Capstones e próximos passos

TL;DR

• Você vai ter projetos capstone práticos que combinam as habilidades da série: compilar C RV32, inspecionar internals de ELF, entender stack frames, depurar no QEMU, fazer triagem de firmware e validar com interfaces de hardware.
• Cada capstone inclui entregáveis sugeridos, plano de teste e “stretch goals”.
• Você também recebe um plano de estudo para ensinar este material a outras pessoas: como conduzir labs, avaliar exercícios e manter os alunos avançando.

Capstone 1: RV32 “binaryISC” - um mini monitor de firmware no QEMU

Objetivo

Construir um programa bare-metal RV32 mínimo que:

• começa em um endereço conhecido (via linker script),
• mantém algumas variáveis globais,
• expõe um pequeno “monitor loop” (mesmo que seja apenas uma máquina de estados),
• e possa ser depurado de forma determinística.

Entregáveis

• monitor.c, monitor.ld
• monitor.elf, monitor.bin
• monitor.map (link map)
• um write-up curto:
  • mapa de memória (o que está em qual endereço)
  • como conectar com GDB e inspecionar estado

Esboço sugerido de implementação

• Uma variável global de comando que muda de estado
• Um loop que checa a variável e atualiza um contador
• Opcional: um rótulo de “software breakpoint” para o qual você pode saltar

Plano de teste

• Verificar o endereço de _start com readelf -h e readelf -s.
• Verificar posicionamento de .text/.data/.bss com o arquivo .map.
• Depurar com qemu-system-riscv32 -S -gdb tcp::1234 e GDB.

Stretch goals

• Adicionar copy-down de .data e zero de .bss no startup.
• Adicionar saída UART básica via QEMU virt UART (avançado).

Capstone 2: “C → Assembly” pack de explicação (entregável didático)

Objetivo

Criar um conjunto de materiais didáticos que explicam como 5 funções C pequenas compilam para assembly em -O0 e -O2.

Escolha funções que cubram:

• aritmética + bitwise
• if/else
• loop sobre array
• switch
• chamada de função com stack frame

Entregáveis

• um PDF ou write-up em markdown com:
  • C original
  • trechos de disassembly
  • notas de “como ler isso”
• um quiz curto para cada função (alunos respondem a partir do disassembly)

Plano de teste

• Para cada função, inclua um trecho de sessão GDB que confirme o comportamento.

Capstone 3: Relatório de triagem de firmware (estático primeiro)

Objetivo

Pegar uma imagem de firmware (sua ou de treinamento) e produzir um relatório estruturado de triagem.

Entregáveis

Um relatório contendo:

• resultados de identificação de tipo (file, notas de entropia)
• destaques de strings e hipóteses
• artefatos embutidos encontrados (headers ELF, regiões comprimidas)
• sub-imagens extraídas (se aplicável)
• um palpite inicial de mapa de memória (para .bin)
• próximos passos (quais funções/subsistemas analisar)

Plano de teste

• Forneça os comandos exatos usados.
• Forneça offsets e hashes para as partes extraídas.

Capstone 4: Mini-lab de análise dinâmica (Frida)

Objetivo

Hookar um ponto de decisão em um programa userland:

• logar entradas
• logar saídas
• opcionalmente patchar o comportamento

Entregáveis

• scripts Frida
• evidências de comportamento antes/depois
• explicação de por que você escolheu aquele ponto de hook

Stretch goals

• Converter para hook baseado em endereço e lidar com símbolos stripados.

Capstone 5: Planilha de validação de hardware (UART/SPI/I2C)

Objetivo

Criar uma “planilha de campo” que alunos possam usar em qualquer placa.

Entregáveis

Um template que inclua:

• trilhas de alimentação e tensões esperadas
• pontos de ground
• pinos de header UART suspeitos e resultados de teste
• ID de chip SPI flash suspeito, mapeamento de pinos e resultados de sniff
• plano de varredura I2C e notas de captura

Plano de teste

• Teste em uma placa dev que você possui e preencha uma planilha real.

Plano de ensino: como rodar esta série para uma turma

Ritmo recomendado

• Semana 1: Capítulos 1–3 (setup, ELF, ABI)
• Semana 2: Capítulos 4–6 (otimização, fluxo de controle, stack)
• Semana 3: Capítulos 7–9 (linker scripts, floats, debug)
• Semana 4: Capítulos 10–12 (workflow de firmware, análise dinâmica, interfaces de hardware)
• Semana 5+: Capstones

Como avaliar alunos

• Exigir “artefatos de evidência”:
  • map files, trechos de disassembly, transcrições de GDB
  • pequenos scripts (Python) que validam constantes
• Usar checagens orais curtas:
  • “me mostre onde o valor de retorno está”
  • “me mostre qual instrução carrega o campo X da struct”

Exercícios

1. Escolha um capstone e escreva um plano de projeto de 1 página com marcos.
2. Crie uma rubrica para corrigir o Capstone 2 (pack de explicação C→assembly).
3. Escreva 10 “micro-perguntas” que alunos possam responder a partir de output do objdump.

Como testar suas respostas

• Se o seu plano tem marcos claros, outro aluno deve conseguir segui-lo.
• Se sua rubrica é específica, dois avaliadores devem pontuar de forma similar.

Resumo

Agora você tem um conjunto de projetos realistas que combinam toda a toolchain: compilação, leitura de ELF, raciocínio em assembly, entendimento de stack/ABI, depuração, triagem de firmware e validação de interfaces de hardware.

Se você quiser expandir este livro depois, as adições mais valiosas são:

• tópicos mais profundos de startup/runtime (crt0 (C runtime zero) e inicialização),
• tratamento de exceções/traps no RISC-V,
• e um lab completo de “firmware Linux emulado” com filesystem e serviços.