摘要：本文介绍了一种针对ｉ３８６以上ＩＢＭ个人计算机动态改写ＲＯＭ－ＢＩＯＳ
的方法，对于编写密钥仿真程序或调试ＢＩＯＳ程序有较高的实用价值。
关键词：ＲＯＭ－ＢＩＯＳ，线性地址，逻辑地址，页目录，页表
一、问题的提出
ＲＯＭ－ＢＩＯＳ是ＩＢＭ系列兼容机的基本输入输出系统程序，其中含有磁盘、
键盘、通讯等基础功能的常规例程。在有些情况下，如调试修改过的ＢＩＯＳ程序，或
需要通过ＢＩＯＳ截获某个中断调用，就希望能够方便地改写ＢＩＯＳ的内容。然而，
ＢＩＯＳ是写在ＲＯＭ当中的，不易修改。那么，是否有其它变通的办法呢？
二、８０３８６的分页内存管理
为了达到上述目的，可以考虑８０３８６及更高性能的处理器所采用的保护方式。
其中的分页内存管理机制提供了线性地址到逻辑地址的对应关系。大家可能都有在
ＷＩＮＤＯＷＳ下同时运行多个ＤＯＳ进程的经验。显然，ＷＩＮＤＯＷＳ通过分页内
存管理为多个ＤＯＳ进程提供了０－１Ｍ的逻辑地址空间，同时启动了多个Ｖ８６模式
任务。所幸的是，当我们启动计算机时，只要加载了ＥＭＭ３８６．ＥＸＥ这一内存管
理驱动程序，我们就已经处在了分页内存管理的环境之中。
为了进行更深入的讨论，有必要先介绍一下８０３８６分页内存管理的具体过程。
８０３８６的分页部件包含两级分页管理，如图所示。页目录及页表每项均由４个字节
构成，而每一页目录及页表都为４Ｋ字节，因此，每级页表含１０２４项。每页内存块
大小也是４Ｋ，一个页目录可以映射１０２４个页表，从而映射全部４Ｇ字节的线性地
址。
当进入ＥＭＭ３８６．ＥＸＥ后，当前页目录的第一项所指的页表就是０－１Ｍ逻
辑地址空间对应的页表。该表的第一项是逻辑地址０：０－０：ＦＦＦ，第二项是逻辑
地址１００：０－１００：ＦＦＦ．．．最后一项是ＦＦ００：０－ＦＦ００：ＦＦＦ
分别对应的线性地址页号。
三、编程实现
要得到当前页目录，可以将控制寄存器ＣＲ３去掉低１２位的内容，即为当前页目
录所在的页。不过，这一线性地址在０－１Ｍ的逻辑地址中是不可见的。如果不想使用
保护模式下编程，可以考虑ＢＩＯＳ提供的线性地址的数据拷贝服务。中断号１５Ｈ，
功能号８７Ｈ。
调用参数：
入口 ＡＨ＝８７Ｈ
ＣＸ＝拷贝字数（ＷＯＲＤ）
ＥＳ：ＳＩ＝拷贝过程中使用的全局描述表（ＧＤＴ）
ＤＢ １６ ＤＵＰ（０）
ＤＷ 源块字节数
ＤＢ ３ ＤＵＰ（？）；源块线性地址
ＤＢ ９３Ｈ
ＤＷ ０
ＤＷ 目的块字节数
ＤＢ ３ ＤＵＰ（？）；目的块线性地址
ＤＢ ９３Ｈ
ＤＢ １８ ＤＵＰ（０）
出口 Ｃ＝１出错
ＡＨ＝０成功，＝１奇偶校验错，＝２被中断，＝３ Ａ２０失效
下面提供一个实例，它修改页表，将最后一项（ＦＦ００：０－ＦＦ００：ＦＦＦ）
重新映射到程序的ＲＡＭ地址空间，并将ＦＦ００：ＦＦＢ处的内容改写为‘９９’的
ＡＳＣＩＩ码（在笔者所用的计算机上，该地址处为‘９６’的ＡＳＣＩＩ码）然后驻
留内存。此处为ＢＩＯＳ时间的年号，此时再用ＭＳＤ查看，会显示ＢＩＯＳ生产时间
为９９年。若想继续修改ＢＩＯＳ内容，只需修改其映射的ＲＡＭ地址空间。
四、结语
利用本文提供的方法，可以生成功能很强的密钥仿真程序，在ＲＯＭ－ＢＩＯＳ区
域截取来自加密软件的读磁盘调用，从而可以获得密钥或仿真密钥。对磁盘加密软件提
