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通过devmem访问物理地址
来源：cnblogs　　作者：tinylaker　　时间：2018/10/21 20:13:23　　对本文有异议

目录

1.写在前面

最近在调试时需要在用户层访问物理内存，发现应用层可以使用devmem工具访问物理地址。查看源码，实际上是对/dev/mem操作，通过mmap可以将物理地址映射到用户空间的虚拟地址上，在用户空间完成对设备寄存器的读写。藉由此原因，想深入理解下mmap的具体实现。

2.devmem使用

devmem的配置，可以在busybox的杂项中找到。

  1. CONFIG_USER_BUSYBOX_DEVMEM:                                       
  3. devmem is a small program that reads and writes from physical     
  4. memory using /dev/mem.                                           
  6. Symbol: USER_BUSYBOX_DEVMEM [=y]                                  
  7. Prompt: devmem                                                    
  8.   Defined at ../user/busybox/busybox-1.23.2/miscutils/Kconfig:216 
  9.   Depends on: USER_BUSYBOX_BUSYBOX                                
  10.   Location:                                                       
  11.     -> BusyBox (USER_BUSYBOX_BUSYBOX [=y])                        
  12.       -> Miscellaneous Utilities 
  1. # busybox devmem
  2. BusyBox v1.23.2 (2018-08-02 11:08:33 CST) multi-call binary.
  4. Usage: devmem ADDRESS [WIDTH [VALUE]]
  6. Read/write from physical address
  8.     ADDRESS Address to act upon
  9.     WIDTH   Width (8/16/...)
  10.     VALUE   Data to be written
参数 详细说明
ADDRESS 需要进行读写访问的物理地址
WIDTH 访问数据类型
VALUE 如果是读操作省略；如果是写操作，表示需要写入的数据

基本测试用法

  1. # devmem 0x44e07134 16
  2. 0xFFEF
  3. # devmem 0x44e07134 32
  4. 0xFFFFFFEF
  5. # devmem 0x44e07134 8
  6. 0xEF

3.应用层

接口定义如下：

  1. #include <sys/mman.h>
  3. void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
  4. int munmap(void *addr, size_t length);

详细参数如下:

参数 详细说明
addr 需要映射的虚拟内存地址；如果为NULL，系统会自动选定。映射成功后返回该地址
length 需要映射多大的数据量
prot 描述映射区域内存保护方式，包括：PROT_EXEC、PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_NONE.
flags 描述映射区域的特性，比如是否对其他进程共享，是否建立匿名映射，是否创建私有的cow.
fd 要映射到内存中的文件描述符
offset 文件映射的偏移量

以devmem的实现为例，

如果argv[3]存在，需要映射读写权限；如果不存在，只需要映射读权限。

  1.     map_base = mmap(NULL,
  2.             mapped_size,
  3.             argv[3] ? (PROT_READ | PROT_WRITE) : PROT_READ,
  4.             MAP_SHARED,
  5.             fd,
  6.             target & ~(off_t)(page_size - 1));

4.内核层

因篇幅有限，这里不在表述glibc、系统调用的关系，直接查找系统调用的代码实现。

arch/arm/include/uapi/asm/unistd.h

  1. #define __NR_OABI_SYSCALL_BASE  0x900000
  3. #if defined(__thumb__) || defined(__ARM_EABI__)
  4. #define __NR_SYSCALL_BASE   0
  5. #else
  6. #define __NR_SYSCALL_BASE   __NR_OABI_SYSCALL_BASE
  7. #endif
  9. #define __NR_mmap           (__NR_SYSCALL_BASE+ 90)
  10. #define __NR_munmap         (__NR_SYSCALL_BASE+ 91)
  12. #define __NR_mmap2          (__NR_SYSCALL_BASE+192)

