一种在BIOS中嵌入应用程序的方法及实现

介绍
本文针对Award公司开发的计算机系统BIOS提出了一种嵌入应用程序的方法，其基本原理对别的品牌的BIOS也一样适用，仅需稍加修改。文中作者给出并讨论一个完整的例子程序，该程序已经通过实验验证。

正文
一. BIOS简述
这里所讲的BIOS是指计算机主板上的BIOS，是整个计算机的关键和灵魂，计算机一启动就是执行BIOS程序，它负责加电自检，初始化计算系统，响应用户对系统配置的修改，记录数据到CMOS中，将常驻程序库（Runtime Program）常驻于内存中，提供给系统和应用程序调用，经过一系列复杂操作后，最后将控制权转移给操作系统。
一开始BIOS容量仅有8K，随着计算机复杂程度的提高，以及即插即用、高级电源管理等方面的需要，再加上个别主板厂商添加的辅助功能，BIOS容量迅速增大，目前通常主板上BIOS容量为256Kb，有些已经达到512Kb，这些BIOS中常常还会有几十Kb的剩余空间，而且由于BIOS多采用FlashRom作为存储芯片，便于修改，这就为我们在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面的应用，有些主板厂商在BIOS中嵌入杀毒程序，硬盘恢复精灵，超频工具等，提高了产品的竞争力；台湾威胜公司和Elegent公司联合开发出了嵌入在BIOS中的小型浏览器操作系统，整个BIOS大小仅有512Kb，计算机无需硬盘即可上网冲浪；有些监控系统由于功能简单，完全可以把程序做到BIOS中，一开机就自动运行，既提高了可靠性，又降低了成本。另一方面，将病毒嵌入到BIOS中，一开机就常驻内存也完全可以做到。
BIOS代码虽短，但技术含量相当高，全世界仅有AWARD、PHOENIX、AMI、ACER等几家公司有研发BIOS系统的能力（AWARD 已被PHOENIX收购），其他主板厂商有的是直接购买，有的也会在以上几家公司提供的平台上进行少量功能扩展。作为个别应用的场合，就要完全靠自己对BIOS进行改造。
二. 嵌入程序的基础知识
在进行工作前需要几个必备的工具，一个是AWARD公司的BIOS刷新工具AwdFlash；另一个Award BIOS 察看修改工具Cbrom；还有一个是MicroSoft 的汇编工具Masm6.11；最后是作者推荐的二进制文本编辑器HexWorkshop，这些工具都可以从网上下载，下面假定读者已经熟练使用这些工具，具体操作步骤不再祥述。
前面提到BIOS程序是存放在FlashROM芯片中的，实际上它是经过压缩后再存放进去的，仅留下少量启动代码和解压缩程序保持原样，BIOS的执行过程其实相当复杂，好在我们无需去了解其中的详细流程，但有一点应当清楚，BIOS程序实际上也是采用的模块化设计思想，用Cbrom可以察看到BIOS中各个子模块的名称，性质，压缩率等信息，BIOS在执行过程中会将这些模块解压缩到内存中，验证模块的合法性和正确性，如果满足条件，就会转到模块的入口处执行。这里面的详细机制和由来需要参考PNPBIOS协议、PNPISA协议、PCI总线协议和EISA总线协议，内容繁多，本文不拟做深入探讨。
BIOS中有一种模块是ISA模块，来源于ISA协议，由于ISA协议属于早期的协议，内容相对简单，BIOS对ISA模块的验证也较为简单，容易满足，我们可以将自己的程序做成ISA模块挂到BIOS中，这样机器一启动，我们的程序就会启动，而且我们程序的运行是先于操作系统的。
三. 程序设计详细步骤
1. 设计准备
由于系统固有的限制，BIOS中每个模块的大小不能超过64Kb，这里是指没有压缩前的大小，这和DOS下COM程序的限制很相似，实际上我们在用MASM6.11进行编程时的确采用是COM程序的模板，由编译器生成COM文件。然而它又和一般的COM文件具有以下几点不同：
1. 首先它有自己的堆栈段，堆栈大小默认为1K，而COM文件的堆栈是在64K之内的，默认是从段内偏移量0FFFEh处开始。
2. COM文件一开始就是执行代码，而模块一开始是模块头，储存有与模块相关的信息。模块执行代码的入口点在模块中的某一处。
3. COM文件执行完后返回到操作系统，通常通过子功能号4ch的中断INT21h返回到DOS，而模块是远程调用返回，也就是说必须用RETF返回。
4. ISA模块最后一个字节是校验码，所有的字节相加必须为0，BIOS利用这点来验证一个ISA模块的正确性。COM文件没有这点要求。
5. COM文件执行时是先被完整地复制到段内偏移量100h处，然后再执行，而模块的段内偏移量不能确定，有的模块会是0。所以涉及到段内偏移量的汇编指令，如LEA、OFFSET要谨慎适用。
下表是ISA模块头的格式，其中仅列出了几个最基本的相关字段，这是协议中的内容，我们在编写模块头时，需要严格遵循下表的格式：