出了严重的挑战。另外，利用这一方法来动态改写及调试ＢＩＯＳ程序也不失为一种简
单有效的方法。
├─────┤
├─────┤ │ │
│ ├──→├─────┤
├─────┤ │ 用户页面 │
├─────┤ │ 页表 │ └─────┘
┌───┐ │ 页目录 ├──→└─────┘
│ＣＲ３├──→└─────┘
└───┘
附图：８０３８６两级分页图
2) 页式管理的地址映射
首先要说明的是页式管理完全可以在没有段式管理的基础上实现，但是为了实现保护模式和以前的内存管理模式相兼容，才不得不在段式管理的基础上实现页式管理。
这样由段式管理而映射出的线性地址（没有页式管理前即为“物理地址”）就和以前由段式管理映射出的物理地址含义不同了。线性地址的具体含义如下：
typeded struct
{
unsigned int dir:10; // 表示页面表目录的下标，该目录指向一个页面表
unsigned int page: 10; // 表示页面表的下表，该表项指向一个物理页面
unsigned int offset:12; // 在4K字节物理页面内的偏移量
}线性地址
下面详细说明页式管理的内存映射过程：
a) 在CR3寄存器中取得页面目录的基地址。
b) 以线性地址中的dir项为下标，在目录中取得相应页面表的基地址
c) 以线性地址中的page项为下标，在所得的页面表中取得相应的页面描述项。
d) 将页面描述项中给出的页面基地址与线性地址中的offset项相加得到物理地址
中断发生时候,CPU自动调用相应的中断处理程序,这些中断处理程序的入口指针(被称作中断向量)一般被放在一个指定的位置,比如BIOS中断向量放在地址0-1K的空间内,每4个字节存放一个中断向量.而在保护模式下,BIOS中断不可用,中断向量被放在IDT中,当一个中断发生时,CPU将中断号作为索引到相应的中断处理程序表中(BIOS中断向量表(实模式)或IDT(保护模式))找到相应的中断处理程序的指针,并执行它.
另外,中断处理程序用C/C++还是ASM,还是机器语言写的并不重要,因为编译之后都是二进制机器指令或数据.但如果你的中断处理程序有空间和效率的限止,则一般使用汇编语言写,比如BIOS中断处理程序都是用汇编写的,被放在0xB0000-0xFFF00之间,而保护模式下,被OS开发者写的中断处理程序一般都是用C写的,比如linux.这些都不重要.
还有就是,BIOS中断处理程序被固化在ROM中,但BIOS中断向量表却是在PC启动时被POST(Power-On Self Test,是一段被固化在ROM中的程序)初始化在RAM中的,因此,你可以修改这些向量,让它们指向你自己写的程序.这样当中断发生时, CPU就会执行你所写的中断处理程序.
对于那些针对硬件操作的中断处理程序,我们看起来只要调用这些中断,就可以达到对硬件操作的效果(比如磁盘操作,显示器操作等等),但事实上,这只不过是中断处理程序直接调用I/O操作(in或out指令)来帮你完成了这一切罢了.
如果从软盘起动,则Dos引导程序被ROM BIOS直接加载到内存,若从硬盘起动,则被硬盘的
主引导程序加载.不过都是被加载到内存的绝对地址0000:7C00H处.因此,Dos引导程序的第一条指令的地址一定是0000:7C00H.
