Linux 读写memory操作，devmem直接访问物理内存地址

Posted 2023-02-26 xhoufei2010

1 说明

由于开发需要，需要通过memory传输数据，所以使用devmem 方式读写数据，操作linux 内存数据。devmem的方式是提供给驱动开发人员，在应用层能够侦测内存地址中的数据变化，以此来检测驱动中对内存或者相关配置的正确性验证。

2 开发环境

软件环境： ubuntu 虚拟机、arm-xilinx 交叉编译工具链
硬件环境: ZYNQ7010

3 内存地址说明

基本上的内存物理地址都可以访问，但是如果需要ZYNQ的PS 和PL 都能读写数据，需要查看芯片的datasheet，确定哪个地址可以互相读写数据。
通过《ug585-Zynq-7000-TRM.pdf》 的 29章表格“Table 29‐1: Initial OCM/DDR Address Map” 可以得到地址分配。

表3-1 ZYNQ7010 芯片地址分配
从表格3-1得知，DDR的物理地址对应为 0x0010_0000 - 3FFF_FFFF

4 devmem 工具

工具的原理也比较简单，就是应用程序通过mmap函数实现对/dev/mem驱动中mmap方法的使用，映射了设备的内存到用户空间，实现对这些物理地址的读写操作。
代码如下：

/**
 * @addtogroup module_devmem
 * @
 */

 /**
 * @file
 * @brief 内存管理工具，仿照标准linux devmem 工具进行改良，可以自由读写linux内存数据。
 * @details 驱动接口。
 * @version 1.1.0
 * @author sky.houfei
 * @date 2019-8-6
 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
#include <ctype.h>
#include <termios.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/mman.h>
#include <stdbool.h>

//*****************************************************************************
#define FATAL do  fprintf(stderr, "Error at line %d, file %s (%d) [%s]\\n", \\
  __LINE__, __FILE__, errno, strerror(errno)); exit(1);  while(0)
 
#define MAP_SIZE 4096UL  			//映射的内存区大小（一般为一个叶框大小）
#define MAP_MASK (MAP_SIZE - 1)   	//MAP_MASK = 0XFFF

//*****************************************************************************
/**
* @brief 直接写入到内存实际的物理地址。
* @details 通过 mmap 映射关系，找到对应的内存实际物理地址对应的虚拟地址，然后写入数据。
* 写入长度，每次最低4字节
* @param[in] writeAddr, unsigned long, 需要操作的物理地址。
* @param[in] buf，unsigned long *, 需要写入的数据。
* @param[in] len，unsigned long, 需要写入的长度，4字节为单位。
* @return ret, int, 如果发送成功，返回0，发送失败，返回-1。
*/
static int Devmem_Write(unsigned long writeAddr, unsigned long* buf, unsigned long len)

	int i = 0;
	int ret = 0;
    int fd;
	void *map_base, *virt_addr; 
	unsigned long addr = writeAddr;
    int offset_len = 0;

	if(len == 0)
	
        printf("%s %s %d, len = 0\\n", __FILE__, __func__, __LINE__);
        return -1;
    
	
	if ((fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC)) == -1)
	
		fprintf(stderr, "Error at line %d, file %s (%d) [%s]\\n", __LINE__, __FILE__, errno, strerror(errno));
		return -1;
    
	
	/* Map one page */ //将内核空间映射到用户空间
    map_base = mmap(0, MAP_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, addr & ~MAP_MASK);
    if(map_base == (void *) -1)
	
		fprintf(stderr, "Error at line %d, file %s (%d) [%s]\\n", __LINE__, __FILE__, errno, strerror(errno));
		close(fd);
		return -1;
    
	
		// 发送实际数据内容
 	for (i = 0; i < len; i++)
 	