偏 移    长 度    值    说  明
0h    1    55h    模块标签字节1
1h    1    Aah    模块标签字节2
2h    1    *    模块长度（以512字节为单位）
3h    3    *    入口点，BIOS对此位置做远调用，这里往往放一条跳转指令
6h~19h    20    *    保留
表一  模块头格式
通常一个BIOS嵌入程序设计的基本流程如下，每一步都很关键，有必要给出详细说明：
1. 首先用汇编编写DOS下的COM程序，必须注意到程序是先于操作系统执行的，所以程序中不能调用任何DOS的中断服务。为了程序转化方便，也不要用.code，.startup等汇编伪指令，尽量采用早期的汇编编写方式，争取对整个程序结构的完全控制。
2. 调试通过后，在COM文件前加上文件头，改变返回指令为RETF，控制文件大小为512字节的整数倍，重新编译生成COM文件。
3. 在HexWorkshop中调入刚生成的COM文件，利用其中的checksum工具生成文件的校验码，用100h减去该8位校验码后填入文件最后一个字节。再次生成文件的校验码，确认为零。
4. 用Cbrom将文件作为ISA模块嵌入到BIOS中，在本文中的操作为 “Cbrom save.bin/isa hello.com”，其中save.bin是事先用AwdFlash备份的BIOS文件。注意反复操作时，要先将前一个给释放掉，操作为“Cbrom save.bin/isa release”。
5. 用AwdFlash将新的BIOS文件烧录到FlashROM中。重起计算机，检验程序。
进行以上实验前，最好自备编程器，万一计算机不能正常启动，也可以重新恢复BIOS，如果可以用本身具有双BIOS保护功能的计算机进行实验则更加保险。
下面设计两个简单的Hello程序，分别采用了两种不同的方式，两个程序都是在屏幕上显示一行字“Hello！Press F1 to continue…”，当按下F1功能键后，程序退出，计算机继续启动。
2. Hello程序一
下面给出的源代码是在上面流程2中的文件，所以已经添加了文件头，编译后生成的COM文件是不能在DOS下执行的，请读者务必注意。另外由于程序功能简单，所以在这里文件大小限制为512字节，对不同规模的程序，会有一些小小的变动。程序中所有的中断调用都是BIOS中断服务调用，具体调用规则不做详细说明，请读者查阅有关资料。
；Hello源程序一
code segment
        assume cs:code,ds:code
start:

signature            db  55h,0aah
comlength        db  01h        ；文件长512字节
jmp         near ptr  begin0
reserved            db  20 dup(?)

begin0:

mov         di,25
mov         ah,2
mov         bh,0
mov         dx,di
mov         dh,10                ；将光标移至屏幕
int         10h                    ；10行25列处

mov         si,offset string
    ；在DOS下调试时应在这里添加    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            ；输出字符串

kbinput:
mov         ah,0
int         16h
cmp         ah,3bh            ；接受键盘输入
jne         kbinput            ；按F1往下执行

    mov     ax，0            ；返回参数
retf                        ；远程调用返回

string      db 'Hello! Press F1 to continue…',00h    ；00h标志字符串结束
    org        511                ；文件末尾
checksum        db    ？                
code     ends
end         start

