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一種在BIOS中嵌入應用程序的方法及實現
本文針對Award公司開發的計算機係統BIOS提出了一種嵌入應用程序的方法，其基本原理對別的品牌的BIOS也一樣適用，僅需稍加修改。文中作者給出並討論一個完整的例子程序，該程序已經通過實驗驗證。正文
一. BIOS簡述
這裏所講的BIOS是指計算機主板上的BIOS，是整個計算機的關鍵和靈魂，計算機一啟動就是執行BIOS程序，它負責加電自檢，初始化計算係統，響應用戶對係統配置的修改，記錄數據到CMOS中，將常駐程序庫（Runtime Program）常駐於內存中，提供給係統和應用程序調用，經過一係列複雜操作後，最後將控製權轉移給操作係統。
一開始BIOS容量僅有8K，隨著計算機複雜程度的提高，以及即插即用、高級電源管理等方麵的需要，再加上個別主板廠商添加的輔助功能，BIOS容量迅速增大，目前通常主板上BIOS容量為256Kb，有些已經達到512Kb，這些BIOS中常常還會有幾十Kb的剩餘空間，而且由於BIOS多采用FlashRom作為存儲芯片，便於修改，這就為我們在BIOS中嵌入自己的程序提供了便利。
在BIOS中嵌入程序具有多方麵的應用，有些主板廠商在BIOS中嵌入殺毒程序，硬盤恢複精靈，超頻工具等，提高了產品的競爭力；台灣威勝公司和Elegent公司聯合開發出了嵌入在BIOS中的小型瀏覽器操作係統，整個BIOS大小僅有512Kb，計算機無需硬盤即可上網衝浪；有些監控係統由於功能簡單，完全可以把程序做到BIOS中，一開機就自動運行，既提高了可靠性，又降低了成本。另一方麵，將病毒嵌入到BIOS中，一開機就常駐內存也完全可以做到。
BIOS代碼雖短，但技術含量相當高，全世界僅有AWARD、PHOENIX、AMI、ACER等幾家公司有研發BIOS係統的能力（AWARD 已被PHOENIX收購），其他主板廠商有的是直接購買，有的也會在以上幾家公司提供的平台上進行少量功能擴展。作為個別應用的場合，就要完全靠自己對BIOS進行改造。
二. 嵌入程序的基礎知識
在進行工作前需要幾個必備的工具，一個是AWARD公司的BIOS刷新工具AwdFlash；另一個Award BIOS 察看修改工具Cbrom；還有一個是MicroSoft 的匯編工具Masm6.11；最後是作者推薦的二進製文本編輯器HexWorkshop，這些工具都可以從網上下載，下麵假定讀者已經熟練使用這些工具，具體操作步驟不再祥述。
前麵提到BIOS程序是存放在FlashROM芯片中的，實際上它是經過壓縮後再存放進去的，僅留下少量啟動代碼和解壓縮程序保持原樣，BIOS的執行過程其實相當複雜，好在我們無需去了解其中的詳細流程，但有一點應當清楚，BIOS程序實際上也是采用的模塊化設計思想，用Cbrom可以察看到BIOS中各個子模塊的名稱，性質，壓縮率等信息，BIOS在執行過程中會將這些模塊解壓縮到內存中，驗證模塊的合法性和正確性，如果滿足條件，就會轉到模塊的入口處執行。這裏麵的詳細機製和由來需要參考PNPBIOS協議、PNPISA協議、PCI總線協議和EISA總線協議，內容繁多，本文不擬做深入探討。
BIOS中有一種模塊是ISA模塊，來源於ISA協議，由於ISA協議屬於早期的協議，內容相對簡單，BIOS對ISA模塊的驗證也較為簡單，容易滿足，我們可以將自己的程序做成ISA模塊掛到BIOS中，這樣機器一啟動，我們的程序就會啟動，而且我們程序的運行是先於操作係統的。
三. 程序設計詳細步驟
1. 設計準備
由於係統固有的限製，BIOS中每個模塊的大小不能超過64Kb，這裏是指沒有壓縮前的大小，這和DOS下COM程序的限製很相似，實際上我們在用MASM6.11進行編程時的確采用是COM程序的模板，由編譯器生成COM文件。然而它又和一般的COM文件具有以下幾點不同：
1. 首先它有自己的堆棧段，堆棧大小默認為1K，而COM文件的堆棧是在64K之內的，默認是從段內偏移量0FFFEh處開始。
2. COM文件一開始就是執行代碼，而模塊一開始是模塊頭，儲存有與模塊相關的信息。模塊執行代碼的入口點在模塊中的某一處。
3. COM文件執行完後返回到操作係統，通常通過子功能號4ch的中斷INT21h返回到DOS，而模塊是遠程調用返回，也就是說必須用RETF返回。
4. ISA模塊最後一個字節是校驗碼，所有的字節相加必須為0，BIOS利用這點來驗證一個ISA模塊的正確性。COM文件沒有這點要求。
5. COM文件執行時是先被完整地複製到段內偏移量100h處，然後再執行，而模塊的段內偏移量不能確定，有的模塊會是0。所以涉及到段內偏移量的匯編指令，如LEA、OFFSET要謹慎適用。
下表是ISA模塊頭的格式，其中僅列出了幾個最基本的相關字段，這是協議中的內容，我們在編寫模塊頭時，需要嚴格遵循下表的格式：
偏 移 長 度 值 說 明
0h 1 55h 模塊標簽字節1
1h 1 AAh 模塊標簽字節2
2h 1 * 模塊長度（以512字節為單位）
3h 3 * 入口點，BIOS對此位置做遠調用，這裏往往放一條跳轉指令
6h~19h 20 * 保留
表一 模塊頭格式
通常一個BIOS嵌入程序設計的基本流程如下，每一步都很關鍵，有必要給出詳細說明：
