硬件断点的原理
Intel 80306以上的CPU给我们提供了调试寄存器用于软件调试，硬件断点是通过设置调试寄存器实现的。
图1 调试寄存器
图1为Intel手册提供的32位操作系统下8个调试寄存器的图示(Intel手册卷3 17章第二节 Debug Registers，有兴趣的朋友可以查阅)，根据介绍，DR0-DR3为设置断点的地址，DR4和DR5为保留，
DR6为调试异常产生后显示的一些信息，DR7保存了断点是否启用、断点类型和长度等信息。
我们在使用硬件断点的时候，就是要设置调试寄存器，将断点的位置设置到DR0-DR3中，断点的长度设置到DR7的LEN0-LEN3中，将断点的类型设置到DR7的RW0-RW3中，将是否启用断点设置到DR7的L0-L3中。
设置硬件断点需要的DR0-DR3很简单，就是下断点的地址，DR7寄存器很复杂，位段信息结构体如下：
typedef struct _DBG_REG7
{
/*
// 局部断点(L0~3)与全局断点(G0~3)的标记位
*/
unsigned L0 : 1; // 对Dr0保存的地址启用 局部断点
unsigned G0 : 1; // 对Dr0保存的地址启用 全局断点
unsigned L1 : 1; // 对Dr1保存的地址启用 局部断点
unsigned G1 : 1; // 对Dr1保存的地址启用 全局断点
unsigned L2 : 1; // 对Dr2保存的地址启用 局部断点
unsigned G2 : 1; // 对Dr2保存的地址启用 全局断点
unsigned L3 : 1; // 对Dr3保存的地址启用 局部断点
unsigned G3 : 1; // 对Dr3保存的地址启用 全局断点
/*
// 【以弃用】用于降低CPU频率，以方便准确检测断点异常
*/
unsigned LE : 1;
unsigned GE : 1;
/*
// 保留字段
*/
unsigned Reserve1 : 3;
/*
// 保护调试寄存器标志位，如果此位为1，则有指令修改条是寄存器时会触发异常
*/
unsigned GD : 1;
/*
// 保留字段
*/
unsigned Reserve2 : 2;
unsigned RW0 : 2; // 设定Dr0指向地址的断点类型
unsigned LEN0 : 2; // 设定Dr0指向地址的断点长度
unsigned RW1 : 2; // 设定Dr1指向地址的断点类型
unsigned LEN1 : 2; // 设定Dr1指向地址的断点长度
unsigned RW2 : 2; // 设定Dr2指向地址的断点类型
unsigned LEN2 : 2; // 设定Dr2指向地址的断点长度
unsigned RW3 : 2; // 设定Dr3指向地址的断点类型
unsigned LEN3 : 2; // 设定Dr3指向地址的断点长度
}DBG_REG7, *PDBG_REG7;
需要注意的是，设置硬件断点时，断点的长度、类型和地址是有要求的。
设置要求
图2 调试寄存器的设置要求
如图2所示，保存DR0-DR3地址所指向位置的断点类型(RW0-RW3)与断点长度(LEN0-LEN3)，状态描述如下：
00：执行 01：写入 11：读写
00：1字节 01：2字节 11：4字节
设置硬件执行断点时，长度只能为1(LEN0-LEN3设置为0时表示长度为1)
设置读写断点时，如果长度为1，地址不需要对齐，如果长度为2，则地址必须是2的整数倍，如果长度为4，则地址必须是4的整数倍。
原理大概就是这么多了，下面就是实现了。
硬件断点的实现
实现硬件断点，首先要获取当前线程环境
//获取线程环境
CONTEXT g_Context = { 0 };
g_Context.ContextFlags = CONTEXT_CONTROL;
GetThreadContext(hThread, &g_Context);
在CONTEXT结构体中，存放了诸多当前线程环境的信息，以下是从winnt.h文件中找到的CONTEXT结构体
typedef struct _CONTEXT {
//
// The flags values within this flag control the contents of
// a CONTEXT record.
