[系统教程]用汇编编写DOS下的内存驻留程序(1)

绪言
0.1 内存驻留与中断
 内存驻留程序英文叫Terminate and Stay Resident Program,缩写为TSR.这些程序加载进内存,执行完后,就驻留在内存里,当满足条件时,调到前台来执行。
 内存驻留程序的常用形式有:
  >诸如Borland 的SideKick弹出式实用程序
  >日历系统
  >网络服务器
  >通讯程序
  >本地的DOS扩展(如CCDOS,UCDOS等中文系统都属于这个范畴)
  >一些可恶的人利用TSR技术制作很多可恶的病毒程序,几乎所有的病毒程序都是TSR程序.
 就象多任务系统调度一个进程有一个调度程序一样,在PC中从前台程序进入到一个TSR,也要有一个调度者,只是PC操作系统的调度不称为调度程序,而只称为触发机制.触发机制调度TSR执行在PC机上党称为激活一个TSR.触发机制主要有以下几种:
  >硬件中断:党用的是键盘中断INT 9H,时钟中断INT 8H,通讯中断INT 14H,磁盘中断INT 13H等等.
  >软件中断:党用的是键盘中断INT 16H,时钟中断INT 1CH,DOS中断INT 21H,等等.
  >以上各种的结合.
 从以上的触发机制可以看出,TSR和PC机的中断系统有着密切的关系.每种激活方式实际上都是与中断有关的.常用特殊的击键序列的识别码是通过截获INT 9H和INT 16H来实现.实际上不管TSR程序的哪一个环节,都与中断有着密切的关系.因此在具体进行TSR和程序设计之前,先介绍PC中断系统.在此只作简单说明.
 在PC机内存的最低端(0000H开始)的1K字节中,存放着256个指针即常说的中为向量或中断矢量(interrupt vertor)，每个中断向量都指向一个子程序，该程序称为中断处理程序（Interrup handler)．一个中断向量由四个字节组成，有一个字是中断处理程序的偏移量值，后一个字是中断处理程序的段值．256中断向量一起称为中断向量表.
 手式计算中断向量的首址,可通过以下的公式来求得:
  X号中断向量的首址=0000H:X*4
 当产生一个中断时,处理器都按顺序执行以下步骤:
  >在堆栈上压入处理器的标志(相当于指令PUSHF).
  >在堆栈上压入当前CS和IP值(相当于指令PUSH CS和PUSH IP).
  >关闭中断(CLI)
  >从中断向量加载的CS和IP,执行中断处理程序.
 当执行完中断处理程序后,一般用IRET返回,它的作用是:
  >从堆栈上取出保存的IP和CS(相当于指令POP CS和PUSH CS).
  >同时恢复中断前的处理器标志(相当于指令POPF).
 中断有多种分类,由触发的原因和实现的性质来分,可分为硬件中断和软件中断,从操作系统分层实现来说,可以分成Bios中断,BOS中断和用户中断.
 一方面,BIOS和DOS通过中断系统向用户提供一个操作系统功能界面.也就是说用户(一般来说是前台程序)的功能主要是通过调用DOS和BIOS的中断服务来实现的,具体来说就是通过INT指令来实现的.另一方面,BIOS和DOS由中断系统所构成,BIOS对硬件成为高层的功能,并通过中断的形式向用户提供.
 如果在当前程序执行的同时,能将一块代码放在内存,把中断向量指向代码中的子程序,那么在当前程序执行中产生中断时,就有可能执行不属于当前程序和操作系统的代码,产生的中断可能是当前程序产生的软件中断,也可能是由硬件产生的硬件中断.这就是单任务的PC操作系统可能执行多于一个进程的简单说明.
 在PC中断系统中有几个中断具有周期性,即INT 8H,INT 1CH和INT 28H.它们或者周期性被执行用于时间计时,或者周期性产生用于等待.它们是在实现TSR时进行轮询触发的基础.键盘中断(INT 9H和INT 16H)当用户击键时发生,利用它们是进行热键处理的基础.串行口通讯也是触发的一个重要机制.此外众多的软件中断也是触发的媒介.