1. 首先用匯編編寫DOS下的COM程序，必須注意到程序是先於操作係統執行的，所以程序中不能調用任何DOS的中斷服務。為了程序轉化方便，也不要用.code，.startup等匯編偽指令，盡量采用早期的匯編編寫方式，爭取對整個程序結構的完全控製。
2. 調試通過後，在COM文件前加上文件頭，改變返回指令為RETF，控製文件大小為512字節的整數倍，重新編譯生成COM文件。
3. 在HexWorkshop中調入剛生成的COM文件，利用其中的checksum工具生成文件的校驗碼，用100h減去該8位校驗碼後填入文件最後一個字節。再次生成文件的校驗碼，確認為零。
4. 用Cbrom將文件作為ISA模塊嵌入到BIOS中，在本文中的操作為 “Cbrom save.bin/isa hello.com”，其中save.bin是事先用AwdFlash備份的BIOS文件。注意反複操作時，要先將前一個給釋放掉，操作為“Cbrom save.bin/isa release”。
5. 用AwdFlash將新的BIOS文件燒錄到FlashROM中。重起計算機，檢驗程序。
進行以上實驗前，最好自備編程器，萬一計算機不能正常啟動，也可以重新恢複BIOS，如果可以用本身具有雙BIOS保護功能的計算機進行實驗則更加保險。
下麵設計兩個簡單的Hello程序，分別采用了兩種不同的方式，兩個程序都是在屏幕上顯示一行字“Hello！Press F1 to continue…”，當按下F1功能鍵後，程序退出，計算機繼續啟動。
2. Hello程序一
下麵給出的源代碼是在上麵流程2中的文件，所以已經添加了文件頭，編譯後生成的COM文件是不能在DOS下執行的，請讀者務必注意。另外由於程序功能簡單，所以在這裏文件大小限製為512字節，對不同規模的程序，會有一些小小的變動。程序中所有的中斷調用都是BIOS中斷服務調用，具體調用規則不做詳細說明，請讀者查閱有關資料。
；Hello源程序一
code segment
assume cs:code,ds:code
start:
signature db 55h,0aah
comlength db 01h ；文件長512字節
jmp near ptr begin0
reserved db 20 dup(?)
begin0:
mov di,25
mov ah,2
mov bh,0
mov dx,di
mov dh,10 ；將光標移至屏幕
int 10h ；10行25列處
mov si,offset string
；在DOS下調試時應在這裏添加 add si,100h
showstr:
mov ah,9
mov al,[si]
and al,0ffh
jz kbinput
mov bh,0
mov bl,0DAh
mov cx,1
int 10h
,
mov ah,2
mov bh,0
inc di
mov dx,di
mov dh,10
int 10h
jmp showstr ；輸出字符串
kbinput:
mov ah,0
int 16h
cmp ah,3bh ；接受鍵盤輸入
jne kbinput ；按F1往下執行
mov ax，0 ；返回參數
retf ；遠程調用返回
string db 'Hello! Press F1 to continue...',00h ；00h標誌字符串結束
org 511 ；文件末尾
checksum db ？
code ends
end start
將上述程序燒入BIOS中運行時，在第一屏信息顯示過後，會在第二屏正中央顯示一條紅底白字的信息，提示按F1鍵繼續，按F1鍵後，BIOS繼續下麵的啟動步驟。顯示第三屏啟動信息，即原先的第二屏信息，最後加載操作係統。
以上程序假定了BIOS會將模塊解壓至段首運行，事實也確是如此，但由於沒查到相關資料，目前還不能肯定總會如此。這一點將在下一個Hello程序中有所改進。
3. Hello程序二
Hello程序一在BIOS沒有初始化完全的時候即進入運行，所以對程序功能有更多限製，有些BIOS中斷服務還不具備，任何對這些服務的調用都會產生意想不到的結果。考慮到BIOS在加載操作係統時實際上是用的INT 19h，Hello程序二就利用掛鉤19h中斷的方法搶在操作係統之前，BIOS初始化之後運行，這樣就可以完整地利用整個計算機係統的所有資源了。
另外必須指出的是，模塊本身有責任保持整個模塊的校驗和為零，也就是說，ISA模塊進駐內存中後就不能卸出，BIOS會在模塊返回後檢查整個模塊的檢驗和，判斷模塊的正確性，如果錯誤，則會死機。模塊在初始運行時可以更改自己段內的數據，而在BIOS初始化完畢後，模塊就不能再有改變自身數據的操作。
；Hello源程序二
.model tiny
.386
code segment
assume cs:code,ds:code
start:
signature db 55h,0aah
comlength db 01h ；文件長512字節
jmp near ptr begin0
reserved db 20 dup(?)
begin0:
call getip ；得到模塊的起始段內偏移量
；保存在參數ipstart中
mov ax,0 ；掛鉤19h中斷
最後更新：2017-04-03 12:55:47