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中，如何从该地址读取内容？

Answer 1

busybox devmem

busybox devmem 是一个小型 CLI 实用程序，可以映射 /dev/mem。

您可以通过以下方式在 Ubuntu 中获取它：sudo apt-get install busybox

用法：从物理地址0x12345678读取4个字节：

sudo busybox devmem 0x12345678

写0x9abcdef0到那个地址：

sudo busybox devmem 0x12345678 w 0x9abcdef0

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

mmap MAP_SHARED

在映射/dev/mem 时，您可能希望使用：

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

MAP_SHARED 使写入立即进入物理内存，这样更容易观察，对硬件寄存器写入更有意义。

CONFIG_STRICT_DEVMEM 和 nopat

要使用/dev/mem查看和修改内核v4.9上的常规RAM，您必须拳头：

• 禁用CONFIG_STRICT_DEVMEM（在 Ubuntu 17.04 上默认设置）
• 为 x86 传递 nopat 内核命令行选项

没有这些，IO 端口仍然可以工作。

另见：mmap of /dev/mem fails with invalid argument for virt_to_phys address, but address is page aligned

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：How to flush the CPU cache for a region of address space in Linux?，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：

• How to write kernel space memory (physical address) to a file using O_DIRECT?
• How to flush the CPU cache for a region of address space in Linux?
• Is it possible to allocate, in user space, a non cacheable block of memory on Linux?

那么也许/dev/mem 不能可靠地用于将内存缓冲区传递给设备？

很遗憾，这在 QEMU 中无法观察到，因为 QEMU 不模拟缓存。

如何测试它

现在是有趣的部分。以下是一些很酷的设置：

• Userland memory
  • 在用户态进程上分配 volatile 变量
  • 获取物理地址/proc/<pid>/maps + /proc/<pid>/pagemap
  • 用devmem修改物理地址的值，观察用户态进程反应
• Kernelland memory
  • 用kmalloc分配内核内存
  • 使用virt_to_phys 获取物理地址并将其传回用户区
  • 修改物理地址为devmem
  • 从内核模块查询值
• IO mem and QEMU virtual platform device
  • 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
  • 观看printfs 从虚拟设备中出来作为响应

奖励：确定虚拟地址的物理地址

Is there any API for determining the physical address from virtual address in Linux?

Answer 2

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 的一部分重新映射到用户内存。

编辑： 映射 /dev/mem 示例（此程序必须有权访问 /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;
}