JTAG“破解”2023年的初代Xbox

使用英特尔CPU的JTAG功能提取微软初代Xbox的秘密启动ROM

2023年8月9日 / Markus Gaasedelen

2001年11月发布的初代Xbox是微软进军游戏主机行业的第一步。它的硬件与2000年代初期的廉价但多功能PC非常相似，因此立即吸引了技术爱好者们的目光，他们希望在这台设备上运行“自制”代码和替代操作系统。

在Xbox的生命周期中，它通过广泛的硬件和软件攻击被单方面破解。然而，20年过去了，这款基于英特尔奔腾III的系统仍然是一个绝佳的平台，用于学习或探索许多至今仍然相关的安全和计算机系统工程主题。

作为对我们常规内容的有趣偏离，这篇文章利用了一些怀旧情绪，来应对初代Xbox研究人员早期提出的挑战：通过英特尔的x86 CPU JTAG“破解”初代Xbox。

使用定制的JTAG CPU转接板对初代Xbox CPU（奔腾III）进行硬件调试

关于初代Xbox

与其他2000年代初期的游戏主机不同，初代Xbox是一个非常直接的硬件平台，围绕英特尔CPU和NVIDIA GPU构建，采用统一内存架构。微软设计了一个易于现有PC游戏开发者过渡的系统，利用他们在PC市场的主导地位。

初代Xbox 1.0主板：一块ATX主板，搭载32位733 MHz英特尔奔腾III CPU和定制的NVIDIA GPU

然而，Xbox的安全性严重依赖于一个“秘密”的512字节启动ROM，这个ROM被小心翼翼地隐藏在系统的定制NVIDIA MCPX南桥中，以建立信任链。在发布后的三个月内，这个秘密启动ROM被Andrew “bunnie” Huang提取出来，使得该主机向进一步研究敞开了大门。

Bunnie使用FPGA在HyperTransport总线上嗅探ROM，当ROM从MCPX传输到北桥/GPU时，再通过前端总线传输到CPU。这个攻击（以及其他攻击）在bunnie 2003年的书《“Hacking The Xbox”》（现已免费）中有详细描述。

MCPX是“媒体通信处理器”（南桥），同时也承载着秘密ROM

回顾提取秘密ROM的竞赛，当时有一些讨论关于是否尝试使用英特尔的CPU JTAG功能来探测系统并读取这个难以捉摸的启动加载程序：

“JTAG边界扫描方法被拒绝，原因是TRST#引脚（用于保持JTAG链复位）被激活，难以修改而不移除处理器。”
——摘自《Keeping Secrets in Hardware: The Microsoft Xbox (TM) Case Study》，Andrew Huang，2002年

微软故意将TRST#引脚接地，位于Xbox CPU下方，以禁用英特尔JTAG接口，阻止任何人进行探测。

初代Xbox CPU：32位733 MHz英特尔奔腾III，128 KB L2缓存，采用移动BGA2芯片封装

更重要的是，黑箱逆向英特尔的私有JTAG指令以查询内存、寄存器或执行其他类似调试器的操作被认为是非常困难的：

“移除和插座化处理器被认为是非常昂贵和耗时的；奔腾III的BGA插座成本估计在数百到数千美元之间。此外，奔腾III的JTAG边界扫描代码大多是专有的，也需要进行逆向工程……”
——摘自《Keeping Secrets in Hardware: The Microsoft Xbox (TM) Case Study》，Andrew Huang，2002年

但随着Xbox自制生态系统在接下来的几年中蓬勃发展，发现了一系列其他方法可以廉价地破坏、提取或绕过微软试图通过秘密ROM建立的信任链。因此，很少有人去追求这些更具挑战性的硬件攻击，它们被遗忘了。

英特尔x86 JTAG

尽管今天通过新方法提取或绕过秘密ROM已经没有什么意义，但硬件调试Xbox CPU的能力仍然提供了无与伦比的洞察力，以进一步研究和保存该平台的丰富历史。JTAG调试CPU的一些好处包括：