Dos引导程序所做的事情如下:
1>调整堆栈位置
2>修改并用修改后的磁盘参数表来复位磁盘系统
3>计算根目录表的首扇区的位置及IO.SYS的扇区位置
4>读入根目录表的首扇区
5>检查根目录表的开头两项是否为IO.SYS及MSDOS.SYS
6>将IO.SYS文件开头三个扇区读入内存0000:0700H处
7>跳到0000:0700H处执行IO.SYS,引导完毕
上述每一步若出错,则显示"Non system disk or disk error..."信息,等用户按任一键后试图重新起动.
下面的Dos引导程序是从硬盘上得来的,显示MSDOS5.0,但Dos的ver命令报告的是6.22版.FAT表自然是16位的.
说明:
(DX) 表示寄存器DX的值
逻辑扇区号 以0面0道1扇区作为逻辑0扇区,而不是以Dos引导扇区为逻辑0扇区,
当然,对软盘来说二者是相同的,对硬盘则不同
面号 即磁头号
磁道号 即柱面号(对硬盘)
物理扇区号 由面号,磁道号,扇区号三者共同指定
偏移 机器码 符号指令 说明
========================================================================
0000 EB3C JMP 003E ;跳过数据区
;以下数据是厂商OEM信息和磁盘BPB表
0000 90 4D 53 44 4F 53-35 2E 30 00 02 08 01 00 .MSDOS5.0.....
0010 02 00 02 00 00 F8 CC 00-3F 00 10 00 3F 00 00 00 ........?...?...
0020 F1 59 06 00 80 00 29 E3-0B 3F 26 53 4C 4D 20 20 .Y....)..?&SLM
0030 20 20 20 20 20 20 46 41-54 31 36 20 20 20 FAT16
------------------------------------------------------------------------
003E FA CLI
003F 33C0 XOR AX,AX
0041 8ED0 MOV SS,AX
0041 8ED0 MOV SS,AX
0043 BC007C MOV SP,7C00 ; 初始化堆栈
0046 16 PUSH SS
0047 07 POP ES ;(ES)=0000H
0048 BB7800 MOV BX,0078 ;1EH 号中断向量的地址为0000:0078H
004B 36 SS: ;(SS)=0000H
004C C537 LDS SI,[BX] ;取1EH号中断向量的内容存入DS:SI
004E 1E PUSH DS ;该中断向量指向一个11字节的磁盘参数表
004F 56 PUSH SI ;取到后压入堆栈中保存
0050 16 PUSH SS
0051 53 PUSH BX ;保存地址0000:0078H
0052 BF3E7C MOV DI,7C3E ;7C3E-7C00=003EH,即偏移003EH,以下类推
0055 B90B00 MOV CX,000B ;磁盘参数表共11字节
0058 FC CLD
0059 F3 REPZ
005A A4 MOVSB ;将磁盘参数表复制到0000:7C3EH处
005B 06 PUSH ES
005C 1F POP DS ;(DS)=0000H
005D C645FE0F MOV BYTE PTR [DI-02],0F ;修改参数表中"磁头定位时间"
0061 8B0E187C MOV CX,[7C18] ;从BPB中取"每磁道扇区数"
0065 884DF9 MOV [DI-07],CL ;修改参数表中"每磁道扇区数"
0068 894702 MOV [BX+02],AX ;(AX)=0000H,修改1EH号中断向量(段址)
006B C7073E7C MOV WORD PTR [BX],7C3E ;修改1EH号中断向量(偏移),这样1EH号
006F FB STI ;中断向量的内容为0000:7C3EH,指向新的磁盘参数表
0070 CD13 INT 13 ;用新的磁盘参数表来复位磁盘
0072 7279 JB 00ED ;出错则转出错处理
------------------------------------------------------------------------
; 下面一段程序计算扇区位置
0074 33C0 XOR AX,AX
0076 3906137C CMP [7C13],AX ;偏移0013H处是Dos分区的总扇区数
007A 7408 JZ 0084 ;为零表示大硬盘?
