如何利用IDA Pro逆向分析ARM 二进制映像

 在本文中，我们将以ANYTONE 878UVII对讲机中的固件为例，为大家演示如何对ARM固件映像进行逆向分析。不过，本文中的大部分内容，对于ARM架构来说都是通用的。

本文假设读者已经熟悉IDA Pro，并且至少分析过一些普通的二进制文件。如果您还不熟悉IDA，只需在网上搜索一下，就能找到许多非常优秀的入门教程，大家可以先通过它们来掌握相关的基础知识。

固件映像

就本文来说，我们只需IDA Pro和ANYTONE 878UVII对讲机的固件映像就能搞定我们的实验。并且，所需的映像还可以从分销商网站下载。实际上，下载哪个版本并不重要，但本文是将以2.04版本为例进行介绍。

在下载的更新包中，我们可以找到FW文件夹，其中包含三个文件：CDI、SPI和CDD文件。其中，CDD是最大的文件，它实际上就是我们要分析的固件映像。

这次我们的运气不错，因为这个固件映像并没有加密，否则，事情就会麻烦一些。它只是内部闪存中的映像，甚至连文件头都没有。并且，该文件的元数据被拆分为单独的文件。所以，我们可以直接在IDA Pro中加载CDD文件。

技术背景

ANYTONE 878系列对讲机使用的是GigaDevice GD32 ARM Cortex-M4微控制器：通过拆开对讲机，我们就能看到这些芯片的型号。

除了拆对讲机外，实际上还有另一种更方便的方法：查询FCC。如果您的设备符合FCC的要求，网上应该有关于它的公开信息。这时，我们可以直接在FCC或独立的数据库中搜索制造商的信息。大多数情况下，我们会找到一份带有“内部照片”的文件。这个文件通常能够提供我们感兴趣的信息，比如芯片型号等，这样，我们就不用拆机了。

重要的是，我们建议大家下载CPU的数据表，并保存起来供后面使用：后面步骤中需要设置的参数，都可以从中找到。

关于CPU的相关设置

首先要做的是，把CDD拖到打开的IDA Pro窗口中，或者通过文件菜单打开它。IDA会检测出这是一个二进制文件。然后，将“Processor type”指定为 “ARM little-endian”，具体如下图所示。

现在，先别按“Ok”按钮，因为还要对处理器选项进行一些设置。我们知道，这种设备使用的处理器是基于ARMv7E-M架构的。因此，我们必须对处理器选项做相应的修改。最佳设置如下图所示；为此，需要按下“Processor options”菜单中的“Edit ARM architecture Options”按钮，这样就可以找到中间的窗格了。

由于这个项目与Thumb指令集高度相关，所以也建议在“ARM specific options”中勾选“No automatic ARM THUMB switching”选项。虽然这一点并没有显示在上面的截图中，但对本项目来说的确是一个非常有用的设置。

加载映像

现在，我们已经完成了基本的CPU设置。接下来，我们需要将加载的固件映像重新定位到正确的偏移量处。这个固件映像将被加载到IDA数据库的ROM部分。由于CPU不会从文件中的0x00处开始加载映像，所以，我们必须重新定位。如果跳过这一步，交叉引用将被破坏，反汇编文件将无法正常工作。我们的目标设备中使用的ARM CPU将要求映像从偏移量0x8004000处开始。这里其实就是映射到物理ROM的内存位置，所以，我们需要将文件映射到这个地址。

在单击“Load new file”对话框中的Ok按钮之后，将会出现如下所示的对话框。通常情况下，RAM的大小和ROM的大小并不需要调整。它们现在已经正确地自动填充好了。

接下来要做的事情，就是创建一个RAM分区。为此，可以勾选“Create RAM section”，分配的RAM将从0x20000000位置开始，长度为0x17FFF。

如何找到正确的内存偏移量

如果读者是第一次接触这方面的内容，通常会有这样的疑问：这些值是如何确定的？答案很简单，我们可以从之前下载的数据手册中找到它们。

从第17页的内存映射部分，我们可以找到主闪存（固件文件）的加载地址。而在第16页中，我们可以找到SRAM偏移量和这段内存的长度。

很简单吧？上面所做的只是将文件/映像重新定位到从我们的数据表中获取的正确位置。关于主闪存有一个小技巧，第一个0x4000似乎是由引导程序获取的，所以，我们的二进制文件必须位于0x8004000处。

二进制文件的结构

对于第一次使用IDA的读者来说，感觉可能非常奇怪：它并没有像其他软件一样进行自动分析，也没有展示程序代码，相反，它只是给出了大量的十六进制字符。难道是我们哪里做错了吗？很可能不是。如果您正在使用IDA Pro分析固件映像，这是非常正常的现象。这里的难点在于，我们必须自己从头开始进行分析。

但这也没有想象的那么难。首先，让我们考察文件的开头位置。这是ARM CPU开始执行代码的地方。在这个偏移量处，一个被称为向量表的结构被定位，它在ARM Cortex通用用户指南中有很好的详细描述。

