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/i
sa 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BI
OS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! Pre
ss 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19
h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。