dwOldPermissions = SetProcPermissions(-1);
CINFO ** l_pSystemAPISets = (CINFO **)(UserKInfo[KINX_APISETS]);
for(int i = 0; i NUM_SYSTEM_SETS; i )
{
CINFO * l_pSet = l_pSystemAPISets[i];
if(!l_pSet)
{
continue;
}
LPBYTE l_pServer = (LPBYTE)l_pSet->pServer;
fprintf(fp,
"APIset: X acName: %.4s disp: %d type: %d cMethods: %d "
"ppfnMethods: X pdwSig: X pServer: X %lsn",
i,
l_pSet->acName,
l_pSet->disp,
l_pSet->type,
l_pSet->cMethods,
l_pSet->ppfnMethods,
l_pSet->pdwSig,
l_pServer,
l_pServer? (*(LPTSTR*)
(l_pServer PROCESS_NAME_OFFSET)) : _T("") );
/If this API is served by an application - get it's
/address, if it is served by the kernel - use address 0
DWORD l_dwBaseAddress = 0;
if(l_pServer)
{
l_dwBaseAddress = ProcessAddress
(*(l_pServer PROCESS_NUM_OFFSET));
}
/Add the base address to the method and signature
/tables pointers
PFNVOID * l_ppMethods = (PFNVOID *)l_pSet->ppfnMethods;
if(l_ppMethods (DWORD)l_ppMethods 0x2000000)
{
l_ppMethods = (PFNVOID *)
((DWORD)l_ppMethods l_dwBaseAddress);
}
DWORD * l_pdwMethodSignatures = (DWORD *)l_pSet->pdwSig;
if(l_pdwMethodSignatures
(DWORD)l_pdwMethodSignatures 0x2000000)
{
l_pdwMethodSignatures = (DWORD *)
((DWORD)l_pdwMethodSignatures l_dwBaseAddress);
}
if(l_ppMethods)
{
for(int j = 0; j l_pSet->cMethods; j )
{
PFNVOID l_pMethod = l_ppMethods?
l_ppMethods[j] : 0;
if(l_pMethod (DWORD)l_pMethod 0x2000000)
{
l_pMethod = (PFNVOID)
((DWORD)l_pMethod l_dwBaseAddress);
}
DWORD l_dwSign = l_pdwMethodSignatures?
l_pdwMethodSignatures[j] : 0;
fprintf(fp,
" meth #%3i: X sign Xn",
j,
l_pMethod,
l_dwSign);
}
}
}/for(int i = 0; i NUM_SYSTEM_SETS; i )
}
__except(1)
{
fprintf(fp, "Exception in DumpApisn");
}
if(l_dwOldPermissions)
{
SetProcPermissions(l_dwOldPermissions);
}
fclose(fp);
return 0;
}
来看一下此程序输出的片断：
APIset: 00 acName: Wn32 disp: 3 type: 0 cMethods: 185 ppfnMethods: 8004B138 pdwSig: 00000000 pServer: 00000000
meth # 0: 8006C83C sign 00000000
meth # 1: 8006C844 sign 00000000
meth # 2: 800804C4 sign 00000000
meth # 3: 8006BF20 sign 00000000
meth # 4: 8006BF94 sign 00000000
meth # 5: 8006BFEC sign 00000000
meth # 6: 8006C0A0 sign 00000000
meth # 7: 8008383C sign 00000000
meth # 8: 80068FC8 sign 00000000
meth # 9: 800694B0 sign 00000000
meth # 10: 8006968C sign 00000000
...
这是最开始的一个APIset，它的ppfnMethods是0x8004B138，cMethods是185，根据这两个数据得到185个地址，这些地址实际上就是内核系统调用的实现地址。它们的索引相对PRIVATEWINCEOSCOREOSNKKERNELkwin32.h里的Win32Methods数组：
const PFNVOID Win32Methods[] = {
(PFNVOID)SC_Nop,
(PFNVOID)SC_NotSupported,
(PFNVOID)SC_CreateAPISet, / 2
(PFNVOID)EXT_VirtualAlloc, / 3
(PFNVOID)EXT_VirtualFree, / 4
(PFNVOID)EXT_VirtualProtect, / 5
(PFNVOID)EXT_VirtualQuery, / 6
(PFNVOID)SC_VirtualCopy, / 7
(PFNVOID)SC_LoadLibraryW, / 8
(PFNVOID)SC_FreeLibrary, / 9
(PFNVOID)SC_GetProcAddressW, / 10
...