//
// If the context record is used as an input parameter, then
// for each portion of the context record controlled by a flag
// whose value is set, it is assumed that that portion of the
// context record contains valid context. If the context record
// is being used to modify a threads context, then only that
// portion of the threads context will be modified.
//
// If the context record is used as an IN OUT parameter to capture
// the context of a thread, then only those portions of the thread's
// context corresponding to set flags will be returned.
//
// The context record is never used as an OUT only parameter.
//
DWORD ContextFlags;
//
// This section is specified/returned if CONTEXT_DEBUG_REGISTERS is
// set in ContextFlags. Note that CONTEXT_DEBUG_REGISTERS is NOT
// included in CONTEXT_FULL.
//
DWORD Dr0;
DWORD Dr1;
DWORD Dr2;
DWORD Dr3;
DWORD Dr6;
DWORD Dr7;
//
// This section is specified/returned if the
// ContextFlags word contians the flag CONTEXT_FLOATING_POINT.
//
FLOATING_SAVE_AREA FloatSave;
//
// This section is specified/returned if the
// ContextFlags word contians the flag CONTEXT_SEGMENTS.
//
DWORD SegGs;
DWORD SegFs;
DWORD SegEs;
DWORD SegDs;
//
// This section is specified/returned if the
// ContextFlags word contians the flag CONTEXT_INTEGER.
//
DWORD Edi;
DWORD Esi;
DWORD Ebx;
DWORD Edx;
DWORD Ecx;
DWORD Eax;
//
// This section is specified/returned if the
// ContextFlags word contians the flag CONTEXT_CONTROL.
//
DWORD Ebp;
DWORD Eip;
DWORD SegCs; // MUST BE SANITIZED
DWORD EFlags; // MUST BE SANITIZED
DWORD Esp;
DWORD SegSs;
//
// This section is specified/returned if the ContextFlags word
// contains the flag CONTEXT_EXTENDED_REGISTERS.
// The format and contexts are processor specific
//
BYTE ExtendedRegisters[MAXIMUM_SUPPORTED_EXTENSION];
} CONTEXT;
从CONTEXT结构体中我们可以看到存放了调试寄存器 Dr0-Dr3和Dr6、Dr7，通过设置这些寄存器我们可以实现硬件断点。
已经获取了当前线程环境，接下来就是设置调试寄存器
//传入下断点的地址、类型、长度
void SetHardBP(DWORD addr, BreakPointHard type, BreakPointLen len)
{
//利用上文中的DR7寄存器位段信息
DBG_REG7 *pDr7 = (DBG_REG7 *)&g_Context.Dr7;
if (len == 1)
{
//两字节的对齐粒度
addr = addr - addr % 2;
}
else if (len == 3)
{
//四字节的对齐粒度
addr = addr - addr % 4;
}
if (pDr7->L0 == 0)
{
g_Context.Dr0 = addr; //利用Dr0寄存器存放地址
pDr7->RW0 = type; //Dr7寄存器中的RW0设置类型
pDr7->LEN0 = len; //Dr7寄存器中的LEN0设置长度
pDr7->L0 = 1; //Dr7寄存器中的L0启用断点
}
else if (pDr7->L1 == 0)
{
g_Context.Dr1 = addr;
pDr7->RW1 = type;
pDr7->LEN1 = len;
pDr7->L1 = 1;
}
else if (pDr7->L2 == 0)
{
g_Context.Dr2 = addr;
pDr7->RW2 = type;
pDr7->LEN2 = len;
pDr7->L2 = 1;
}
else if (pDr7->L3 == 0)
{
g_Context.Dr3 = addr;
pDr7->RW3 = type;
pDr7->LEN3 = len;
pDr7->L3 = 1;
}
}
调试寄存器的信息设置好之后，我们要将当前环境保存
//设置当前环境
SetThreadContext(hThread, &g_Context);
由此，硬件断点的大致实现思路已经完成。
本人理解有限，如有错误，请批评指正！
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发表于 2018-12-31 16:40
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