System Management Mode

Режим системного управления (англ. System Management Mode, SMM) — режим исполнения на процессорах x86/x86-64, при котором приостанавливается исполнение другого кода (включая операционные системы и гипервизор), и запускается специальная программа, хранящаяся в SMRAM в наиболее привилегированном режиме.

Технология SMM была впервые реализована в микропроцессоре Intel 386 SL. Изначально SMM работал только на специальных процессорах (SL), но в 1992 году была внедрена в 80486 и Intel Pentium. AMD реализовала технологию в Enhanced Am486 (1994). Все более современные x86/x86-64 процессоры поддерживают её.

Среди возможных применений SMM:

• Обработка системных ошибок, таких как ошибки памяти и чипсета;
• Функции защиты, например выключение процессоров при сильном перегреве;
• Глубокие уровни энергосбережения;
• Управление питанием — например, схемами изменения напряжения (VRM^[англ.]*);
• Эмуляция периферии, которая не была реализована на материнской плате или реализация которой содержит ошибки;
• Эмуляция мыши и клавиатуры PS/2 при использовании таких же устройств с интерфейсом USB;
• Централизованная конфигурация системы, например на ноутбуках Toshiba и IBM;
• Обход систем защиты, встроенных в ОС^[1];
• Запуск высокопривилегированных руткитов, как было предложено на Black Hat 2008^[2][3];
• Эмуляция или передача вызовов на модуль Trusted Platform Module (TPM)^[4];

Операционная система работает в защитном «Кольце 0»; однако, гипервизор (в системах VT/AMD-v) является более привилегированным, и режим исполнения гипервизора условно называется «Кольцом −1». Соответственно, SMM, являющимся более приоритетным, чем гипервизор, условно называют «Кольцом −2»^[5][6][7]. Код, работающий в режиме SMM, получает неограниченный доступ ко всей системной памяти, включая память ядра и память гипервизора.

Активация SMM

SMM активируется при помощи прерываний SMI (system management interrupt — прерывание системного управления), которое возникает:

• По сигналу от чипсета или периферии на материнской плате. Используется выделенный контакт процессора SMI#^[8].
• Программный SMI, посланный системным ПО через порт ввода-вывода (часто используется порт номер B2^[9])^[10].
• Запись по адресу ввода-вывода, для которого микропрограммно установлена необходимость активации SMM.

На ближайшей границе инструкций после получения сигнала SMI#, процессор сохраняет своё состояние в памяти и переходит в SMM. Для выхода из SMM и восстановления состояния процессора используется инструкция RSM (0F AA^[9])^[8].

Проблемы

• Согласно архитектуре SMM, прерывания SMI не могут быть заблокированы операционной системой
• На старых чипсетах (до 2006 года) не выставлялся бит D_LOCK для защиты памяти SMM (что позволяло создавать SMM-зловреды)^[5]
• Так как программы обработки SMM (SMI handler) устанавливаются из базовой микропрограммы BIOS^[5], предполагаемые настройки важной периферии (например, APIC) в ОС и программах SMM могут не совпадать
• Работа в режиме SMM приостанавливает работу ОС. Состояние процессора сохраняется в SMRAM^[8], а кэши write-back должны быть сброшены. Из-за этого могут нарушиться требования жесткого реального времени. ОС Windows и ядро Linux устанавливают «SMI Timeout» — период времени, в который любая программа SMM должна вернуть управление операционной системе.
• Для определения входа процессора в SMM может потребоваться цифровой логический анализатор (дополнительное отладочное оборудование). При работе в SMM выставляется сигнал процессора SMIACT#^[8].
• Получение кодов программ SMM для их анализа и отладки также требует логического анализатора или обратной разработки микропрограмм BIOS, так как во время исполнения память TSEG, хранящая программы SMM, недоступна ОС.

См. также

• Процессор MediaGX, использующий SMM для эмуляции аппаратных функций
• Extensible Firmware Interface (EFI)
• Coreboot, реализующий SMM/SMI обработчики для некоторых чипсетов

Примечания

1. Loic Duflot. «Security Issues Related to Pentium System Management Mode.» Presented at CanSecWest 2006, Vancouver, Canada, 2006.
2. Hackers find a new place to hide rootkits  (неопр.). Дата обращения: 2 мая 2011. Архивировано 8 июня 2011 года.
3. Sherri Sparks and Shawn Embleton. «SMM Rootkits: A New Breed of OS Independent Malware.» Presented at Black Hat USA, Las Vegas, NV, USA, 2008.
4. https://www.youtube.com/watch?v=X72LgcMpM9k&feature=player_detailpage#t=2070s Архивная копия от 25 июня 2016 на Wayback Machine Google Tech Talks — Coreboot — 00:34:30
   Дополнительные сведения: Trusted Platform Module
5. invisiblethingslab.com/resources/misc09/smm_cache_fun.pdf Rafal Wojtczuk, Рутковская, Йоанна, «Attacking SMM Memory via Intel® CPU Cache Poisoning»
6. Ring −1 vs. Ring −2: Containerizing Malicious SMM Interrupt Handlers on AMD-V Архивная копия от 13 ноября 2013 на Wayback Machine, 2010
7. In-depth Analysis of x86’s System Management Mode Архивировано 23 сентября 2013 года., Georg Wassen: "If Virtual Machine Monitors can be called Ring −1, the System Management Mode is Ring −2. "
8. Intel’s System Management Mode by Robert R. Collins
9. Шестнадцатеричный код
10. прим. 5

Литература

• Intel’s System Management Mode by Robert R. Collins, 1997 (англ.)

Ссылки

• Badness of SMM, part 1 and part 2, 2005
• Intel 32/64 Architectures Software Developer’s Manual Volume 3B: System Programming Guide, Part 2
• AMD Hammer BIOS and Kernel Developer’s guide, Chapter 6
• An exploit against SMM based on OpenBSD, 2006
• SMM based rootkit
• SMM Rootkit limitations. (and how to defeat it), 2008