007C 8B0E137C MOV CX,[7C13] ;不为0则取出来放到偏移0020H处
0080 890E207C MOV [7C20],CX ;这个值本程序未用,似乎为IO.SYS准备的
0084 A0107C MOV AL,[7C10] ;取FAT表的个数
0087 F726167C MUL WORD PTR [7C16] ;乘以一个FAT表所占的扇区数
008B 03061C7C ADD AX,[7C1C] ;加上Dos分区前的扇区数(隐藏扇数,低位)
008F 13161E7C ADC DX,[7C1E] ; 高位
0093 03060E7C ADD AX,[7C0E] ;加上Dos分区内的保留扇区数(低位)
0097 83D200 ADC DX,+00 ; (高位)
009A A3507C MOV [7C50],AX ;根目录表的首扇的逻辑扇区号(低位)
009D 8916527C MOV [7C52],DX ; (高位)
00A1 A3497C MOV [7C49],AX ;此处放IO.SYS的首扇的逻辑扇区号(低位)
00A4 89164B7C MOV [7C4B],DX ; (高位)
00A8 B82000 MOV AX,0020 ;根目录表中每项占32字节
00AB F726117C MUL WORD PTR [7C11] ;乘以根目录表中的项数
00AF 8B1E0B7C MOV BX,[7C0B] ;取"每扇区的字节数"
00B3 03C3 ADD AX,BX ;这两条指令是为了取整
00B5 48 DEC AX
00B6 F7F3 DIV BX ;除以每扇字节数,得到根目录所占扇区数
00B8 0106497C ADD [7C49],AX ;得到根目录表后首扇的逻辑扇区号(低位)
00BC 83164B7C00 ADC WORD PTR [7C4B],+00 ; (高位)
-----------------------------------------------------------------------
;下面一段程序在根目录表中找系统文件IO.SYS和MSDOS.SYS
00C1 BB0005 MOV BX,0500 ;内存缓冲区的偏移值
00C4 8B16527C MOV DX,[7C52] ;取根目录表的首扇的逻辑扇区号(高位)
00C8 A1507C MOV AX,[7C50] ; (低位)
00CB E89200 CALL 0160 ;将逻辑扇区号转换为物理扇区号
00CE 721D JB 00ED ;出错则转出错处理
00D0 B001 MOV AL,01
00D2 E8AC00 CALL 0181 ;读一个扇区到内存(根目录的首扇)
00D5 7216 JB 00ED ;出错处理
00D7 8BFB MOV DI,BX ;内存缓冲区的首址
00D9 B90B00 MOV CX,000B ;比较11个字节
00DC BEE67D MOV SI,7DE6 ;偏移01E6处是串"IO SYS",长11字节
00DF F3 REPZ
00E0 A6 CMPSB ;看第一项是否为IO.SYS
00E1 750A JNZ 00ED ;不是则出错
00E3 8D7F20 LEA DI,[BX+20] ;跳过32字节就指向第二项
00E6 B90B00 MOV CX,000B ;比较11个字节
00E9 F3 REPZ
00EA A6 CMPSB ;看第二项是否为MSDOS.SYS
00EB 7418 JZ 0105 ;是则两个文件都已找到,跳过出错处理
------------------------------------------------------------------------
;下面一段进行出错处理
00ED BE9E7D MOV SI,7D9E ;偏移019EH处是串"Non system disk..."
