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从Windows到Bios的桥梁：Windbg跟踪Win7开启ACPI【文末抽红包】

hyjxiaobia Java技术迷 2021-11-29

本文为看雪论坛优秀文章

看雪论坛作者ID：hyjxiaobia


由于windows设备驱动程序被设计成以设备堆栈(Device stack)的形式，下层驱动向上提供支持，所以我们习惯于不加思考的在设备栈的上层使用来自下层驱动的各种已有功能。当我还在做驱动程序时，经常见到这些句话：

A1."功能驱动(Fdo)收到IRP_MJ_PNP&IRP_MN_START后，会向总线驱动(Pdo)查询并正确配置所需的硬件资源，如IO Port/IRQ/Mem等，然后才开始工作"。

这段话我一直感到困惑：功能驱动的硬件资源来自总线驱动，那么总线驱动的资源由谁提供？可能有人会这样释疑：由物理总线仲裁分配。

A2."设备驱动从D0进入D3，保存设备上下文以后，设备(特指硬件上的设备)将进入D3 Sleep状态"。

这段话就更困惑了，为什么保存设备上下文(往往是驱动层面上的上下文)后，硬件就能下电了？

A3.OS进入Sleep后，当支持唤醒功能的设备收到中断信号后，唤醒OS。其实，进入Sleep状态后，CPU不会运行任何指令，OS和驱动程序不可能执行；另外，OS作为驱动程序的载体，不可能驱动程序先于OS提前醒来并唤醒OS的情况(驱动程序在梦游？)。

那么，所谓的驱动程序Wakeup功能又是指什么？
    
上面有些问题看似很难有答案，另一些问题的答案又回答的很模糊，像是顺着设备堆栈的思路，把问题抛给更底层。

这种不能释怀的情绪伴随了很多年(我简直是带着问题工作！)，直到我转做Bios一段时间，并无意中得到xp泄露的源码后，我觉得我可能释疑了。所以打算用几篇文章输出一下自己的观点。

本文暂不回答上面3个问题，只用于引入文章的主角----作为沟通OS和Bios的桥梁，ACPI.sys（它是windows对ACPI spec中反复出现的OSPM的平台实现）。windows通过ACPI.sys，借助BIOS的实现上述功能A1/A2；GPIO信号跳变后，触发SCI中断，引起Bios执行平台唤醒功能，并在此过程中重新加载OS，最终实现上述功能A3。

ACPI如此重要，值得我们好好研究。本文从两个侧面介绍win7 x86上开启ACPI的过程：Bios侧和windows侧。



Part 1. Bios侧对开启ACPI的支持


根据ACPI spec(Version 6.2)，FADT表中的SMI_CMD和ACPI_ENABLE与ACPI开启有关：


如spec所述，Bios在初始化过程中配置完包含SMI_CMD和ACPI_ENABLE（重点强调，这是Bios设置的，相当于提供给OS的接口。对于同一台机器不论装什么OS，这个值是固定的）的整个ACPI table，然后加载到内存。

OS在引导过程中会向SMI_CMD指定的端口写入ACPI_ENABLE设定的值，触发SMI中断；SMI中断触发后会进入Bios的SMM Handler，由Bios执行开启ACPI所需的设置。到vm上看下这两项的设置：


SMI_CMD是0xB2，这是一个特殊值，Intel PCH spec上对这个端口有详细说明：当APMC_En bit enable后，往APM_CNT，就是RW中的0xB2写入数值就会引起SMI中断。下面截图选自Intel PCH spec：



UEFI框架中会用下列形式注册SMI Handler，当往0xB2端口写入SwSmiInputValue时，就会触发SMI中断，并执行SMI处理函数EnableAcpiCallback（附注，SMI处理函数的运行对于OS而言是透明的，这句话读者自己细品）
SwContext.SwSmiInputValue = (UINTN) PcdGet8 (PcdAcpiEnableSwSmi); Status = SwDispatch->Register ( SwDispatch, EnableAcpiCallback, &SwContext, &SwHandle );

同理，Bios为了支持windows开启ACPI，也会以同样的方式注册SMI处理函数。对于VMware，它注册的值是0xF0，注册后，往ACPI table Fadt->ACPI_Enable域写入0xF0，之后默默的等windows开启ACPI。


新Part 2. Windows侧开启ACPI


debug前的准备工作：
bcdedit /debug onbcdedit /bootdebug on ;不开这个，windows开启ACPI的瞬间，windbg和目标机的调试会话可能会被重置

根据泄露的windows xp源码，可以发现Xp时代，开启ACPI的相关代码位于ACPIEnableEnterACPIMode 函数中：
//busdrv\acpi\driver\shared\acpienbl.cVOIDACPIEnableEnterACPIMode ( VOID );/*++Routine Description: This routine is called to enter ACPI modeArguments: NoneReturn Value: None--*/