0.2 DOS的可重入性分析
 一个多任务操作系统之所以能使多个进行并存,是因为操作系统的大部分代码是可以了重的,对于临界资源有相应的PV操作,使得当调度一个新的进程时,能完整地保存前一个里程的现场,当再一次调度被挂起的进程时能象没有被中断一样继续执行.
 对于PC机来说,代码的重入性比较弱,对临界资源没有PC操作.当我们用中断程序启动用户的TSR时,如果只保存标志和寄存器,以及当前进程一些信息,那么只保存了当前程序的一部分现场,DOS的临界资源不会自动保存.在进行TSR设计时,一定要了解PC操作系统的重入性和临界资源.
 重入性总是体现在代码上,所谓可重入代码的指这样的代码,即该代码被执行时还没有从中退出,由于某种原因又一次或者多次进入相同的代码,该代码每次的执行结果都是正确的,就说该代码是可重入的.相反,如果结果不正确,那么就就该代码是不可重入的.下面是一个可重入的子程序的例子:
  Add proc near
   cmp DS:word ptr [si],0
   je DonotAddTheValue
   add ax,DS:word ptr [si]
  DonotAddTheValue:
   ret
  Add endp
 上面的例子不管在其中任何一处再一次执行该子程序,执行结果不变.为了说明,只举多种可能性中的一种.
  mov ds,0100h    ;ds=0100h
  mov si,0010h    ;si=0010h
  mov ax,0001h    ;ax,=0001h
  call Add
  cmp 0100h:word ptr [0010h],0  ;Call Add subroutine
  push ds     ;Interrupted
  push si
  push ax
  mov ds,0200h    ;ds=0200h
  mov si,0200h    ;si=0020h
  mov ax,0003h    ;ax=0003h
  call Add
  cmp 0200h:word ptr [0020h],0  ;0200:0020h=0004h
  jne
  add ax,0200h:word ptr [0020h]  ;ax=0007h
  ret      ;Return
  pop ax     ;ax=0001h
  pop si     ;si=0010h
  pop ds     ;ds=0100h
  iret      ;Return to Add subroutine
  jne
  add ax,0100h:word ptr [0100h]  ;ax=   0001h
        ;0100h:0010h= 0002h
        ;----------------------------------------
        ;ax  = 0003h
  ret
  mov bx,ax
 而下面的子程序是不可重入的:
  Add proc near
   mov Temp,ax
   mov ax,DS:word ptr [si]
   cmp ax,0
   je DonotTheValue
   add ax,Temp
  DonotTheValue:
   ret
  Temp:
   dw  0
  Add endp
 可以利用检查可重入子程序的方法检查这个子程序的不可重入性,尝试一下在" mov ax,DS:word ptr [si]"指令后再次执行该子程序,那么就会出第一次调用返回的结果不对.
  mov ds,0100h    ;ds=0100h
  mov si,0010h    ;si=0010h
  mov ax,0001h    ;ax,=0001h
  call Add
  mov Temp,ax    ;Call Add subroutine
        ;Temp=0001h
  mov ax,0100h:word ptr [0010h]  ;0100h:0010h=0002h
        ;ax=2
  push ds     ;Interrupted
  push si
  push ax
  mov ds,0200h    ;ds=0200h
  mov si,0020h    ;si=0020h
  mov ax,0003h    ;ax=0003h
  call Add
  mov Temp,ax    ;Temp=0003h
  mov ax,0200h:word ptr [0020h]  ;0200h:0020h=0004h
  cmp ax,0     ;ax=0004h
  jne      ;Not equal ,add
  add ax,Temp    ;ax=0007h
  ret      ;Return to the interrupted point
  pop ax     ;ax=0002h
  pop si     ;si=0010h
  pop ds     ;ds=0100h
  iret      ;Return to Add subroutine
  cmp ax,0     ;ax=2
  jne      ;No equal,add
  add ax,Temp    ;ax   =0002h
        ;0100h:0010h =0003h
        ;----------------------------------------
        ;ax   =0005h
  ret      
  mov bx,ax
 上面执行的结果是AX=5,实上正确的结果应该是AX=3,这是由于当Add子程序从中断子程序再一次被调用时,修改了Temp的值,当从中断返回时不能正确恢复其值.
