Linux下直接读写物理地址内存

小咪咪 2021-07-27 00:44 607阅读 1赞

虚拟 转 物理地址 virt\_to\_phys( \*addr );  
物理 转 虚拟地址 phys\_to\_virt( \*addr );  
\-------------------------------------------------  
Linux内核里提供的/dev/mem驱动，为我们读写内存物理地址，提供了一个渠道。下面讲述2种利用mem设备文件进行物理地址读写的方法，一种是设备驱动的方法，另一种是系统调用的方法。  
  
首先我们看下mem这个设备文件，/dev/mem是linux下的一个字符设备，源文件是~/drivers/char/mem.c，这个设备文件是专门用来读写物理地址用的。里面的内容是所有物理内存的地址以及内容信息。通常只有root用户对其有读写权限。  
  
1.设备驱动的方法  
  
下面是mem.c文件里定义的file\_operations结构，提供了llseek，read，write，mmap以及open等方法。

> static struct file\_operations mem\_fops =  
> \{  
> .llseek = memory\_lseek,  
> .read = read\_mem,  
> .write = write\_mem,  
> .mmap = mmap\_mem,  
> .open = open\_mem,  
> \};

因此我们可以通过一般驱动的使用方法，将内存完全当作一个设备来对对待。应用程序如下：

> \#include <stdio.h>  
> \#include <fcntl.h>  
> int main(void)  
> \{  
> int fd;  
> char \*rdbuf;  
> char \*wrbuf = "butterfly";  
> int i;  
> fd = open("/dev/mem",O\_RDWR);  
> if(fd < 0)  
> \{  
> printf("open /dev/mem failed.");  
> \}  
> read(fd,rdbuf,10);  
>   
> for(i = 0;i < 10;i++)  
> \{  
> printf("old mem\[%d\]:%c\\n",i,\*(rdbuf + i));  
> \}  
> lseek(fd,5,0);  
> write(fd,wrbuf,10);  
> lseek(fd,0,0);//move f\_ops to the front  
> read(fd,rdbuf,10);  
> for(i = 0;i < 10;i++)  
> \{  
> printf("new mem\[%d\]:%c\\n",i,\*(rdbuf + i));  
> \}  
>   
> return 0;  
> \}

执行结果如下：将内存最开始10个字节的内容进行替换。

> \[root@VOIP-IPCAM app\]\# ./memtest  
> old mem\[0\]:b  
> old mem\[1\]:u  
> old mem\[2\]:t  
> old mem\[3\]:t  
> old mem\[4\]:e  
> old mem\[5\]:r  
> old mem\[6\]:f  
> old mem\[7\]:l  
> old mem\[8\]:y  
> old mem\[9\]:!  
> new mem\[0\]:b  
> new mem\[1\]:u  
> new mem\[2\]:t  
> new mem\[3\]:t  
> new mem\[4\]:e  
> new mem\[5\]:b  
> new mem\[6\]:u  
> new mem\[7\]:t  
> new mem\[8\]:t  
> new mem\[9\]:e

2.系统调用的方法  
  
细心的你可能会发现，既然你前面说了这个文件里存放的就是内存的地址及内容信息，那我可不可以直接查看到呢，答案是：可以的。linux内核的开发者为我 们提供了一个命令hexedit，通过它就可以将/dev/mem的内容显示出来（如果你使用cat /dev/mem将会看到乱码），执行hexedit /dev/mem的结果如下：

> 00000000 62 75 74 74 65 62 75 74 74 65 72 66 6C 79 21 20 butterfly!  
> 00000010 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20  
> 00000020 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20  
> 00000030 6F EF 00 F0 6F EF 00 F0 57 EF 00 F0 6F EF 00 F0 o...o...W...o...  
> 00000040 02 11 00 C0 4D F8 00 F0 41 F8 00 F0 34 85 00 F0 ....M...A...4...  
> 00000050 39 E7 00 F0 59 F8 00 F0 2E E8 00 F0 D2 EF 00 F0 9...Y...........  
> 00000060 A4 E7 00 F0 F2 E6 00 F0 6E FE 00 F0 53 FF 00 F0 ........n...S...  
> 00000070 53 FF 00 F0 A4 F0 00 F0 C7 EF 00 F0 1C 42 00 C0 S............B..