00F0 E85F00 CALL 0152 ;显示字符串
00F3 33C0 XOR AX,AX
00F5 CD16 INT 16 ;等待任一键按下
00F7 5E POP SI
00F8 1F POP DS ;得到1EH号中断向量的地址0000:0078H
00F9 8F04 POP [SI]
00FB 8F4402 POP [SI+02] ;恢复1EH号中断向量的内容
00FE CD19 INT 19 ;自举
0100 58 POP AX
0101 58 POP AX
0102 58 POP AX ;清理堆栈
0103 EBE8 JMP 00ED ;再次试图起动
------------------------------------------------------------------------
;下面读入IO.SYS的头3个扇区到内存0000:0700H处
0105 8B471A MOV AX,[BX+1A] ;从根目录表第一项中取IO.SYS的首簇号
0108 48 DEC AX
0109 48 DEC AX ;首簇号减二
010A 8A1E0D7C MOV BL,[7C0D] ;取每簇的扇区数
010E 32FF XOR BH,BH
0110 F7E3 MUL BX ;(首簇号 - 2)乘以 每簇的扇区数
0112 0306497C ADD AX,[7C49] ;相加后得到IO.SYS的首扇的逻辑扇区号
0116 13164B7C ADC DX,[7C4B]
011A BB0007 MOV BX,0700 ;内存缓冲区的偏移值
011D B90300 MOV CX,0003 ;循环计数初值,读3个扇区
0120 50 PUSH AX ;逻辑扇区号进栈(低位)
0121 52 PUSH DX ; (高位)
0122 51 PUSH CX ;循环计数器进栈
0123 E83A00 CALL 0160 ;逻辑扇区号转换为物理扇区号
0126 72D8 JB 0100 ;出错处理
0128 B001 MOV AL,01
012A E85400 CALL 0181 ;读一个扇区到内存缓冲区
012D 59 POP CX ;循环计数出栈
012E 5A POP DX
012F 58 POP AX ;逻辑扇区号出栈
0130 72BB JB 00ED ;读盘出错处理
0132 050100 ADD AX,0001
0135 83D200 ADC DX,+00 ;下一个扇区
0138 031E0B7C ADD BX,[7C0B] ;缓冲区指针移动一个扇区的大小
013C E2E2 LOOP 0120 ;循环读入三个扇区
013E 8A2E157C MOV CH,[7C15] ;取"磁盘介质描述",传给IO.SYS
0142 8A16247C MOV DL,[7C24] ;取"系统文件所在的驱动器号"
0146 8B1E497C MOV BX,[7C49] ;取IO.SYS的首扇的逻辑扇区号
014A A14B7C MOV AX,[7C4B]
014D EA00007000 JMP 0070:0000 ;执行IO.SYS,引导完毕
-----------------------------------------------------------------------
;显示字符串的子程序
0152 AC LODSB ;从串中取一个字符
0153 0AC0 OR AL,AL
0155 7429 JZ 0180 ;为0则已到串尾,返回(共用RET指令)
0157 B40E MOV AH,0E
0159 BB0700 MOV BX,0007
015C CD10 INT 10 ;显示该字符
015E EBF2 JMP 0152 ;循环显示下一个
-----------------------------------------------------------------------
;将逻辑扇区号转换为物理扇区号的子程序
0160 3B16187C CMP DX,[7C18] ;这两条指令是为了避免第二次除法时除数
0164 7319 JNB 017F ;为0
0166 F736187C DIV WORD PTR [7C18] ;逻辑扇取号除以每道扇区数,商(AX)=总磁
016A FEC2 INC DL ;道数,余数(DX)再加一即为扇区号,因为扇
016C 88164F7C MOV [7C4F],DL ;区号是从1开始的,而不是从0开始
0170 33D2 XOR DX,DX
0172 F7361A7C DIV WORD PTR [7C1A] ;总磁道数(AX)再除以面数,所得的
0176 8816257C MOV [7C25],DL ;余数(DX)=面号(即磁头号)
017A A34D7C MOV [7C4D],AX ;商(AX)=磁道号
017D F8 CLC
017E C3 RET ;正常返回
017F F9 STC
0180 C3 RET ;异常返回