 解决的方法是把Temp放在堆栈中,当每次Add子程序被调用时Temp的地址都不一样,因此原调用的Temp值不会被第二次在中断中调用的Add所破坏.
  Add proc near
   push bp    ;Store BP
   sub sp,2    ;distribute a byte space in the stack
   mov bp,sp    ;SS:BP point to the stack head
  temp equ SS:word ptr [BP+0]  ;Explain the pointer to SS:BP
   mov Temp,ax
   mov ax,DS:word ptr [si]
   cmp ax,0
   je DonotAddTheValue
   add ax,Temp
  DonotAddTheValue:
   add sp,2    ;Release the dsitributed space in the stack
   pop bp    ;Restore BP
   ret
  Add endp
 对于DOS来说,DOS的内存数据就象Temp变量,它被分配在数据区,而不在堆栈上,因此DOS从总体上是不可重入的.从最后的一个例子看来.重入性跟堆栈有很大的关系.可重入代码允许在任何时候被中断,其所有的变量都存放在该代码的私有堆栈中.DOS是一个单任务的操作系统,在执行INT 21H的代码时是不允许中断DOS,并再次调用INT 21H的.每个时该最多有一个进程在调用DOS的代码.
 对DOS的重入性,以及相应所作的处理总结如下:
  >当通过INT 21H调用DOS时,DOS会使三个内部栈之一:I/O栈,磁盘栈和辅助栈.功能00H到处0CH使用I/O栈,除了不致命错误处理程 序以外使用磁盘栈,致命错误处理程序使用辅助栈.在这种栈切换模式下,如果前台处在INT 22H中,而TSR调用了使用相同栈的DOS功能, 就会使前台程序保存栈中的数据被TSR的数据覆盖掉;但如果调用不同栈的DOS功能,那将是安全的.INT 21H中的几个功能调即33H,50H,  51H,62H,和64H由于非常简单,使用用户栈,因此在任何情况下都是可重入的.避免这种不可重入的简单方法是当前台程序正处在INT 21H 中时,不要调用INT 21H.或者如果前台程序正在处理INT 21H时,只允许调用不同栈的INT 21H功能.
  >DOS数据区中有一个InDOS标志,也探源为DOS安全标志,表示当前访问DOS功能是来否安全.由于DOS不可重入,它指示当前是 否处于DOS中,激活TSR和代码可检查该标志(34H),如果DOS忙,则不能激活使用INT 21H 调用的TSR.
  >当前台程序执行能设置错误状态的DOS功能时,DOS会把扩展错误信息存放起来,正常情况下,前台程序可以读取扩展错误信息; 如果在前台程序读取信息之前激活TSR,且TSR也执行能报告错误信息的DOS功能,则后来的错误信息会覆盖原来的错误信息,前台程序就 会得不到正确的错误信息.因此必须在激活TSR之前保存(59H)这些错误信息,并在退出以前把它们恢复(5D0AH)成原来的值.
  >大多硬件中断如INT 13H,INT 0BH和INT 0CH等都是不可重往返.如果设置一引起寄存器,而在此时被TSR打断,执行类似的设置 ,就会出现非常情况,端口是不会自动保持值的.在进入这些中断时设置一个进入的标志,如果TSR检查到标志已置,则不调用相应的中断.
  >最好也不要重入INT 10H,INT 25H,和INT 26H中断.在进入这些中断时设置一个进入的标志,如果TSR检查到标志已置,则不调用 相应的中断.
  >最好能接管INT 1BH,INT 23H和INT 24H中断.