正如我们在用户指南的图形中所看到的，偏移量0x0000(0x08004000)处包含初始堆栈指针。CPU将在这个地址加载接下来的四个字节，并将其用作指向未来堆栈的指针。

复位处理程序

接下来的字节是各种处理程序，最重要的是复位处理程序（reset handler）。它正是CPU要启动或重新启动时将会跳转到的地方。

它又是一个4字节的地址，对于我们的映像来说，这个地址很容易解析。正如链接的ARM用户指南文章所告诉我们的，如果地址的最低有效位为1，则处理程序为Thumb。

在我们的例子中，该地址的最后一个字节是0xF9，二进制形式为11111001B。我们可以看到，这里的最低有效位确实是1。因此，我们需要将复位处理程序的入口点改为Thumb。实际上，复位处理程序的实际偏移量也由于该位的值而移动了一个字节。

0xF9 = 11111001b (with Thumb indicator)

0xF8 = 11111000b (without)

单击这个偏移量，就会跳转到复位处理程序的地址减1个字节的地方。现在，请按“Alt+G”，这时会打开一个对话框，我们需要将下面的部分定义为Thumb(CODE16)。

这个项目主要涉及Thumb指令集，因此，您也可以从ROM段的第一个字节开始使用Thumb代码。请记住，这一点并非适用于所有的ARM项目。但对于这个项目来说，这是没问题的。

将当前偏移量改为CODE16后，只需按“C”，就能在该偏移量处创建代码了。现在，我们就应该可以看到复位处理程序的代码了。

查找其他代码和字符串

上面介绍的方法虽然能用，但是通过手动方式来创建所有的代码是相对繁琐的。别担心，我们可以借助于脚本来完成这些任务。实际上，Maddie Stone已经为IDA Pro创建了许多非常方便的脚本，能够给我们带来极大的便利。

由于她的脚本不能用于较新的IDA版本（在写这篇文章时，最新的版本为7.7），所以，我们专门把适用于IDA 7.x版本的脚本上传到了Github上，读者可以从https://github.com/alexander-pick/IDAPythonEmbeddedToolkit下载。为了支持基于ARM的项目，我已经对这些代码做了相应的处理。

首先，我们可以使用脚本define_code_functions.py，在0x08004000到0x080963DC大致范围内创建代码。如果脚本询问是否要撤销现有的代码，请选择No。

IDA Pro应该可以正常工作了，此时的ROM部分应该开始变得更有趣了。

接下来，我们可以使用make_strings.py脚本，在ROM的其余部分创建字符串。这时，你会在其中发现许多我们感兴趣的字符串。

关于字符串引用

分析这个固件时，我们会发现一个奇怪的现象。由于ANYTONE的开发人员为多国语言创建了固件，所以，他们使用了引用表。因此，这可能导致我们会遗漏某些字符串的引用。之所以会发生这种情况，是因为这些字符串是根据选择的语言来动态加载的。遗憾的是，基于IDA的静态分析是无法解决这个问题的。

不过，引导过程中的一些字符串是直接嵌入的，所以它们解析起来问题不大。因此，我们可以从这些字符串开始下手。

为了做进一步的分析，我们需要能够识别一些基本的OS函数，即操作嵌入字符串的函数，比如“print”或“read”函数等。当然，类似“memcpy”这样的函数在各种操作系统中都是非常常见的。

非常值得注意的是“print_string”函数（一旦识别出来，我就把它重命名为这个名字）。它接受一些坐标和一个字符串作为参数，并将字符串显示在屏幕上给定的位置处。这个函数在启动菜单中被大量使用。

从固件镜像中的字符串可以识别出设备使用的RTOS（实时操作系统）是μC/OS-II。μC/OS-II是一个用ANSI C编写的免费实时操作系统。关于该系统的进一步介绍，以及相关文档，读者可以在这里找到；而相关代码则可以从这里下载。感兴趣的读者可以参考这些资料，它们应该对您有很大的帮助。

I/O和外围设备

像这样基于ARM的CPU通常使用特殊的内存区域来处理地址总线、GPIO、I/O或简单的定时器和时钟，具体请参阅数据表。实际上，在第14页中，大家可以找到我们用来指定加载偏移量的内存映射。该映射还包含要添加到数据库中的特殊内存区域。

打开IDA中的内存区域视图（segments view）并将它们添加到数据库中，结果应该与下图类似。如果你想偷懒，则可以使用这个IDC（https://github.com/alexander-pick/useful-script-and-code/blob/master/GD32F303xx_segments.idc）来完成这个过程。

现在，请重新运行自动分析（Options -> General -> Reanalyse program）以创建交叉引用。

一旦你完成了上面的步骤，就可以查看感兴趣的内存区域，看看是否有对它们的交叉引用。这些可以帮助您找到使用特定总线、GPIO或I/O的函数。

如果您查找操作UART的函数，只需检查UART区域，就会找到对它的引用。这在没有或只有很少字符串作为引用的情况下是特别有用的。

小结

我认为，到目前为止，您应该已经具备了自己研究这一主题所需的一切。请随时给我留言。如果您还有什么问题，尽管问。我总是很高兴看到人们分享有趣的发现。

阅读愉快！