从上图可见，最左边显示的是地址，接下来24列显示的是各内存字节单元内容的ASCII码信息，最右边显示的是对应的字符信息。让人欣慰的是，这个文件可 以直接修改，按下tab键进入修改模式，修改过程中修改内容会以粗体显示，按下F2保存后粗体消失。上面的butterfly就是通过这种方式修改的。  
  
既然内存的地址以及内容信息全部被保存在mem这个设备文件里，那么我们可以想到通过另外一种方式来实现对物理地址的读写了。那就是将mem设备文件和 mmap系统调用结合起来使用，将文件里的物理内存地址映射到进程的地址空间，从而实现对内存物理地址的读写。下面谈一下mmap系统调用。  
  
mmap的函数原型为：void \*mmap(void \*start,size\_t length,int prot,int flags,int fd,off\_t offset)，该函数定义在/usr/include/sys/mman.h中，使用时要包含：\#include<sys /mman.h>，mmap()用来将某个文件中的内容映射到进程的地址空间，对该空间的存取即是对该文件内容的读写。参数说明如下：  
  
start:指向欲映射到的地址空间的起始地址，通常设为null或者0.表示让系统融自动选定地址，映射成功后该地址会返回。  
  
length:表示映射的文件内容的大小，以字节为单位。  
  
prot:表示映射区域的保护方式，有如下四种组合：  
\--PROT\_EXEC 映射区域可执行 ,  
\--PROT\_READ 映射区域可读 ,  
\--PROT\_WRITE 映射区域可写,  
\--PROT\_NONE 映射区域不能被访问  
  
flags:映射区域的一些特性，主要有：  
\--MAP\_FIXED 如果映射不成功则出错返回,  
\--MAP\_SHARED 对映射区域的写入数据会写回到原来的文件  
\--MAP\_PRIVATE 对映射区域的写入数据不会写回原来的文件  
\--MAP\_ANONYMOUS  
\--MAP\_DENYWRITE 只允许对映射区域的写入操作，其他对文件直接写入的操作将被拒绝  
\--MAP\_LOCKED 锁定映射区域  
  
在调用mmap()时，必须要指定MAP\_SHARED或MAP\_PRIVATE。  
  
fd:open()返回的文件描述符。  
offset:为被映射文件的偏移量，表示从文件的哪个地方开始映射，一般设置为0，表示从文件的最开始位置开始映射。offset必须是分页大小（4096字节）的整数倍。  
  
应用程序如下：

> \#include <stdio.h>  
> \#include <fcntl.h>  
> \#include <sys/mman.h>//mmap head file  
> int main (void)  
> \{  
> int i;  
> int fd;  
> char \*start;  
> char \*buf = "butterfly!";  
>   
> //open /dev/mem with read and write mode  
> fd = open ("/dev/mem", O\_RDWR);  
> if (fd < 0)  
> \{  
> printf("cannot open /dev/mem.");  
> return -1;  
> \}  
>   
> //map physical memory 0-10 bytes  
> start = (char \*)mmap(0, 10, PROT\_READ | PROT\_WRITE, MAP\_SHARED, fd, 0);  
> if(start < 0)  
> \{  
> printf("mmap failed.");  
> return -1;  
> \}  
> //Read old value  
> for (i = 0; i < 10; i++)  
> \{  
> printf("old mem\[%d\]:%c\\n", i, \*(start + i));  
> \}  
> //write memory  
> memcpy(start, buf, 10);  
> //Read new value  
> for (i = 0;i < 10;i++)  
> \{  
> printf("new mem\[%d\]:%c\\n", i,\*(start + i));  
> \}  
> munmap(start, 10); //destroy map memory  
> close(fd); //close file  
> return 0;  
> \}

程序执行结果如下：

> \[root@VOIP-IPCAM app\]\# ./rwphy  
> old mem\[0\]:b  
> old mem\[1\]:u  
> old mem\[2\]:t  
> old mem\[3\]:t  
> old mem\[4\]:e  
> old mem\[5\]:b  
> old mem\[6\]:u  
> old mem\[7\]:t  
> old mem\[8\]:t  
> old mem\[9\]:e  
> new mem\[0\]:b  
> new mem\[1\]:u  
> new mem\[2\]:t  
> new mem\[3\]:t  
> new mem\[4\]:e  
> new mem\[5\]:r  
> new mem\[6\]:f  
> new mem\[7\]:l  
> new mem\[8\]:y  
> new mem\[9\]:!