  >保存DOS的数据交换区(SDA)可以安全地使用的DOS的功能.SDA保存了DOS几乎所有内部数据,如果保存(5D06H)和恢复(5D0BH)SDA ,DOS就变成在任何时候都可以重入的了.当DOS处在关键区中时,调用INT 2AH.一旦处在关键区中,就不能改变SDA.在关键区的结束处会 调用INT21H的81H和82H功能.
0.3 内存驻留程序设计一般过程
 驻留程序分成两个部分,即暂驻部分和驻留部分.驻留程序要完成安装检测,激活和删除等过程.
 基本上可抽象成以下几个过程:
  >取中断向量
  >保存旧的中断向量
  >设置或恢复中断向量
  >中断处理程序的链接
  >检测是来呀已驻留
  >执行终止并驻留
  >TSR的删除
 删除TSR比较复杂,必须按下列步骤进行:
  >检查中断向量是否已经被替换.如果没有替换,就恢复所有的中断向量;如果某个中断向量被替换,则跳过下面各步,不能删除该 TSR.
  >TSR的PSP中偏移量16H存放着父进程的PSP.把这个值改为当前进程的地址.
  >把当前PSP设为TSR的PSP
  >执行INT 21H的4CH功能,释放TSR占用的内存,关闭所有文件,并使用PSP中存放的父进程地址和终止地址.
  >这里控制返回到初始进程中,当前PSP也指向初始进程,所有寄存器值包括SS和SP都不确定.
 在执行完上述步骤后,要恢复寄存器.
 如果要无条件地删除TSR,必须监控每个TSR对中断向量表,内存控制块和设备驱动程序链的修改.
0.5 缩写语表
 ASCIZ: 以零结束的ASCII字符串.
 BPD:  "BIOS Parameter Block (BIOS 参数块)"的缩写.含有对驱动器的低级参数的说明.
 CDS:  "Current Directory Structure(当前目录结构)"的缩写,含有某个逻辑驱动器的当前目录,类型和其它信息.
 DPB:  "DOS Drive Parameter Block(DOS驱动器参数块)"的缩写,含有某个逻辑驱动器的介质说明及一些内部信息.
 DPL:  "DOS Parameter List (DOS参数表)"的缩写,该数据结构用来传递参数给SHARE和网络功能调用.
 DTA:  "Disk Transfer Address(磁盘传输地址)"的缩写,指示对磁盘进行数据读写的功能调用不必显式地给出缓冲区地址.
 FAT:  "File Allocation Table(文件分配表)"的缩写,磁盘的文件分配表记录了所使用的簇信息.
 FCB:  "File Control Block(文件控制块)"的缩写,在DOS的1.X版本中,用FCB来记录文件打开的状态..
 IFS:  "Installable File System(可安装的文件系统)"的缩写,它允许一个非DOS格式的介质被DOS所使用. 大多数情况下IFS     与网络驱动器非常相似,尽管IFS最典型的情况是一个本地驱动器而不是一个远程驱动器.
 JFT:  "Job File Table(工作文件表)或Open File Table(打开文件表)"的缩写,程序PSP中的JFT可用来将文件句柄转换成SFT值.
 NCB:  "Network control Block(网络控制块)"的缩写.NCB可用传递对NETBIOS的请求和接受来自NETBIOS处理程序的状态信息.
 PSP:  "Porgram Segment Prefix(程序段前缀)"的缩写.当程序被装入时,PSP为一个预留的256字节的数据区它包含了程序调用时   的命令行内容和一些DOS的内部信息.
 SDA:  "DOS Swappable Data Area (DOS对换数据区)"的缩写.SDA中包含有DOS内部使用的记录某个正在处理的功能调用状态的   所有变量.
 SFT:  "System File Table(系统文件表)"的缩写,SFT是一个DOS内部数据结构,在DOS 2+版本的句柄功能调用中用于管理某个已打   开文件的状态,这就和在DOS1.X中,FCB管理已打开文件状态一样.