• 从执行的第一条指令（即复位向量）开始调试系统
• 无需修改操作系统或硬件上运行的任何软件即可进行非侵入式调试
• 调试零售BIOS映像和其他没有本地内核调试功能的运行时
• 如果它在CPU上运行，你就可以调试它——Xbox内核、Linux、自定义RTOS、Windows等
• JTAG在保真度上超越了模拟器，用于研究硬件特定行为和未模拟的外设

然而，20年后，仍然没有开源硬件或软件解决方案能够访问英特尔的私有JTAG指令……考虑到x86的普及程度，这似乎有些奇怪。另一种选择是找到过去的一些半完整的“高度专有”硬件调试器（及其软件组件），这几乎同样具有挑战性：

一个Applied Microsystems的CodeTAP调试器，用于英特尔奔腾II / III，购买时“按现状”

根据我的研究，2000年代初最好的奔腾III调试器（可能也是唯一的）是由American Arium和Applied Microsystems制造的。这些调试器的价格从低至$9k到超过$40k美元不等。据称，英特尔在开发这些解决方案时与这些公司签订了10-15年的保密协议。

这些调试器的主要客户是进行硬件验证或BIOS/固件开发的OEM厂商，以稳定新主板。由于市场狭窄，这两家公司生产的硬件调试器数量不超过几千台。

在2023年，这些老式硬件调试器很少出现，并且购买价格通常不超过25-75美元。

自制CPU JTAG

在Xbox上处理JTAG的一个更具挑战性的方面是TRST#引脚在CPU下方被接地。虽然理论上钻出连接以释放TRST#可能允许我们驱动JTAG状态机，但我不知道CodeTAP /硬件调试器在TRST#未按预期操作时会有何反应。

我开始查阅旧的英特尔处理器数据表、硬件开发者手册、主板参考设计和当时的平台建议，以拼凑出这些硬件调试器如何与CPU物理接口的更好理解。

英特尔参考ITP原理图，来自《Intel Pentium III Processor/840 Development Kit Manual》，2001年4月

作为一个主要从事软件研究的人，我并不想在英特尔CPU的物理集成上偷工减料。为了消除所有硬件歧义，我决定最好设计一个CPU转接PCB，以干净地引出JTAG信号，根据英特尔的规格重建ITP端口。

专用的CPU转接板将允许我隔离JTAG信号（和其他CPU控制信号），同时跳过对Xbox主板可能对这些信号进行的任何逆向工程。这也使我能够将相关信号整齐地收集到一个物理端口中，调试器通常期望通过这个端口进行连接。

在KiCad 7.0中设计4层CPU JTAG引出转接板

大多数CPU信号只是通过4层CPU转接PCB 1对1地传递。这个转接板最初设计为2层PCB，但在一些同行评审后升级为4层，因为今天的业余PCB生产成本差异可以忽略不计。

感兴趣的JTAG / CPU控制信号通过内部布线层（绿色）引出，第二个内部层（隐藏在上方）仅作为地平面。引出是一个30针SMT System 50连接器，符合英特尔规格——仅这个接头就花费了15美元。

KiCad中的JTAG引出转接PCB渲染图，物理订单前

五个JTAG引出转接板，刚从JLCPCB到货

从JLCPCB订购五个4层ENIG PCB的最低成本为20美元，DHL运费为20美元。在等待JTAG转接PCB到货的同时，我重新焊接了一两个从另一个项目中剩下的Xbox CPU。

订单发出八天后，我拿到了JTAG引出CPU转接板，并准备进行安装尝试。

安装JTAG引出CPU转接板

即使使用半专业设备，安装JTAG引出转接板也是一个繁琐的过程，任何错误都会导致失败。以下图片系列展示了移除原始CPU并安装JTAG转接板的大致步骤。

原始Xbox CPU周围涂有助焊剂，以帮助回流，位于BGA返修站下，芯片移除前

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