硬盘保护卡的软硬件设计

硬盘保护卡的软硬件设计 α 廖金祥 摘 要 本文从软、硬件两方面阐述了目前流行的硬盘,是与原扇区有相同的磁头号和扇区号但不同柱面号的扇区保护卡的设计原理, 剖析了软件方面的关键技术, 给出了最简 这便是“写映射”。 硬盘保护卡对系统的控制是在 读ƒ写 B IO S 单的硬件电路原理图。 扇区这一层上, 具体技术细节见本文 3. 2 节。 关键词 兼容方式 DO S 写映射 映射扇区映射标志 新 载入标志13IN T H 三、软件设计 硬盘保护卡的功能是由固化在卡上 中的软件来 E PROM 一、问题的提出 实现的。 1. 95 下硬盘的 兼容方式W INDO S : 病 毒 感 染; 误 操微机运行过程 中 存 在 如 下 不 安 全 因 素是一个运行在保护模式下的 32 位的操作系统, 它 95 W IN 作; 操作者出于好奇而有意无意的破坏。 在公用机房, 熟练顺 不提供诸如 下的 来读写硬盘扇区, 也没有直接 13DO S IN T H 畅地安装系统及应用软件至少耗时 2 小时, 更烦恼的 95 W IN () 访问扇区的 函数。 即便能利用虚拟设备驱动程序 A P I V XD 是刚维护好的系统不一会又死机了。 于是管理员成天忙于杀 来处理中断, 那也要在系统引导成功后才能实现。 要 95 W IN 病毒、装软件, 在万般无奈的情况下只好对上机者实施限制, 想在系统引导前就能接管并监控对硬盘扇区 95 95 W IN W IN 如; 禁止使用软盘或卸掉软驱; 禁用本地硬盘 而 上 无 盘 工 作 ( 的读写, 就要迫使工作在 16 位的文件系统方式下 称 95 W IN 站。总之, 管理者辛苦, 使用者有意见, 设备利用率低。为了改 ) 为 兼容方式, 在此方式下 实际上是在用 95 DO S W IN B IO S 善 这 种 现 状, 硬 盘 保 护 卡 应 运 而 生。 硬 盘 保 护 卡 作 为 扩 充 的 来读写磁盘扇区。13IN T H 板插在主板扩展槽中并在操作系统引导前取得控制权, ROM 开机自检查完成后且操作系统引导前, 硬盘保护卡以 PC 对硬盘引导扇区、系统及应用软件、数据等实施保护。CM O S 扩充 的形式取得 了 系 统 控 制 权, 它 修 改 建 立 的ROM B IO S 中断向量, 使其指向基本内存高端, 同时将 0: 041313IN T H H处 的 内 存 容 量 减 少 若 干 字 节, 在 内 存 高 端 保 存 新 的 K 服务程序。这样就将 向量“固定”在基本内存 1313IN T H IN T H 二、技术关键中, 于是认为内存中驻留有 16 位的驱动程序, 出于兼 95 W IN 容性考虑只好工作在 兼容方式下了。新的 程序13DO S IN T H 硬 盘保护卡的技术关键是要解决“写”的问题, 可以将硬取得了对硬盘扇区的读写控制权从而可以实现硬盘保护卡的 盘至少划分为 和 两部分。中装系统和应用软件, 只读 : : : CD C功能。 不写, : 自由读写。 一般情况下是以 盘开机引导并运行 : D C C 2. 写映射技术上的应用程序, 肯定会写盘动作并且某动些写作一定要在 : C由本文第 2 节可知, 映射扇区和原扇区只是柱面号不同, 上进行。虽然可以在下将数据文件的生成路径设置在 95 W IN 映射扇药的柱面号相对于原扇区有一个固定的增量, 此增量 盘上, 但很多情况下不让写 盘是行不通的, 如某些安装程 D C 便是 盘的柱面总数。例如: 在 4 柱 6 头 1 扇区处写入 8 个扇 : C序和加密软件等。 区, 若 盘有 40个柱面, 则此 8 个扇区就写到 44柱 6 头 1 : CH H 大家知 道,“写”有 三 个 层 次: 写 文 件: 写 扇 区: 写 ƒ端 IO 扇区处去了。 口, 前者是操作系统完成的, 后两者是 完成的, 写文件分 B IO S 在写映 射 技 术 中 还 要 解 决“读”的 问 题, 在 读 盘 时, 新 C 解成写扇区最终由 端口写入硬盘。写文件是绝大多数, 直 ƒIO 必须判断是读原扇区还是读映射扇区。 显然, 若映射 13IN T H 接写扇区偶尔有之, 而直接 ƒ端口写只有极少数工具软件 IO 扇区被写过则应该去读映射扇区, 否则读原扇区, 因为映射扇 采用。 区的是新写入的, 读出的内容才是正确的。 ( ) 现 今硬盘容量是海量的, 硬盘保护卡在规划硬盘 分区在新 中, 对 盘的每一个扇区都设置了一个“映 13IN T H C 时在 和 之间预留一块与 同等大小的空间作为 盘的 : : : CD CC 射 标志”, 当某一扇区有“写映射”发生时, 该扇区的映射标志 “映射区”。 对此, 映射区, 操作不会赋予盘符也不会承认其容 置“1”, 否则为“0”, 当读 盘扇区时, 检测映射标志, 该标志C 量, 只是在写扇区这一层次上可以对其读写。凡系统对 盘扇 C 区 的写都让其写在映射区的“映射扇区”上, 所谓“映射扇区” , 将被改动的数据校正。数据的读写方法大家 数据比较为 1 时读映射扇区, 否则仍然读原扇区。