arch/arm/kernel/entry-common.S

  1. /*=============================================================================
  2.  * SWI handler
  3.  *-----------------------------------------------------------------------------
  4.  */
  6.     .align  5
  7. ENTRY(vector_swi)
  8. #ifdef CONFIG_CPU_V7M
  9.     v7m_exception_entry
  10. #else
  11.     sub sp, sp, #S_FRAME_SIZE
  12.     stmia   sp, {r0 - r12}          @ Calling r0 - r12
  13.  ARM(   add r8, sp, #S_PC       )
  14.  ARM(   stmdb   r8, {sp, lr}^       )   @ Calling sp, lr
  15.  THUMB( mov r8, sp          )
  16.  THUMB( store_user_sp_lr r8, r10, S_SP  )   @ calling sp, lr
  17.     mrs r8, spsr            @ called from non-FIQ mode, so ok.
  18.     str lr, [sp, #S_PC]         @ Save calling PC
  19.     str r8, [sp, #S_PSR]        @ Save CPSR
  20.     str r0, [sp, #S_OLD_R0]     @ Save OLD_R0
  21. #endif
  22.     zero_fp
  24. #ifdef CONFIG_ALIGNMENT_TRAP
  25.     ldr ip, __cr_alignment
  26.     ldr ip, [ip]
  27.     mcr p15, 0, ip, c1, c0      @ update control register
  28. #endif
  30.     enable_irq
  31.     ...
  32.     
  1. /*
  2.  * Note: off_4k (r5) is always units of 4K.  If we can't do the requested
  3.  * offset, we return EINVAL.
  4.  */
  5. sys_mmap2:
  6. #if PAGE_SHIFT > 12
  7.         tst r5, #PGOFF_MASK
  8.         moveq   r5, r5, lsr #PAGE_SHIFT - 12
  9.         streq   r5, [sp, #4]
  10.         beq sys_mmap_pgoff
  11.         mov r0, #-EINVAL
  12.         mov pc, lr
  13. #else
  14.         str r5, [sp, #4]
  15.         b   sys_mmap_pgoff
  16. #endif
  17. ENDPROC(sys_mmap2)

arch/arm/kernel/calls.S

  1. /* 90 */    CALL(OBSOLETE(sys_old_mmap))    /* used by libc4 */
  2.             CALL(sys_munmap)
  3.             ... 
  4. /* 190 */   CALL(sys_vfork)
  5.             CALL(sys_getrlimit)
  6.             CALL(sys_mmap2)

include/linux/syscalls.h

  1. asmlinkage long sys_mmap_pgoff(unsigned long addr, unsigned long len,
  2.             unsigned long prot, unsigned long flags,
  3.             unsigned long fd, unsigned long pgoff);

搜索mmap_pgoff函数定义，位于mm/mmap.c，省略一些我们不太关心的代码。

  1. SYSCALL_DEFINE6(mmap_pgoff, unsigned long, addr, unsigned long, len,
  2.         unsigned long, prot, unsigned long, flags,
  3.         unsigned long, fd, unsigned long, pgoff)
  4. {
  5.     struct file *file = NULL;
  6.     unsigned long retval = -EBADF;
  8.     if (!(flags & MAP_ANONYMOUS)) {
  9.         audit_mmap_fd(fd, flags);
  10.         file = fget(fd);
  11.         if (!file)
  12.             goto out;
  13.         if (is_file_hugepages(file))
  14.             len = ALIGN(len, huge_page_size(hstate_file(file)));
  15.         retval = -EINVAL;
  16.         if (unlikely(flags & MAP_HUGETLB && !is_file_hugepages(file)))
  17.             goto out_fput;
  18.     }
  19.     ...
  20.     
  21.     flags &= ~(MAP_EXECUTABLE | MAP_DENYWRITE);
  23.     retval = vm_mmap_pgoff(file, addr, len, prot, flags, pgoff);
  24. out_fput:
  25.     if (file)
  26.         fput(file);
  27. out:
  28.     return retval;
  29. }