不过这段代码来自Xp，我们调试的目标是win7，调试前得先确认下这部分代码是否存在变化：
kd>x ACPI!ACPIEnableEnterACPIMode ;搜索函数名ACPI!ACPIEnableEnterACPIMode ;居然函数还在，看来Win7还是用这个函数开启ACPIkd> bp acpi!ACPIEnableEnterACPIMode ;那就下断点kd> gBreakpoint 0 hitACPI!ACPIEnableEnterACPIMode:88cdbce0 8bff mov edi,edi

当触发断点后，看下调用堆栈等信息，可以看出此时OS处于初始化Phase1阶段。
kd> gBreakpoint 0 hitACPI!ACPIEnableEnterACPIMode:88cc2ce0 8bff mov edi,edikd> kb # ChildEBP RetAddr Args to Child 00 8078b644 88cc2e25 00000000 8078b66c 88cfde24 ACPI!ACPIEnableEnterACPIMode01 8078b650 88cfde24 00000000 82a0f940 88cf5ae0 ACPI!ACPIEnableInitializeACPI+0x1f02 8078b66c 88cbe556 87d4cc60 87e548a0 00000000 ACPI!ACPIInitialize+0xe203 8078b69c 88d050c2 87d4cc60 886e81a0 88d04f38 ACPI!ACPIInitStartACPI+0x6a04 8078b6c8 88cb927e 87d4cc60 886e8100 87d4cc60 ACPI!ACPIRootIrpStartDevice+0x18a05 8078b6f8 82a7c11a 87d4cc60 87e548a0 886e8258 ACPI!ACPIDispatchIrp+0x13a06 8078b718 82f8f531 00000000 87e535d8 87d4b008 nt!IofCallDriver+0x7e07 8078b734 82a89506 8078b76c 82a892ea 87d4e4a0 nt!PnpAsynchronousCall+0x10908 8078b7a0 82f976be 82a892ea 87d4e4a0 00000000 nt!PnpStartDevice+0x18409 8078b7fc 82f96b27 00000012 00000000 87d4e4a0 nt!PnpStartDeviceNode+0x2a60a 8078b818 82f8b0b8 00000000 00000000 00000000 nt!PipProcessStartPhase1+0x870b 8078ba14 82a87f83 87df5748 00000000 8078ba50 nt!PipProcessDevNodeTree+0x1cc0c 8078ba5c 82a87e4a 00000000 87d4cab8 00000000 nt!PnpDeviceActionWorker+0x1290d 8078ba74 832b06ba 00000000 00000000 00000000 nt!PnpRequestDeviceAction+0x15e0e 8078baec 832ad52b 8080f8c0 00000000 80810e50 nt!IopInitializeBootDrivers+0x4140f 8078bb6c 832a29b7 8080f8c0 87de25e0 87de2270 nt!IoInitSystem+0x59310 8078bc4c 82ecd012 8078bc90 8313d0da 8080f8c0 nt!Phase1InitializationDiscard+0xd6711 8078bc54 8313d0da 8080f8c0 0010209f 00000000 nt!Phase1Initialization+0xd12 8078bc90 82be6555 82ecd005 8080f8c0 00000000 nt!PspSystemThreadStartup+0x17813 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 nt!KiThreadStartup+0x19

另外，调用堆栈Frame#06有个熟悉的函数调用：IofCallDriver，参数显示的DeviceInst:ACPI_HAL\PNP0C08，它就是ACPI spec中指定ACPI.sys(OSPM)。
kd> !devstack 87e535d8 !DevObj !DrvObj !DevExt ObjectName 87d4cc60 \Driver\ACPI 87e548a0 > 87e535d8 \Driver\ACPI_HAL 87e53690 0000006c!DevNode 87d4b008 : DeviceInst is "ACPI_HAL\PNP0C08\0" ;<---PNP0C08 ServiceName is "ACPI"



继续往下调试，会看到OS从全局变量ACPI!AcpiInformation+0x04处获得信息，感觉ACPI!AcpiInformation是个结构体指针：
kd> pACPI!ACPIEnableEnterACPIMode+0x81:88cdbd61 a194bbd088 mov eax,dword ptr [ACPI!AcpiInformation (88d0bb94)] kd> u ACPI!ACPIEnableEnterACPIMode+0x818bf8 mov edi,eaxa1942bcf88 mov eax,dword ptr [ACPI!AcpiInformation (88cf2b94)]8b4004 mov eax,dword ptr [eax+4] ;<---从结构体偏移取值660fb64034 movzx ax,byte ptr [eax+34h] ;<---ACPI!AcpiInformation+4处取得的值仍然是结构体指针0fb7c0 movzx eax,ax

