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[原创]利用调试寄存器提升PCI扩展ROM代码的兼容性
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发表于: 2013-11-21 17:05
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Author:Sandman
Date:2013.11.20
前几天一个做硬件的朋友向我求助，他开发的一款磁盘数据加密卡在测试的过程中出现了兼容性问题。通过调试发现问题是由软件的问题造成的。通过一下午的调试，最终使用CPU提供的调试机制完美的解决了兼容性问题。希望本文可以对相关开发人员有所帮助。
PS:虽然本文标题含有“PCI、ROM”相关字样，但是本文不涉及复杂的数字电路理论，解决问题的过程全部是由软件代码完成的，请读者不必恐慌...
出现兼容性问题硬件的故障现象：部分机型插卡开机以后，扩展卡初始化界面没有出现，直接进入OS。但是在OS中可以看到安装的新硬件。
出现故障的机型：
1.以联想天开S4250为代表的联想OEM品牌机
2.HP DC5700等机型
3.部分H61、Q75主板的兼容机
出现兼容性问题硬件的基本原理：
问题硬件基于PCI扩展ROM机制，利用在开机引导过程中PCI扩展ROM中的代码会被BIOS执行的特性，挂钩INT19h拦截OS引导，并在INT19h的中断钩子中挂钩INT13h，INT13h钩子做OS读盘时的数据解密工作。PC的引导过程可以概括为如下6点：
1.开机，BIOS代码被加载至F000h:0000h处执行；BIOS POST自检
2.初始化显示设备
3.初始化外围硬件设备(PCI扩展ROM会在此时执行)
4.内存测试、设备测试等过程
5.调用INT19h加载OS
6.INT19h调用INT13h读取引导磁盘的0磁道0柱面1扇区(MBR)到0000h:7C00h处，并jmp far 0000h:7C00h跳转至MBR所在内存，最终MBR完成指定OS的加载。
在PCI规范中提供了一种机制，使PCI设备可以带一个扩展ROM。通过执行ROM中存放的代码来完成与设备有关的初始化的操作，同时也有可能辅助系统的引导功能，例如挂接中断等操作。问题硬件就利用了这个特性挂钩INT19H，抢在OS加载前获取执行权限。很多还原卡也是利用了这个特性抢在操作系统之前执行。
但是，执行扩展ROM的任务是由BIOS来完成的，不同的主板厂商使用的BIOS不同，极少数的主板甚至不会去执行扩展ROM中的代码。因此就要考虑一个问题：我们的扩展ROM代码会不会被BIOS执行？如果答案是否定的话，解决这个问题的办法只有一个：联系主板厂商升级BIOS。
如果ROM代码被部分执行了，只是在某个阶段出现了问题，这样就要通过调试的方式来解决。大厂商可以使用类似Arium ECM-XDP3这样的硬件调试器来进行实时调试。但是由于本人没有硬件调试器，所以只能使用黑箱排查的方式一步步寻找问题所在。
本文的调试过程基于WCH CH360S扩展ROM调试板，如图所示。
其中J1是外部输入引脚引出，可以通过读写I/O寄存器读出其状态。
根据CH360S的DataSheet，J1引脚为通用输入引脚，内置上拉电阻，默认为高电平，若将J1短接，则GPI1引脚接地，输入为低电平。可以利用这个特性在扩展ROM加载时作判断，如果被短接则不执行后面的代码。这样做的目的是为了方便调试，防止由于程序的错误导致无法进入系统。
在ROM的初始化代码段中，我加入了向屏幕打印输出INT19h中断地址的代码，同时HOOK INT19h中断，在HOOK以后再次打印INT19h中断地址的代码查看是否挂钩成功。HOOK处理例程中设置一个死循环，造成一个黑屏死机的假象，证明我们的INT19h被BIOS调用了。详细代码如下。
BITS 16 CONST_VID EQU 1A00H CONST_DID EQU 8088H ROM_START: ROM_HEADER: DB 55H ;; 00H: SIGNATURE 1 DB 0AAH ;; 01H: SIGNATURE 2 DB (ROM_END-ROM_START) / 512 ;; 02H: IMAGE_SIZE JMP ROM_ENTRY ;; 03H: JUMP INSTRUCTION times 12H DB 00H ;; 06H: PADDING DW (PCI_DATA_STRUC-ROM_START) ;; 18H: PCI_DATA_STRUC POINTER DW 0000H PCI_DATA_STRUC: DB 'PCIR' ;; 00H: device flag DW CONST_VID ;; 04H: vendor ID DW CONST_DID ;; 06H: device ID DW 0000H ;; 08H: VPD pointer DW 0018H ;; 0AH: PCI_DATA_STRUC's length DB 00H ;; 0CH: PCI_DATA_STRUC's version DB 00H,80H,01H ;; 0DH: device type.Class Code DW (ROM_END-ROM_START) / 512 ;; 10H: Image length DW 0000H ;; 12H: the version of the code data DB 00H ;; 14H: the code type of ROM DB 80H ;; 15H: the flag used to make sure if or not the last ROM image DW 0000H ;; 16H: Reserved Int19h_Hook_Hanlder: jmp $ ;卡在这里，证明INT19H确实被执行了 int 89h iret Install_Int19h_Hook: push ds xor ax,ax mov ds,ax mov eax,[ds:(19h*4)] mov [ds:(89h)*4],eax mov word [ds:(19h*4)],Int19h_Hook_Hanlder mov word [ds:(19h*4)+2],cs pop ds ret ROM_ENTRY: push ax ;AX=由BIOS传来的总线号/设备号/功能号 pusha mov bx,ax mov ax,0b109h mov di,PC_BASE_ADDR ;读取扩展ROM卡的IO地址 int 1ah and cx,0FFF0h mov dx,cx mov dl,CH367_GPIR in al,dx ;读取J1引脚的状态,如果被短接则退出 and al,02h jz Exit_Init_Rom call PrintInt19h ;打印初始的INT19H地址 call Install_Int19h_Hook ;安装INT19h钩子 call PrintInt19h ;打印修改后的INT19H地址 Exit_Init_Rom: popa pop ax retf %include "CH360DEF.ASM" %include "PCIE_CFG.ASM" %include "ShowIVT.asm" times 32*1024-($-$$) db 0 ROM_END:
PULONG MapPhysicalMemory(ULONG StartAddress,ULONG RegionSize)
{
PHYSICAL_ADDRESS PhyAddr;
PhyAddr.HighPart = 0;
PhyAddr.LowPart = StartAddress;
return MmMapIoSpace(PhyAddr,RegionSize,FALSE);
}
VOID UnMapPhysicalMemory(PVOID StartAddress,ULONG RegionSize)
{
MmUnmapIoSpace((ULONG)StartAddress,RegionSize);
}
VOID PrintInterruptVectorTable(PULONG IVTBuffer)
{
ULONG i;
USHORT Segment;
USHORT Offset;
for(i=0;i<0xFF;i++)
{
Segment = (USHORT)((IVTBuffer[i] & 0xFFFF0000) >> 16);
Offset = (USHORT)(IVTBuffer[i] & 0xFFFF);
DbgPrint("INT 0x%.2X:%.4X:%.4X\n",i,Segment,Offset);
}
}
VOID DriverUnload(IN PDRIVER_OBJECT pDriverObj)
{
}
NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT pDriverObj, IN PUNICODE_STRING pRegistryString)
{
PULONG IVTBuffer;
IVTBuffer = MapPhysicalMemory(0,0x100000);
if(IVTBuffer)
{
DbgPrint("Mapped IVT:%.p\n",IVTBuffer);
PrintInterruptVectorTable(IVTBuffer);
UnMapPhysicalMemory(IVTBuffer,0x100000);
}
pDriverObj->DriverUnload = DriverUnload;
return STATUS_SUCCESS;
}
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