“/dev/mem是个很好玩的东西，你竟然可以直接访问物理内存。这在LINUX下简直是太神奇了，这种感觉象一个小偷打算偷一个银行，可是这个银行戒备森严，正当这个小偷苦无对策时，突然发现在一个不起眼的地方有个后门，这个后门可以直接到银行的金库。”

Linux下/dev/mem和/dev/kmem的区别：  
/dev/mem: 物理内存的全镜像。可以用来访问物理内存。  
/dev/kmem: kernel看到的虚拟内存的全镜像。可以用来访问kernel的内容。  
作用：  
/dev/mem用来访问物理IO设备，比如X用来访问显卡的物理内存，或嵌入式中访问GPIO。用法一般就是open，然后mmap，接着可以使用map之后的地址来访问物理内存。这 其实就是实现用户空间驱动的一种方法。  
/dev/kmem后者一般可以用来查看kernel的变量，或者用作rootkit之类的。参考1和2描述了用来查看kernel变量这个问题。  
  
  
  
/dev/mem用法举例：  
比如驱动（内核空间）中  
vir\_addr = kmalloc（ size, GFP\_KERNEL | GFP\_DMA )  
phy\_addr = \_\_pa( vir\_addr );  
申请了一段内存，然后得到\_\_pa（）得到它的物理地址，然后将该物理地址传到用户空间  
然后在应用程序（用户空间）中  
int map\_fd = open("/dev/mem", O\_RDWR);  
map\_addr = mmap(0, size, PROT\_READ|PROT\_WRITE, MAP\_SHARED, map\_fd, phy\_addr);

这样就可以得到 在应用程序中 访问驱动程序中申请的内存的指针map\_addr，可以实现应用程序和驱动程序访问同段内存，节省开销，实现内存共享

这是一种方法，把内核空间的内存映射到用户空间，内核空间内存-->物理地址(PA)-->用户空间 通过/dev/mem 和系统调用mmap

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    #include <stdarg.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <unistd.h>
    #include <errno.h>

\#include <sys/types.h>  
\#include <sys/stat.h>  
\#include <sys/poll.h>  
\#include <sys/mman.h>

int page\_size;  
\#define PAGE\_SIZE page\_size  
\#define PAGE\_MASK (~(PAGE\_SIZE-1))

void get\_var (unsigned long addr) \{  
off\_t ptr = addr & ~(PAGE\_MASK);  
off\_t offset = addr & PAGE\_MASK;  
int i = 0;  
char \*map;  
static int kfd = -1;

kfd = open("/dev/kmem",O_RDONLY);
    if (kfd < 0) {
    	perror("open");
    	exit(0);
    }
    
    map = mmap(NULL,PAGE_SIZE,PROT_READ,MAP_SHARED,kfd,offset);
    if (map == MAP_FAILED) {
    	perror("mmap");
    	exit(-1);
    }
    printf("%s\n",map+ptr);
    
    return;

int main(int argc, char \*\*argv)  
\{  
FILE \*fp;  
char addr\_str\[11\]=“0x”;  
char var\[51\];  
unsigned long addr;  
char ch;  
int r;

if (argc != 2) {
    	fprintf(stderr,"usage: %s System.map\n",argv[0]);
    	exit(-1);
    }
    
    if ((fp = fopen(argv[1],"r")) == NULL) {
    	perror("fopen");
    	exit(-1);
    }
    
    do {
    	r = fscanf(fp,"%8s %c %50s\n",&addr_str[2],&ch,var);
    	if (strcmp(var,"modprobe_path")==0)
    		break;
    } while(r > 0);
    if (r < 0) {
    	printf("could not find modprobe_path\n");
    	exit(-1);
    }
    page_size = getpagesize();
    addr = strtoul(addr_str,NULL,16);
    printf("found modprobe_path at (%s) %08lx\n",addr_str,addr);
    get_var(addr);

外国项目中的一段代码：
    if((fdMem = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC)) == -1)
          {
    	fprintf(stderr, "Unable to open the /dev/mem interface !\n");
    	return;
          }
    
    
        map_base = mmap(0, MAP_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fdMem, GPIO_ADDR & ~MAP_MASK);
        if (map_base == (void *) -1)
          {
    	fprintf(stderr, "Unable to map 0x%08x address\n", GPIO_ADDR);
    	close (fdMem);
    	return;
          }
    
        // Add offset for init (VD0) => PORTC8
        virt_addr = map_base + 0x20;
    
        // Configure GPIO
        read_result  = *((unsigned long *) virt_addr);
        read_result &= (~(0x03 << 16));
        read_result |= 0x01 << 16;
        *((unsigned long *) virt_addr) = read_result;
    
        // Add offset for VD0
        virt_addr = map_base + 0x24;