mm/util.c

  1. unsigned long vm_mmap_pgoff(struct file *file, unsigned long addr,
  2.     unsigned long len, unsigned long prot,
  3.     unsigned long flag, unsigned long pgoff)
  4. {
  5.     unsigned long ret;
  6.     struct mm_struct *mm = current->mm;
  7.     unsigned long populate;
  9.     ret = security_mmap_file(file, prot, flag);
  10.     if (!ret) {
  11.         down_write(&mm->mmap_sem);
  12.         ret = do_mmap_pgoff(file, addr, len, prot, flag, pgoff,
  13.                     &populate);
  14.         up_write(&mm->mmap_sem);
  15.         if (populate)
  16.             mm_populate(ret, populate);
  17.     }
  18.     return ret;
  19. }

vm_area_struct结构用来描述进程的虚拟内存区域，和进程的内存描述符mm_struct关联，通过链表和红黑树进行管理。

  1. unsigned long do_mmap_pgoff(struct file *file, unsigned long addr,
  2.             unsigned long len, unsigned long prot,
  3.             unsigned long flags, unsigned long pgoff,
  4.             unsigned long *populate)
  5. {
  6.     
  7.     struct mm_struct * mm = current->mm;
  8.     vm_flags_t vm_flags;
  10.     *populate = 0;   
  11.     
  12.     //搜索进程地址空间，查找一个可以使用的线性地址区间，len指定区间的长度，非空addr参数指定从哪个地址开始进行查找
  13.     addr = get_unmapped_area(file, addr, len, pgoff, flags);
  14.     
  15.     vm_flags = calc_vm_prot_bits(prot) | calc_vm_flag_bits(flags) |
  16.             mm->def_flags | VM_MAYREAD | VM_MAYWRITE | VM_MAYEXEC; 
  17.             
  18.     //file指针不为空，建立从文件到虚拟空间的映射，根据flags标志设定访问权限。        
  19.     if (file) {
  20.         struct inode *inode = file_inode(file);
  21.         
  22.         switch (flags & MAP_TYPE) {
  23.         case MAP_SHARED:
  24.             vm_flags |= VM_SHARED | VM_MAYSHARE;
  25.             break;
  26.         ...
  27.     } else {    //file指针为空，仅创建虚拟空间，不做映射。
  28.         switch (flags & MAP_TYPE) {
  29.         case MAP_SHARED:
  30.             pgoff = 0;
  31.             vm_flags |= VM_SHARED | VM_MAYSHARE;
  32.             break;
  33.         case MAP_PRIVATE:
  34.             pgoff = addr >> PAGE_SHIFT;
  35.             break;  
  36.     }     
  37.     
  38.     //创建虚拟空间，并进行映射。
  39.     addr = mmap_region(file, addr, len, vm_flags, pgoff);
  40.     
  41.     return addr;
  42. }
  1. unsigned long mmap_region(struct file *file, unsigned long addr,
  2.         unsigned long len, vm_flags_t vm_flags, unsigned long pgoff)
  3. {
  4.     ...
  5.     //检查是否需要对该虚拟空间进行扩容
  6.     if (!may_expand_vm(mm, len >> PAGE_SHIFT)) {
  7.         unsigned long nr_pages;
  9.         /*
  10.          * MAP_FIXED may remove pages of mappings that intersects with
  11.          * requested mapping. Account for the pages it would unmap.
  12.          */
  13.         if (!(vm_flags & MAP_FIXED))
  14.             return -ENOMEM;
  16.         nr_pages = count_vma_pages_range(mm, addr, addr + len);
  18.         if (!may_expand_vm(mm, (len >> PAGE_SHIFT) - nr_pages))
  19.             return -ENOMEM;
  20.     }
  21.     
  22.     //扫描当前进程地址空间的vm_area_struct结构相关的红黑树，确定线性区域的位置，如果找到一个区域，说明addr所在的虚拟区间已经被使用，表示已经被映射；因此需要调用do_munmap把这个区域从进程地址空间中撤销。
  23. munmap_back:
  24.     if (find_vma_links(mm, addr, addr + len, &prev, &rb_link, &rb_parent)) {
  25.         if (do_munmap(mm, addr, len))
  26.             return -ENOMEM;
  27.         goto munmap_back;
  28.     }    
  29.     
  30.     vma = vma_merge(mm, prev, addr, addr + len, vm_flags, NULL, file, pgoff, NULL);
  31.     if (vma)
  32.         goto out;  
  33.     
  34.     //分配映射虚拟空间
  35.     vma = kmem_cache_zalloc(vm_area_cachep, GFP_KERNEL);
  36.     if (!vma) {
  37.         error = -ENOMEM;
  38.         goto unacct_error;
  39.     }
  41.     vma->vm_mm = mm;
  42.     vma->vm_start = addr;
  43.     vma->vm_end = addr + len;
  44.     vma->vm_flags = vm_flags;
  45.     vma->vm_page_prot = vm_get_page_prot(vm_flags);
  46.     vma->vm_pgoff = pgoff;
  47.     INIT_LIST_HEAD(&vma->anon_vma_chain); 
  48.     
  49.     if (file) {
  50.         if (vm_flags & VM_DENYWRITE) {
  51.             error = deny_write_access(file);
  52.             if (error)
  53.                 goto free_vma;
  54.         }
  55.         vma->vm_file = get_file(file);
  56.         error = file->f_op->mmap(file, vma);
  57.         if (error)
  58.             goto unmap_and_free_vma;
  60.         /* Can addr have changed??
  61.          *
  62.          * Answer: Yes, several device drivers can do it in their
  63.          *         f_op->mmap method. -DaveM
  64.          * Bug: If addr is changed, prev, rb_link, rb_parent should
  65.          *      be updated for vma_link()
  66.          */
  67.         WARN_ON_ONCE(addr != vma->vm_start);
  69.         addr = vma->vm_start;
  70.         vm_flags = vma->vm_flags;
  71.     } else if (vm_flags & VM_SHARED) {
  72.         error = shmem_zero_setup(vma);
  73.         if (error)
  74.             goto free_vma;
  75.     }    
  76.     
  77.     ...
  78. }

