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利用BIOS的硬件信息编程（1）

2016-12-30 23:40 246 查看
1.为什么要有BIOS这个东西



BIOS实际就是ROM里面的一段小程序（芯片总容量大概就是几M），在主板通电时候会硬件加载执行。基本功能就是进行硬件检测，检查没问题就引导bootloader和系统。

为什么需要这个？

第一个原因，即使只有一块主板，什么外部连接的存储介质（磁盘，U盘等存储）都没有（更别说操作系统），这种情况下，一个主板其实也应该能进行一些硬件检查（ 甚至是设置），这就是BIOS存在并且嵌入到主板的一个原因。再者，不同主板不一样的硬件配置，对应的bios代码也不一样。不过两个不同bios，对外提供统一的一些统一的操作硬件的接口，他们遵循bios规范【http://blog.chinaunix.net/uid-27033491-id-3239348.html】，以前的操一些操作系统例如DOS就是直接使用bios提供的硬件接口访问硬件，现在的linux访问硬件就是绕过bios访问硬件，下面我们会测试通过bios去访问硬件。

2.bios加载MBR扇区

首先主板通电，硬件自动加载bios程序。bios程序检查硬件，初始化和设置硬件，然后加载磁盘（启动盘）的MBR扇区到0x7c00，然后跳到0x7c00执行。为什么是0x7c00？可以看【http://www.ruanyifeng.com/blog/2015/09/0x7c00.html】。主要是兼容历史的原因。

3.什么是启动扇区？



一个磁盘分为多个磁面，一个磁面一个head（读写磁头），一个磁面多个磁道（track），一个磁道多个扇区（sector），一个扇区512字节。其中0磁头0磁盘第一个扇区称为这个磁盘的第一个扇区。如果这个扇区（512字节）最后两个字节是0xaa55.识别这个扇区是MBR主启动扇区。

现在我们就来测试一下bios去加载MBR扇区的流程。

我们这里使用redhat7.2的qemu虚拟化来做实验最为简单。

首先新建一块1G的虚拟磁盘：

qemu-img create -f qcow2 /home/disk.qcow2 2G


使用已有磁盘新建一台虚拟机，启动虚拟机，查看屏幕输出信息：



现在设置磁盘的第一个扇区为启动扇区MBR.

#vim mbr.asm

start:
times (510-($-$$)) db 0 ;510字节前面都设置为0，$表示当前地址，$$表示起始地址
dw 0xaa55               ;511和512字节设置为AA55，表示启动扇区


编译:nasm mbr.asm -o mbr

这个文件现在我们的磁盘的第一个扇区:

由于qcow2是一个虚拟磁盘文件。我们需要通过nbd把虚拟磁盘文件挂在为真正可以访问的磁盘的。默认centos是没有nbd 安装nbd驱动。

这里需要编译一下内核的nbd驱动：

查看内核版本：

# uname -a

Linux bogon 3.10.0-327.el7.x86_64 #1 SMP Thu Nov 19 22:10:57 UTC 2015 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

#wget http://vault.centos.org/7.2.1511/os/Source/SPackages/kernel-3.10.0-327.el7.src.rpm
#rpm2cpio kernel-3.10.0-327.el7.src.rpm |cpio -imd

#tar xvf linux-3.10.0-327.el7.tar.xz

增加内核编译选项

Device Drivers  --->
[*] Block devices  --->
<M>   Network block device support
# make
#insmod drivers/block/nbd.ko max_part=8
# qemu-nbd -c /dev/nbd0 /home/disk.qcow2     ----------------虚拟磁盘文件挂在为真正的磁盘设备
# dd if=./mbr of=/dev/nbd0 bs=1 count=512     ----------------把上面的程序mbr写入磁盘的头512字节，也就是第一个扇区
#qemu-nbd -d /dev/nbd0

重启启动虚拟机，虚拟机的屏幕输出：



这说明bios已经识别到磁盘的MBR分区并且已经把MBR分区加载到了0x7c00地址执行。

3.利用执行MBR扇区的代码实现键盘操作功能。

现在处理器的控制权已经在mbr扇区代码的手里。现在我们就可以通过mbr扇区的代码去控制我们的处理器，进而操作我们的主板。

现在我们就实现键盘的操作功能，其实bios已经有相关的键盘的接口提供。但是我们目前先不用它的接口。我们直接操作我
4000
们的键盘。

目前我的键盘是ps2接口的键盘， 使用的ps2控制器是Intel的8042.



所以我们先链接一下ps2接口，以及连接的电路图。



键盘链接ps2插头：



电脑ps2控制器连接图：



上面两个图整合为一个整体就是：



我们cpu可以控制ps2控制器8042进而控制我们的键盘。所以我们需要了解一下ps2的协议以及8042的芯片资料。其中ps2协议可以了解一下时钟信号和数据信号（电信号）的一些传输协议，当然这些信号我们只需要了解就行，因为这些信号ps2控制器可以帮我们处理，我们只要操作ps2控制器。ps2协议可以自己百度，这里只提供一下数据传输的信号：



电信号采集数据要不就是高电平（二进制1），要不就是低电平(二进制0)，上面8个数据刚好可以组成一个字节的数据。控制器就是通过这些信号和键盘进行通信的。当然，这是控制器的工作，我们可以重点不放在这里【有兴趣可以自己百度一下"ps2协议"或者"ps2 protocol"】。我们重点看如何操作ps2控制器。现在我们看一下8042控制器的操作：

