如何在Linux中从用户空间访问物理地址？

问题描述：

在运行 Linux 的 ARM 系统上，我有一个设备的内存映射到物理地址。从所有地址都是虚拟的用户空间程序中，我如何从该地址读取内容？

解决方案 1：

busybox devmem

busybox devmem是一个微型 CLI 实用程序，它具有 mmap 功能/dev/mem。

你可以在 Ubuntu 中使用以下命令获取它：sudo apt-get install busybox

用法：从物理地址读取4个字节0x12345678：

sudo busybox devmem 0x12345678

写信0x9abcdef0至该地址：

sudo busybox devmem 0x12345678 w 0x9abcdef0

来源：https ://github.com/mirror/busybox/blob/1_27_2/miscutils/devmem.c#L85

映射MAP_SHARED

当 mmapping 时/dev/mem，您可能想要使用：

open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC);
mmap(..., PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, ...)

MAP_SHARED使写入立即进入物理内存，这使得它更容易观察，并且对于硬件寄存器写入更有意义。

CONFIG_STRICT_DEVMEM和nopat

要使用/dev/mem内核 v4.9 查看和修改常规 RAM，您必须首先：

• 禁用CONFIG_STRICT_DEVMEM（Ubuntu 17.04 上默认设置）

• 传递nopatx86 的内核命令行选项

即使没有这些，IO 端口仍可工作。

另请参阅：/dev/mem 的 mmap 失败，virt_to_phys 地址的参数无效，但地址是页面对齐的

缓存刷新

如果您尝试写入 RAM 而不是寄存器，则内存可能会被 CPU 缓存：如何刷新 Linux 中地址空间区域的 CPU 缓存？我没有看到一种非常便携/简单的方法来刷新它或将该区域标记为不可缓存：

• 如何使用 O_DIRECT 将内核空间内存（物理地址）写入文件？

• 如何刷新 Linux 中某个地址空间区域的 CPU 缓存？

• 在 Linux 上，是否可以在用户空间中分配不可缓存的内存块？

那么也许/dev/mem不能可靠地将内存缓冲区传递给设备？

不幸的是，这在 QEMU 中无法观察到，因为 QEMU 不模拟缓存。

如何测试

现在到了有趣的部分。以下是一些很酷的设置：

• 用户空间内存

  • volatile在用户空间进程上分配变量

  • /proc/<pid>/maps使用+获取物理地址/proc/<pid>/pagemap

  • 使用修改物理地址的值devmem，并观察用户空间进程的反应

• 内核内存

  • 分配内核内存kmalloc

  • 获取物理地址virt_to_phys并将其传回用户空间

  • 修改物理地址devmem

  • 从内核模块查询值

• IO mem 和 QEMU 虚拟平台设备

  • 创建具有已知物理寄存器地址的平台设备

  • 用于devmem写入寄存器

  • watchprintf从虚拟设备中出来响应

奖励：确定虚拟地址的物理地址

Linux 中是否有任何 API 可以根据虚拟地址确定物理地址？

解决方案 2：

您可以使用系统调用将设备文件映射到用户进程内存mmap(2)。通常，设备文件是物理内存到文件系统的映射。否则，您必须编写一个内核模块来创建这样的文件或提供将所需内存映射到用户进程的方法。

另一种方式是将部分内容重新映射/dev/mem到用户内存。

编辑：mmaping 的示例/dev/mem（该程序必须具有访问权限/dev/mem，例如具有 root 权限）：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc < 3) {
        printf("Usage: %s <phys_addr> <offset>
", argv[0]);
        return 0;
    }

    off_t offset = strtoul(argv[1], NULL, 0);
    size_t len = strtoul(argv[2], NULL, 0);

    // Truncate offset to a multiple of the page size, or mmap will fail.
    size_t pagesize = sysconf(_SC_PAGE_SIZE);
    off_t page_base = (offset / pagesize) * pagesize;
    off_t page_offset = offset - page_base;

    int fd = open("/dev/mem", O_SYNC);
    unsigned char *mem = mmap(NULL, page_offset + len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, page_base);
    if (mem == MAP_FAILED) {
        perror("Can't map memory");
        return -1;
    }

    size_t i;
    for (i = 0; i < len; ++i)
        printf("%02x ", (int)mem[page_offset + i]);

    return 0;
}