mmap_region函数实现中的file->f_op->mmap(file, vma)，对应mmap_mem，位于/drivers/char/mem.c，代码如下：

  1. static const struct file_operations mem_fops = {
  2.     .llseek     = memory_lseek,
  3.     .read       = read_mem,
  4.     .write      = write_mem,
  5.     .mmap       = mmap_mem,
  6.     .open       = open_mem,
  7.     .get_unmapped_area = get_unmapped_area_mem,
  8. };
  10. static int mmap_mem(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
  11. {
  12.     size_t size = vma->vm_end - vma->vm_start;
  14.     if (!valid_mmap_phys_addr_range(vma->vm_pgoff, size))
  15.         return -EINVAL;
  17.     if (!private_mapping_ok(vma))
  18.         return -ENOSYS;
  20.     if (!range_is_allowed(vma->vm_pgoff, size))
  21.         return -EPERM;
  23.     if (!phys_mem_access_prot_allowed(file, vma->vm_pgoff, size,
  24.                         &vma->vm_page_prot))
  25.         return -EINVAL;
  27.     vma->vm_page_prot = phys_mem_access_prot(file, vma->vm_pgoff,
  28.                          size,
  29.                          vma->vm_page_prot);
  31.     vma->vm_ops = &mmap_mem_ops;
  33.     /* Remap-pfn-range will mark the range VM_IO */
  34.     if (remap_pfn_range(vma,
  35.                 vma->vm_start,
  36.                 vma->vm_pgoff,
  37.                 size,
  38.                 vma->vm_page_prot)) {
  39.         return -EAGAIN;
  40.     }
  41.     return 0;
  42. }

remap_pfn_range函数建立物理地址与虚拟地址页表。其中vm_pgoff代表要映射的物理地址，vm_page_prot代表该页的权限。这些参数和mmap的参数相互对应，现在就可以通过应用层访问物理地址了。

 友情链接：直通硅谷 　点职佳 　北美留学生论坛

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