(PFNVOID)SC_InterruptMask, / 184
};
--[ 3 - Windows CE的系统调用
Windows CE没有使用ARM处理器的SWI指令来实现系统调用，SWI指令在Windows CE里是空的，就简单的执行了"movs pc,lr"（详见armtrap.s关于SWIHandler的实现）。Windows CE的系统调用使用了0xf0000000 - 0xf0010000的地址，当系统执行这些地址的时候将会触发异常，产生一个PrefetchAbort的trap。在PrefetchAbort的实现里（详见armtrap.s）首先会检查异常地址是否在系统调用trap区，如果不是，那么执行ProcessPrefAbort，否则执行ObjectCall查找API地址来分派。
通过APIset和其API的索引可以算出系统调用地址，其公式是：0xf0010000-(256*apiset apinr)*4。比如对于SC_CreateAPISet的系统调用可以这样算出来：0xf0010000-(256*0 2)*4=0xF000FFF8。
--[ 4 - coredll.dll对API的包裹
选择一个没有参数的SetCleanRebootFlag()进行分析，IDAPro对其的反汇编如下：
.text:01F74F70 EXPORT SetCleanRebootFlag
.text:01F74F70 SetCleanRebootFlag
.text:01F74F70 STMFD SP!, {R4,R5,LR}
.text:01F74F74 LDR R5, =0xFFFFC800
.text:01F74F78 LDR R4, =unk_1FC6760
.text:01F74F7C LDR R0, [R5] ; (2FF00-0x14) -> 1
.text:01F74F80 LDR R1, [R0,#-0x14]
.text:01F74F84 TST R1, #1
.text:01F74F88 LDRNE R0, [R4] ; 8004B138 ppfnMethods
.text:01F74F8C CMPNE R0, #0
.text:01F74F90 LDRNE R1, [R0,#0x134]
.text:01F74F94 LDREQ R1, =0xF000FECC
.text:01F74F98 MOV LR, PC
.text:01F74F9C MOV PC, R1 ; 80062AAC SC_SetCleanRebootFlag
.text:01F74FA0 LDR R3, [R5]
.text:01F74FA4 LDR R0, [R3,#-0x14]
.text:01F74FA8 TST R0, #1
.text:01F74FAC LDRNE R0, [R4] ; 8004B138 ppfnMethods
.text:01F74FB0 CMPNE R0, #0
.text:01F74FB4 LDRNE R0, [R0,#0x25C]
.text:01F74FB8 MOVNE LR, PC ; 800810EC SC_KillThreadIfNeeded
.text:01F74FBC MOVNE PC, R0
.text:01F74FC0 LDMFD SP!, {R4,R5,PC}
.text:01F74FC0 ; End of function SetCleanRebootFlag
写一个包含SetCleanRebootFlag()函数的小程序用EVC进行跟踪调试，按F11进入该函数以后，程序首先取KDataStruct的lpvTls成员，然后取lpvTls偏移-0x14的内容，测试该内容是否是1。
得先来了解一下lpvTls偏移-0x14的数据是什么。先看PUBLICCOMMONOAKINCpkfuncs.h里的几个定义：
#define CURTLSPTR_OFFSET 0x000
#define UTlsPtr() (*(LPDWORD *)(PUserKData CURTLSPTR_OFFSET))
#define PRETLS_THRDINFO -5 / current thread's information (bit fields, only bit 0 used for now)
#define UTLS_INKMODE 0x00000001 / bit 1 set if in kmode
看来lpvTls偏移-0x14保存的是当前线程信息，只有第0比特被使用。再来看PRIVATEWINCEOSCOREOSNKKERNELARMmdram.c里的MDCreateMainThread2函数：
...
if (kmode || bAllKMode) {
pTh->ctx.Psr = KERNEL_MODE;
KTHRDINFO (pTh) |= UTLS_INKMODE;
} else {
pTh->ctx.Psr = USER_MODE;
KTHRDINFO (pTh) = ~UTLS_INKMODE;
}
...
