如何从Linux中的用户空间访问物理地址？

Question

在运行Linux的基于ARM的系统上,我有一个内存映射到物理地址的设备.从所有地址都是虚拟的用户空间程序,我如何从该地址读取内容？

Answer 1

您可以使用mmap(2)系统调用将设备文件映射到用户进程内存.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,或者提供一种将所需内存映射到用户进程的方法.

另一种方法是将/ dev/mem的部分重新映射到用户存储器.

编辑:mmaping/dev/mem的示例(此程序必须能够访问/ 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>\n", 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;
}

Answer 2

busybox devmem

busybox devmem是一个很小的CLI实用程序,它是mmaps /dev/mem.

你可以在Ubuntu中获得它: sudo apt-get install busybox

用法:从物理地址读取4个字节0x12345678:

sudo busybox devmem 0x12345678

写到0x9abcdef0该地址:

sudo busybox devmem 0x12345678 w 0x9abcdef0

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

MAP_SHARED

在进行mmapping时/dev/mem,您可能希望使用:

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

MAP_SHARED 使写入立即转到物理内存,这使得更容易观察,并使硬件寄存器写入更有意义.

CONFIG_STRICT_DEVMEM 和 nopat

要用于/dev/mem查看和修改内核v4.9上的常规RAM,您必须先:

• 禁用CONFIG_STRICT_DEVMEM(在Ubuntu 17.04上默认设置)
• 传递nopatx86 的内核命令行选项

IO端口仍然可以正常工作.

另请参阅:为/ dev MMAP/MEM失败与virt_to_phys地址无效的说法,但地址是页对齐

缓存刷新

如果您尝试写入RAM而不是寄存器,CPU可以缓存内存:如何在Linux中刷新地址空间区域的CPU缓存？我没有看到一个非常便携/简单的方法来刷新它或将该区域标记为不可缓存:

• 如何在Linux中刷新地址空间区域的CPU缓存？
• 是否有可能在用户空间中在Linux上分配不可缓存的内存块？

那么可能/dev/mem无法可靠地将内存缓冲区传递给设备？

遗憾的是,这在QEMU中无法观察到,因为QEMU不会模拟缓存.

如何测试它

现在是有趣的部分.以下是一些很酷的设置:

• 用户态记忆
  • volatile在userland进程上分配变量
  • 用/proc/<pid>/maps+ 获取物理地址/proc/<pid>/pagemap
  • 修改物理地址的值devmem,并观察用户进程的反应
• 内核记忆
  • 用内核分配内核内存 kmalloc
  • 获取物理地址virt_to_phys并将其传递回用户区
  • 修改物理地址 devmem
  • 查询内核模块的值
• 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
  • 使用devmem写入寄存器
  • 手表printf从虚拟设备中走出来作为回应