这里有一篇不错的介绍文章：http://blog.chinaunix.net/uid-25099259-id-3409632.html

8042控制器的寄存器有四个：状态寄存器，输出缓存控制器，输入缓冲控制器，控制寄存器。我们通过处理器操作端口就可以控制8042寄存器：

IO PortAccess TypePurpose
0x60Read/WriteData Port
0x64ReadStatus Register
0x64WriteCommand Register
关于寄存器的 每一个位的意思，可以看一下这个文章【http://wiki.osdev.org/%228042%22_PS/2_Controller】，里面有详细的寄存器信息介绍，还有如何初始化和使用控制器。我们就参考这边文章来操作的我们的寄存器。由于汇编不好，代码可能写的有点不精简。

开始之前我们需要先要调试工具。例如读取到数据我们如何知道数据是什么？

通过显示是最直观的。显示暂时没有去研究，我们可以直接使用bios提供的显示接口。例如打印0xaa，怎么打印？代码如下

代码写的有点挫，熟悉的人可以修改一下：

start: jmp run
tran_ascii:;数字转为对应的ASCII
cmp al,9
jle add_30h
jmp add_57h
add_30h:
add al,0x30;eg:0的ASCII 0x30
ret
add_57h:
add al,0x57;eg:a的ASCII 0x61
ret
print_8bit:;dl has data need print,eg:0xAB
push ax
push bx
push cx
push dx
xor ax,ax ;clear
xor bx,bx
mov al,dl ;被除数
mov bl,16 ;除数
div bl;AL存储除法操作的商，AH存储除法操作的余数
;把要打印的数据先保存起来
mov di,need_print
stosw

;显示高四位
mov ah,0x09
mov bh,0 ;显示页码
mov cx,1 ;重复输出字符的次数
call tran_ascii
int 0x10;功能描述：在当前光标处按指定属性显示字符

;移动光标到下一处
mov ah,0x03;读取当前光标位置
int 0x10
add dl,1;移动光标到下一处
mov ah,0x02
mov bh,0
int 0x10

;显示低四位
mov si,need_print
lodsw
mov al,ah
mov ah,0x09
mov cx,1 ;
call tran_ascii
int 0x10
pop dx
pop cx
pop bx
pop ax
ret

need_print: DW 0x00
run:
mov dl,0x1b
call print_8bit
times (510-($-$$)) db 0



有了这个我们就可以打印出控制器端口读出来的数据了。下面开始真正编码操作ps2控制器:

start: jmp run
;
;数字转为对应的ASCII
tran_ascii:
cmp al,9
jle add_30h
jmp add_57h
add_30h:
add al,0x30;eg:0的ASCII 0x30
ret
add_57h:
add al,0x57;eg:a的ASCII 0x61
ret

print_8bit:
push ax
push bx
push cx
push dx

;dl has data need print,eg:0xAB
xor ax,ax ;clear
xor bx,bx
mov al,dl ;被除数
mov bl,16 ;除数
div bl;AL存储除法操作的商，AH存储除法操作的余数
;save
mov di,need_print
stosw

;移动光标到下一处
mov ah,0x03;读取当前光标位置
int 0x10
add dl,1;移动光标到下一处
mov ah,0x02
mov bh,0
int 0x10

;显示high四位
mov si,need_print
lodsw
mov ah,0x09
mov bh,0 ;显示页码
mov cx,1 ;重复输出字符的次数
call tran_ascii
int 0x10;功能描述：在当前光标处按指定属性显示字符
;移动光标到下一处
mov ah,0x03;读取当前光标位置
int 0x10
add dl,1;移动光标到下一处
mov ah,0x02
mov bh,0
int 0x10

;显示low四位
mov si,need_print
lodsw
mov al,ah
mov ah,0x09
mov cx,1 ;
call tran_ascii
int 0x10

pop dx
pop cx
pop bx
pop ax
ret
wait_data:
in al,0x64
and al,1b
jz wait_data
in al,0x60
ret

need_print: DW 0x00

run:
cli
;Disable Devices
mov al,0xad
out 0x64,al
;Flush The Output Buffer
flush_data:
in al,0x64
and al,0x01
jz flush_ok
in al,0x60
jmp flush_data
flush_ok:
;Set the Controller Configuration Byte
mov al,0x20;read configure
out 0x64,al
in al,0x60
mov dl,al
add dl,11101100b;disabled interrupt,use poll mode
mov al,0x60;set configure
out 0x64,al

mov al,dl
out 0x60,al
;Perform Controller Self Test
mov al,0xaa
out 0x64,al
call wait_data
cmp al,0x55
jne err
;Enable Devices
mov al,0xae ;first port for keyboard
out 0x64,al
test_port_1:
mov al,0xAB
out 0x64,al
call wait_data
cmp al,0x00
jne err
read_input:
call wait_data
mov dl,al
call print_8bit
jmp read_input
err:
times (510-($-$$)) db 0
dw 0xaa55




上面就是键盘输入:bear和ctl+alt的扫描码输出。

各个按键的扫描码可以查看：http://wiki.osdev.org/PS/2_Keyboard

0x30B pressed
0xB0B released
0x12E pressed
0x92E released
0x1EA pressed
0x9EA released
0x13R pressed
0x93R released
0x1Dleft control pressed
0x38left alt pressed
0xB8left alt released
0x9Dleft control released
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