我们用一个二进制位CM O S 作为映射标志, 在 兼容方式下, 系统能管理的硬盘空间 DO S 熟知, 不再赘述。 很明显, 保护要靠保存在硬盘中的正 CM O S 最大为 2, 共 1023 柱3 64 头3 63 扇= 4124736 个扇区, 每 GB 确 数 据, 那 么 当 数 据 中 硬 盘 类 型 被 破 坏 或 被 改 成CM O S 个扇区对应一个二进制位, 最多需要花费 512字节作为映射 K “”怎么办呢? 此时开机系统无硬盘, 谈不上读出正确的N ON E 标志, 而新 驻留内存高端, 这将使新 几乎占 1313IN T H IN T H 数据。这里我们采取“二次连接硬盘”的方法, 当开机读 CM O S 满了基本内存。显然行不通, 怎么办? 我们只在新 中 13IN T H 不到 001 扇区时则在 的几个相应字节中填写一种小硬 CM O S () 安排 8区域作映射标志, 其余的以扇区 称为“标志扇区”为 K () 盘 比如 40硬盘的参数, 紧接着用几条指令迫使系统再启 M ( 单位保存在硬盘的隐藏扇区中 在硬盘保护卡对硬盘分区时 动, 此时便可以读出隐藏扇区中保存的 数据并校正之,CM O S )预留 2 个柱面作为隐藏扇区。对每一个标志扇区用一个字节 ( ) 作 为其“载入标志”载入标志约占 1内存, 当载入标志是 迫使系统再启动一次就正常了。K 时表示本次所读扇区所在的标志扇区已从硬盘载入到了 F FH 内存, 可以检测其映射标志; 当载入标志为 00 时则要先将所 在的标志扇区主到内存后再检测其映射标志。 四、硬件设计写映射技术中算法较复杂, 对读写的每一个扇区依照其 ƒ 所在的柱面号、磁头号、扇区号得扇区的物理顺序号, 由顺序 硬件保护卡的硬件设计非常简单, 若不考虑自身版权安号算出载入标志和映射标志的位置, 依照位置检测这二个标 全的需要只须二块芯片即可。 参见电路原理图。 从图中可知 志, 这些算法是软件设计的大部分。 是一片 27256 芯片, 其中固化着硬盘保护卡的软件。 为了2 U 请参考本文所附的读写流程图理解写映射技术中的读 ƒƒ写过程 写流程图读流程图 计算出所扇区的 计算出所读扇区的 顺序号 顺序号 计算出的映射标志 计算出映射扇区的 的位置 柱、头、扇号 计算出映射标志所 调原 IN T 13H写映 属标志扇区的位置 射扇区 N 图 2 电路原理图 计算出映射标志的 避免在上位内存中与其他插件发生地址冲突, 2 的地址必须 U = FFH载入标志 位置是可变的。是 8 位数字全等比较器 74688, 仅当 8 位输入 1 U L S 读入标志扇区 0- 7 与 8 位输入0- 7 全等时, 其 19 引脚上才有低电平 P P Q Q Y 输出, 用以选通 2 的片选脚。3 是一个 4 位的跳线开关, 由 U U 计算出映射标志所属 标志扇区的位置 开关的开合可以实现 的 的高低电平的设定, 当跳 1 1- 4 U Q Q 映射标志= 1线断开时端处于高电平, 反之低电平。这样的电平 1- 4 Q Q Q N 状态可以与来自 的地址线 上的电平信号 18 - 15 CO PU A A ( ) 高平有效进行比较, 当二者对应相等时, 1 的 19 脚输出一 U 读原扇区 载入标志= FFH Y 个低电平, 2 被选通, 27256 中的数据被读出。 感兴趣的读者 U N 不难计算出由跳线的变化而使的地址发生变化的范围。由2 U 读入标志扇区 读映射扇区 Y 映射标志置1 于硬盘保护卡插在主板的 槽中, 图中的地址、数据、控制、 ISA 电源信号均来自 槽的 62 条引脚。 图1 读ƒ写流程图 ISA 五、进一步研究3. 数据保护 CM O S 数据也是硬盘保护卡必须保护的重要数据。 其方 CM O S )( 下转第 64 页法很简单, 在安装时将正确的 数据保存在硬盘的隐藏CM O S () 扇区中 比如 0 柱 0 头 4 扇区。 每次开机时与当前的 CM O S ?61? link d ll"U SER " —— 链接模块以访问 为 0, 如果页面中有图像, 背景中没有图像, 则可把值设为 1,W indow U SER 如果页面和背景中都有图像出现, 则可把值设为 2。 这样可以 () 函数M o veW indow 提高显示速度, 特别是在页面中导航中, 而有可以避免页面导 (), , , , , IN T M o veW indow W O RD IN T IN T IN T IN T IN T 航时的闪动。 () —— 声明类型为 M o veW indow IN T视窗优化显示的方法应该不止这些, 有在于我们在应用 end link d ll 程序的开发过程中不断地探索, 寻求新的更多更好的方法, 更 好地解决视窗的显示问题。同时, 为了使你的应用程序不会出 ((, 1 , 2 , ge t M o vew indow hW ndw o re o f itw o rd o f itw o rd 现视窗的显示问题, 你最好在应用程序的设计过程中就进行 ) () )3 + 1, 4 + 1, 1o f itw o rd o f it 反复的试验, 到各种类型的机子上去进行测试, 选择正确的表 ( ) —— 向 传送媒体窗口的窗口句柄以及窗 m o veW indow 现形式, 以免在程序应用过程中才发现问题, 耽 误 开 发 的 时 口大小。 