[嵌入式]使用PongoOS读取苹果ARM64 CPU功能支持寄存器

前言

苹果自A6开始采用定制CPU核心，A7是全球第一款使用64位ARM的处理器。苹果CPU性能一直领先高通，必有一定的原因。通过读取ARM64 ID registers，或许能侧面揭晓一些答案。

PongoOS

自2019年checkm8漏洞公开以来，很快有大神们利用该漏洞制作了checkra1n越狱工具，为了方便地支持A7-A11多个硬件平台，多个iOS版本，checkra1n实现了一个Preboot environment，名为PongoOS，一个简易的操作系统。

checkra1n运行时利用checkm8将PongoOS注入iBoot，PongoOS通过内存Hook劫持iBoot，利用iBoot初始化平台，并在iBoot执行末尾启动自身，Pongo启动后加载KPF(Kernel Patch Finder)内核模块，KPF会patch掉内存中的iOS内核。

PongoOS目前已经开源，可以当作苹果硬件的实验环境使用。

编译启动PongoOS

在修改PongoOS之前，需要能够编译PongoOS，能够使用checkra1n启动iPhone。

PongoOS源码：

https://github.com/checkra1n/pongoOS

支持macOS和Linux编译，根据官方readme，macOS下编译会简单一些：

• Install Xcode + command-line utilities
• Run?make all

需要安装Xcode及其命令行工具。（命令行工具只需要在终端里运行git等命令就会自动弹出来）

先跑一遍make all，build下应该生成Pongo.bin，安装checkra1n后可通过以下命令启动：

/Applications/checkra1n.app/Contents/MacOS/checkra1n -c -p -k ./build/Pongo.bin

接下来

cd scripts/

make

会生成pongoterm工具，通过它就可以通过USB和iPhone上的PongoOS shell交互了。

一切准备就绪以后，可以修改Pongo源码，在pongo shell里添加读取ARM64寄存器的命令了。

?

读取ARM64功能支持寄存器

打开 src/shell/main.c, 在shell_main函数以前加入读寄存器的命令：

void read_aa64_ids_cmd(const char* cmd, char* args) {
//PongoOS有一个command handler,用户输入的命令和参数会以char*传递给相应命令处理函数
//也就是说，需要自己解析args（不过这里并不需要）

    uint64_t id; //要读的寄存器是64位的
    __asm__("mrs %0, ID_AA64ISAR0_EL1" : "=r" (id) : : );//通过内联asm读取寄存器
    iprintf("ID_AA64ISAR0_EL1 is %llx\n", id);

    __asm__("mrs %0, ID_AA64ISAR1_EL1" : "=r" (id) : : );
    iprintf("ID_AA64ISAR1_EL1 is %llx\n", id);

    __asm__("mrs %0, ID_AA64MMFR0_EL1" : "=r" (id) : : );
    iprintf("ID_AA64MMFR0_EL1 is %llx\n", id);

    __asm__("mrs %0, ID_AA64MMFR1_EL1" : "=r" (id) : : );
    iprintf("ID_AA64MMFR1_EL1 is %llx\n", id);

    __asm__("mrs %0, ID_AA64MMFR2_EL1" : "=r" (id) : : );
    iprintf("ID_AA64MMFR2_EL1 is %llx\n", id);

    __asm__("mrs %0, ID_AA64PFR0_EL1" : "=r" (id) : : );
    iprintf("ID_AA64PFR0_EL1 is %llx\n", id);
}

然后在shell_main函数里注册刚添加的命令：

void shell_main() {
    /*
        Load command handler
    */

    extern void task_list(const char *, char*);
    //注册read_aa64_ids_cmd函数，命令名aa64id
    command_register("aa64id", "Read AArch64 ID registers", read_aa64_ids_cmd);
    command_register("panic", "calls panic()", panic_cmd);