KTHRDINFO (pTh)在PRIVATEWINCEOSCOREOSNKINCkernel.h里定义：
#define KTHRDINFO(pth) ((pth)->tlsPtr[PRETLS_THRDINFO])
它就是lpvTls偏移-0x14。也就是说系统在创建主线程的时候，根据程序当前的模式来设置KTHRDINFO的值，如果是内核模式，那么是1，否则是0。
回到coredll.dll中SetCleanRebootFlag的实现，这时可以知道判断lpvTls偏移-0x14的内容是为了检查当前是否内核模式。由于Pocket PC ROM编译时使用了Enable Full Kernel Mode选项，所以程序都是以内核模式运行。于是接着调试时可以看到取0x1FC6760的内容，取出来后，R0的值时0x8004B138，这个值正好是DumpApis程序输出的第一个APIset的ppfnMethods。接下来执行：
.text:01F74F90 LDRNE R1, [R0,#0x134]
.text:01F74F94 LDREQ R1, =0xF000FECC
由于程序是内核模式，所以前一条指令成功取出值，后一条无效。这时R1的值是0x80062AAC，和DumpApis程序输出的一个地址匹配，根据索引，发现这个地址是SC_SetCleanRebootFlag在内核中的实现。其实索引也可以根据这条指令的偏移来取：0x134/4=0x4D(77)，根据kwin32.h里Win32Methods的索引直接就对应出SC_SetCleanRebootFlag。内核模式的话，后面还会执行SC_KillThreadIfNeeded。
如果是用户模式的话，系统会执行0xF000FECC这个地址，这显然是一个系统调用trap地址。根据上面的公式算出索引值：(0xf0010000-0xF000FECC)/4=0x4D(77)，根据kwin32.h里Win32Methods的索引也对应出这是SC_SetCleanRebootFlag。
通过分析coredll.dll对API包裹的实现，可以发现Windows CE在调用一部分API的时候会先判断程序是否处于内核模式，如果是，那么不用系统调用方式，直接奔内核实现地址去了，否则就老老实实的用系统调用地址。
--[ 5 - 用系统调用实现shellcode
系统调用地址相对固定，可以通过索引算出它的trap地址，而且搜索coredll.dll里API地址的方法在用户态是无法实现的，因为模块链表是在内核空间，用户态无法访问。下面就是用系统调用实现的简单shellcode，它的作用是软重启系统，我想对于smartphone的系统应该也是可用（smartphone的ROM在编译时没有用Enable Full Kernel Mode选项）。
#include "stdafx.h"
int shellcode[] =
{
0xE59F0014, / ldr r0, [pc, #20]
0xE59F4014, / ldr r4, [pc, #20]
0xE3A01000, / mov r1, #0
0xE3A02000, / mov r2, #0
0xE3A03000, / mov r3, #0
0xE1A0E00F, / mov lr, pc
0xE1A0F004, / mov pc, r4
0x0101003C, / IOCTL_HAL_REBOOT
0xF000FE74, / trap address of KernelIoControl
};
int WINAPI WinMain( HINSTANCE hInstance,
HINSTANCE hPrevInstance,
LPTSTR lpCmdLine,
int nCmdShow)
{
((void (*)(void)) shellcode)();
return 0;
}
--[ 6 - 小结
通过本文可以了解到Windows CE API机制的大概轮廓，对于系统调用的具体流程，也就是trap后的具体流程还不是很清晰，本文也就一块破砖头，希望能砸到几个人，可以一起讨论；）
文中如有错误还望不吝赐教，希望Xcon'05见。
--[ 7 - 感谢
非常感谢Nasiry对我的帮助，在他的帮助下才得以完成此文。
--[ 8 - 参考资料
[1] Spy: A Windows CE API Interceptor by Dmitri Leman
Dr. Dobb's Journal October 2003
[2] misc notes on the xda and windows ce
http:/www.xs4all.nl/~itsme/projects/xda/
[3] windowsCE异常和中断服务程序初探 by Nasiry
http:/www.cnblogs.com/nasiry/archive/2004/12/27/82476.html
http:/www.cnblogs.com/nasiry/archive/2005/01/06/87381.html
[4] Windows CE 4.2 Source Code
linux操作系统文章专题:linux操作系统详解（linux不再难懂）
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