间。 —— 视窗比媒体源尺寸高且宽一个像素以获得最佳的显 )示性能。 ()"" , ge t ca llM C Ip lay mm se lf end bu t to nc lick 参考文献: T o h and le M C IN o t ify ()" " ge t ca llM C Ic lo se mm [ 美 ]. 纳 塔 尔, . 雷 顿 著, 1 DEA sym e t r ix M u lt im ed ia T oo l2 "" un link d ll U SER 使 用 指 南, 希 望 图 书 创 作 室 译 孙 航 出 版 社4. 0 Boo k end M C IN o t ify 1998. 7 如把上例中的第九句改为: A bstrac t T h is p ap e r ana ly se s th e cau se o f v iew e r un stead i2 ((, 1 , 2 , ge t M o vew indow hW ndw o rd o f itw o rd o f itw o rd 4. 0. ne ss in T oo lBoo k It a lso list s som e m e tho d s o f po sit io n2 )) () 1, 1 3 - 1, 4 - o f itw o rd if it4. 0 ing v iew e r s in T oo lBoo k and p ropo se s a m e tho d fo r op t i2 则显示的性能最差, 这在运行速度慢时尤其明显。.m izing v iew e r s ba sed o n th em 5. 提高显示速度: 为确保页面和背景的显示速度, 应在视 Key words v iew e r d isp lay po sit io n ing 窗性能对话框的可选项中, 设置图像缓冲区。 图像缓冲区有 3 个值: 0 表示图像缓冲区没有保存页面和背景的图像; 1 表示 () 收稿日期: 99 年 5 月 31 日图像缓冲区只有保存页面的图像; 2 表产像缓冲区保存页面和 () 上接第 61 页 以上设计的硬盘保护卡还有二点需要进一步研究和改 这必然限制了每次开机后对 盘写入数据的多少, 这就要求 C 进, 一是“映射区”占用了与 盘同等大小的硬盘空间, 这对 : C我们在开辟映射区时适当安排其大小。另外, 当用户在开机时 于早期小硬盘不太适用; 二是安装时对硬盘重新分区, 破坏了 想要保留上次写入的数据时则还要给用户一个机会用以选择 原有数据。 ( ) 是否将上次写入的数据转储 真正写入到 盘或其他盘上,对硬盘重新分区是出于开辟映射区的需要, 可以不必在 C : 和 : 之间开辟映射区。当我们在 盘中将被保护的软件怕 CD C 从而使映射区可以重新写入数据。为了安全, 万一当映射区写 插上硬盘保护卡, 在 盘剩余空间中以“簇”的形式开辟映射 C 满时还应能给予响铃报警并停机。 () (区。即是在文件分配表 中将部分“簇”设置为“坏簇”其 FA T 这种进一步研究设计的硬盘保护卡称之为“智能型硬盘 ) 标志为 由这些坏簇组成映射区。对这种映射区, 文件 7, F F F H 保护卡”。 系统不能使用但 却可以读写。 其空间大小安排在几 13IN T H ( 十兆到数百兆范围内 视 盘大小和每次读写的数据量大小 C )而定。这样一来映射扇区与原扇区不再只是柱面号不同而是 A bstrac t T h is p ap e r de sc r ibe s th e p r inc ip le s o f de sign ing th e 其对应关系要复杂得多, 于是硬盘保护卡软件的算法复杂了 pop u la r h a rdd isk p ro tec t io n ca rd f rom th e v iew po in t o f so f t2 许多: 首先是映射区的扇区并不连续, 且由簇号换算成物理扇 . w a re and h a rdw a reIt a lso ana ly se s th e k ey tech n ique s in 区号也较麻烦; 其次是映射标志和标志扇区的计算也大大复 .so f tw a re and p ropo se s th e sim p le st d iag ram o f c ircu it s 杂了; 但这些都可以实现。 ()由于映射扇区的个数大大少于原扇区 因为映射区小了 DO S com p a t ib le m o de w r ite m app ing m ap 2 Key words 13M app ing f lag s N ew in th L o ad ing f lag s p ing sec to r () 收稿日期: 99 年 8 月 16 日