保存main.c，再次make all 生成Pongo.bin，再次通过checkra1n命令启动。

结果

在PongoOS shell中执行我们新添加的命令，即可读取苹果CPU的支持状态了。

我在A7(iPhone 5S)和A10(iPhone 7)上测试了读取：

A7:

pongoOS> aa64id
ID_AA64ISAR0_EL1 is 1110 //支持基本AES, SHA2, SHA1
ID_AA64ISAR1_EL1 is 0 //无支持
ID_AA64MMFR0_EL1 is 11021 //36 bits, 64GB物理地址 16 bits.ASID , EL3/1不支持BigEnd, EL0支持BigEnd, 支持SNSMem, 支持4KB和64KB内存页表
ID_AA64MMFR1_EL1 is 0 //无支持
ID_AA64MMFR2_EL1 is 0 //无支持
ID_AA64PFR0_EL1 is 1012 //EL3,EL1仅AArch64, EL0可AArch64或AArch32, 未实现EL2

A10:

pongoOS> aa64id
ID_AA64ISAR0_EL1 is 10011120 //支持AES(PMULL/PMULL2), SHA2, SHA1, CRC32, FEAT_RDM , 不支持原子操作指令（违反Armv8.1规范）
ID_AA64ISAR1_EL1 is 0 //无支持
ID_AA64MMFR0_EL1 is f0100001//36 bits, 64GB物理地址 8 bits.ASID, 不支持SNSMem, 不支持BigEnd,支持16KB和64KB内存页表
ID_AA64MMFR1_EL1 is 111000 //支持Hierarchical Permission Disables,LORegions,Privileged Access Never(均Armv8.1强制要求)
ID_AA64MMFR2_EL1 is 0 //无支持
ID_AA64PFR0_EL1 is 12 //EL1仅AArch64, EL0可AArch64或AArch32, 未实现EL3,EL2

其中A7兼容Armv8.0-A，A10?Armv8.1-A。（真的完全兼容吗？）

通过上面的读取结果，可以看到：

1.苹果的ARM64处理器A7开始就不支持EL2(虚拟化)，最近的M1/A14X因为要在mac上用才开始支持(且仅支持VHE模式，因为macOS只用这个模式)

2.苹果不使用ARM TrustZone实现加密敏感的操作，而是通过一个独立的SEP实现。但是在A7-A9上，为了实现KPP(Kernel Patch Protection)，苹果使用了EL3。

而自A10开始，苹果使用了更加可靠的KTRR及其演进版本APRR代替KPP，于是苹果在A10里立刻砍掉了EL3支持。

3.A7和A10都使用了36bits物理地址。（已经完全够用了）

4.在A7中部分支持的大端模式已经在A10彻底砍掉。

5.因为不用EL3(TrustZone)，A10没有SNSMem安全内存标识。

6.A7中的16bits ASID在A10变成了8bits(也够用了)

7.A10中砍掉了4KB内存页表支持，添加了16KB页表支持

这是iPhone7上很难运行安卓，（目前）不能运行Win10的原因之一。有很多人讨论4KB和16KB的优劣，苹果应该是测试发现16KB在iPhone场景效率更高一些。

8.A10的结果可以看到，其中有明显违反ARM规范的地方。事实上1中仅支持VHE也是违反ARM specs的。

9.A7开始就不支持32bit EL1(仅支持64位操作系统)

综合来看，苹果因为掌握App Store的控制权，很容易要求开发者按照相应的规范适配，更不用考虑运行macOS/iOS体系以外的软件，因此也就没有安卓/Windows那么重的历史包袱，想要放弃一些CPU功能很容易(例如32位支持)。

因此苹果的原则就是，仅保留需要用的CPU功能，多余的使劲砍，需要用的不断优化，自然开销更低，效率也会高一些。

还有一个疑问：从A10返回结果来看，EL0支持AArch32模式（32位），但是不知为何在Project Sandcastle的readme里写道iPhone 7上的安卓不支持32位apk。

参考

Arm Armv8-A Architecture Registers

https://developer.arm.com/documentation/ddi0595/2021-06/AArch64-Registers