ACPI!AcpiInformation结构体长成什么样，dump出来看一下？

顺带一提，dt的输出结果中，从ACPI!_ACPIInformation!PM1a_BLK开始到ACPI!_ACPIInformation!GpeSize都是ACPI spec中定义的Fixed Hardware Register。
kd> dt _ACPIInformationACPI!_ACPIInformation +0x000 RootSystemDescTable : Ptr32 _RSDT_32 +0x004 FixedACPIDescTable : Ptr32 _FADT +0x008 FirmwareACPIControlStructure : Ptr32 _FACS +0x00c DiffSystemDescTable : Ptr32 _DSDT +0x010 MultipleApicTable : Ptr32 _MAPIC +0x014 GlobalLock : Ptr32 Uint4B +0x018 GlobalLockQueue : _LIST_ENTRY +0x020 GlobalLockQueueLock : Uint4B +0x024 GlobalLockOwnerContext : Ptr32 Void +0x028 GlobalLockOwnerDepth : Uint4B +0x02c ACPIOnly : UChar +0x030 PM1a_BLK : Uint4B +0x034 PM1b_BLK : Uint4B +0x038 PM1a_CTRL_BLK : Uint4B +0x03c PM1b_CTRL_BLK : Uint4B +0x040 PM2_CTRL_BLK : Uint4B +0x044 PM_TMR : Uint4B +0x048 GP0_BLK : Uint4B +0x04c GP0_ENABLE : Uint4B +0x050 GP0_LEN : UChar +0x052 Gpe0Size : Uint2B +0x054 GP1_BLK : Uint4B +0x058 GP1_ENABLE : Uint4B +0x05c GP1_LEN : UChar +0x05e Gpe1Size : Uint2B +0x060 GP1_Base_Index : Uint2B +0x062 GpeSize : Uint2B +0x064 SMI_CMD : Uint4B +0x068 pm1_en_bits : Uint2B +0x06a pm1_wake_mask : Uint2B +0x06c pm1_wake_status : Uint2B +0x06e c2_latency : Uint2B +0x070 c3_latency : Uint2B +0x074 ACPI_Flags : Uint4B +0x078 ACPI_Capabilities : Uint4B +0x07c Dockable : UChar

再dump出ACPI!AcpiInformation->FixedACPIDescTable的内存，可以发现，其中smi_cmd_io_port/acpi_on_value的值和前面RW截图中显示的值一致。
kd> dx -id 0,0,ffffffff87de2548 -r1 ((ACPI!_FADT *)0xffd07010)((ACPI!_FADT *)0xffd07010) : 0xffd07010 [Type: _FADT *] [+0x000] Header [Type: _DESCRIPTION_HEADER] [+0x024] facs : 0x3fefffc0 [Type: unsigned long] [+0x028] dsdt : 0x3fee1652 [Type: unsigned long] [+0x02c] int_model : 0x0 [Type: unsigned char] [+0x02d] pm_profile : 0x0 [Type: unsigned char] [+0x02e] sci_int_vector : 0x9 [Type: unsigned short] [+0x030] smi_cmd_io_port : 0xb2 [Type: unsigned long] ;<---SMI_CMD [+0x034] acpi_on_value : 0xf0 [Type: unsigned char] ;<---ACPI_ENABLE [+0x035] acpi_off_value : 0xf1 [Type: unsigned char]

之后，继续跟踪代码运行，Windows通过调用WRITE_ACPI_REGISTER，往0xB2写入0xf0，触发SMI中断，调用前面提到的Bios Smi Handler，在硬件上开启ACPI。

注意WRITE_ACPI_REGISTER是个宏定义，其实现如下。
//busdrv\acpi\driver\shared\acpiio.h#define WRITE_ACPI_REGISTER(AcpiReg, Register, Value) ((*AcpiWriteRegisterRoutine)((AcpiReg), (Register), (Value))) //busdrv\acpi\driver\shared\acpiio.c:PWRITE_ACPI_REGISTER AcpiWriteRegisterRoutine = DefWriteAcpiRegister;

换言之，Windows通过调用是DefWriteAcpiRegister来写0xB2寄存器，下面代码段我只贴出和SMI_CMD相关的代码：
VOIDDefWriteAcpiRegister( ACPI_REG_TYPE AcpiReg, ULONG Register, USHORT Value )/*++ Routine Description: Write to the specified ACPI fixed register. Arguments: AcpiReg - Specifies which ACPI fixed register to write to. Register - Specifies which GP register to write to. Not used for PM1x registers. Value - Data to write. Return Value: None. --*/{ switch (AcpiReg) {.. case SMI_CMD: WRITE_PORT_UCHAR((PUCHAR)AcpiInformation->SMI_CMD, (UCHAR)Value); break; default: break; }}

至此，我们已经开启了ACPI的大门。

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