将上述程序烧入BIOS中运行时，在第一屏信息显示过后，会在第二屏正中央显示一条红底白字的信息，提示按F1键继续，按F1键后，BIOS继续下面的启动步骤。显示第三屏启动信息，即原先的第二屏信息，最后加载操作系统。
以上程序假定了BIOS会将模块解压至段首运行，事实也确是如此，但由于没查到相关资料，目前还不能肯定总会如此。这一点将在下一个Hello程序中有所改进。
3. Hello程序二
Hello程序一在BIOS没有初始化完全的时候即进入运行，所以对程序功能有更多限制，有些BIOS中断服务还不具备，任何对这些服务的调用都会产生意想不到的结果。考虑到BIOS在加载操作系统时实际上是用的INT 19h，Hello程序二就利用挂钩19h中断的方法抢在操作系统之前，BIOS初始化之后运行，这样就可以完整地利用整个计算机系统的所有资源了。
另外必须指出的是，模块本身有责任保持整个模块的校验和为零，也就是说，ISA模块进驻内存中后就不能卸出，BIOS会在模块返回后检查整个模块的检验和，判断模块的正确性，如果错误，则会死机。模块在初始运行时可以更改自己段内的数据，而在BIOS初始化完毕后，模块就不能再有改变自身数据的操作。
；Hello源程序二
.model tiny
.386
code segment
        assume cs:code,ds:code
start:
signature        db  55h,0aah
comlength    db  01h        ；文件长512字节
jmp near ptr  begin0
reserved        db  20 dup(?)
begin0:
call         getip            ；得到模块的起始段内偏移量
                        ；保存在参数ipstart中
mov         ax,0            ；挂钩19h中断
mov         es,ax        ；保存原来的入口到
mov         ax,es:[64h]    ；saveip与savecs
mov         saveip,ax
mov         ax,es:[66h]
mov         savecs,ax
mov         ax,offset begin1
add         ax,ipstart
mov         es:[64h],ax
mov         es:[66h],cs

mov         ax,0            ；重新计算校验码
mov         si,510        ；注意不要记入最后一个字节
again:     add ax,cs:[si]
dec         si
jns         again
neg         al            ；改变最后一个字节
mov         checksum,al    ；使整个模块校验和为零

mov ax,0
retf                    ；远程调用返回

begin1:                ；19h中断入口
sti                    ；开中断
pusha
push     es
push     ds            ；保存调用参数

mov         ax,cs
mov         ds,ax

mov         ax,0            ；恢复原19h中断入口
mov         es,ax
mov         ax,saveip
mov         es:[64h],ax
mov        ax,savecs
mov         es:[66h],ax
；以下基本与程序一相同
；这里为节约篇幅用……代替
；……
mov         si,offset string
add         si,ipstart        ；注意
；……
pop         ds
pop         es
popa
int         19h            ；激发19h中断
iret

getip     proc            ；得到模块的起始
pop         ax            ；段内偏移量子程序
push     ax
sub         ax,29        ；29=模块头大小加3
mov         ipstart,ax
ret
getip     endp

string  db 'Hello! Press F1 to continue…',00h

saveip dw ?
savecs dw ?
ipstart dw ?

org 511
checksum db ?

code ends
end start

Hello2程序在执行时，会在第二屏启动画面的最后一行显示一段黑底白字“Hello! Press F1 to continue…”，当按下F1后，计算机就开始加载操作系统。
需要注意的是，在DOS或Windows下调试Hello程序二时，是不能用19h中断的，任何对19h中断的调用要么结束当前程序，要么会造成死机，所以调试时需要暂时用别的中断代替，如保留中断2bh，当调试成功以后，再将中断改回为19h。
另一个在Hello1与Hello2程序中都要注意的问题是，在程序中不要轻易改动模块头的模块长度字节的值，PCI模块支持并赞成这样的改动，而ISA模块没找到相关资料，笔者曾尝试过改动这一值，结果导致Windows98不能进入通常模式。
四. 结束语
在编程实践中作者感到编写BIOS的嵌入程序具有相当难度，它需要有扎实的汇编语言功底和对计算机硬件系统的深入了解，更需要在实践中不断地摸索BIOS程序的特点，只有这样才能够编写出精悍的代码，满足实践应用的需要。