		// 翻页处理
        if(offset_len >= MAP_MASK)
         
            offset_len = 0;
            if(munmap(map_base, MAP_SIZE) == -1)
        	
        		fprintf(stderr, "Error at line %d, file %s (%d) [%s]\\n", __LINE__, __FILE__, errno, strerror(errno));
        		close(fd);
        		return -1;
        	
            map_base = mmap(0, MAP_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, addr & ~MAP_MASK);
            if(map_base == (void *) -1)
        	
        		fprintf(stderr, "Error at line %d, file %s (%d) [%s]\\n", __LINE__, __FILE__, errno, strerror(errno));
        		close(fd);
        		return -1;
            
            printf("map_base over 4k = [%p].\\n", map_base);		// 翻页打印提示
        
    
		virt_addr = map_base + (addr & MAP_MASK);	// 映射地址
		*((unsigned long *) virt_addr) = buf[i]; 	// 写入数据
		addr += 4;
        offset_len += 4;
	
	
	    
	if(munmap(map_base, MAP_SIZE) == -1)
	
		fprintf(stderr, "Error at line %d, file %s (%d) [%s]\\n", __LINE__, __FILE__, errno, strerror(errno));
		return -1;
	
	
    close(fd);
	return 0;



/**
* @brief 从实际物理地址读取数据。
* @details 通过 mmap 映射关系，找到对应的实际物理地址对应的虚拟地址，然后读取数据。
* 读取长度，每次最低4字节。
* @param[in] readAddr, unsigned long, 需要操作的物理地址。
* @param[out] buf，unsigned char *, 读取数据的buf地址。
* @param[in] bufLen，unsigned long , buf 参数的容量，4字节为单位，如 unsigned long buf[100]，那么最大能接收100个4字节。
* 用于避免因为buf容量不足，导致素组越界之类的软件崩溃问题。
* @return len，unsigned long, 读取的数据长度，字节为单位。如果读取出错，则返回0，如果正确，则返回对应的长度。
*/
static int Devmem_Read(unsigned long readAddr, unsigned long* buf, unsigned long len)

	int i = 0;
    int fd,ret;
    int offset_len = 0;
    void *map_base, *virt_addr; 
	off_t addr = readAddr;
	unsigned long littleEndianLength = 0;
	
	if ((fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC)) == -1)
	
		fprintf(stderr, "Error at line %d, file %s (%d) [%s]\\n", __LINE__, __FILE__, errno, strerror(errno));
		return 0;
    
	
    /* Map one page */ //将内核空间映射到用户空间
    map_base = mmap(0, MAP_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, addr & ~MAP_MASK);
    if(map_base == (void *) -1)
	
		fprintf(stderr, "Error at line %d, file %s (%d) [%s]\\n", __LINE__, __FILE__, errno, strerror(errno));
		close(fd);
		return 0;
    
	
	for (i = 0; i < len; i++)
 	
		// 翻页处理
        if(offset_len >= MAP_MASK)
        
            offset_len = 0;
            if(munmap(map_base, MAP_SIZE) == -1)
        	
        		fprintf(stderr, "Error at line %d, file %s (%d) [%s]\\n", __LINE__, __FILE__, errno, strerror(errno));
        		close(fd);
        		return 0;
        	
            map_base = mmap(0, MAP_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, addr & ~MAP_MASK);
            if(map_base == (void *) -1)
        	
        		fprintf(stderr, "Error at line %d, file %s (%d) [%s]\\n", __LINE__, __FILE__, errno, strerror(errno));
        		close(fd);
        		return 0;
            
        
    
		virt_addr = map_base + (addr & MAP_MASK);	// 将内核空间映射到用户空间操作
		buf[i] = *((unsigned long *) virt_addr);	// 读取数据
 		addr += 4;
        offset_len += 4;
	
	
	if(munmap(map_base, MAP_SIZE) == -1)
	
		fprintf(stderr, "Error at line %d, file %s (%d) [%s]\\n", __LINE__, __FILE__, errno, strerror(errno));
		close(fd);
		return 0;
	
    close(fd);
	return i;



static void Devmem_usage(void)

	printf("Usage ./devmem_tool read/write 0xfa0000 20\\n");
	printf("The read/write is the command type, read or write data to memory\\n");
	printf("The 0xfa2000 is the memory physical address\\n");
	printf("The 20 is read/write data length, uint is 4 byte, so it is total 20 * 4 = 80 bytes\\n");
	printf("Usage:  ./devmem_tool read 0xfa0000 20\\n");
	printf("Usage:  ./devmem_tool write 0xfa0000 20\\n");



/**
* @brief 内存工具主函数。
* @details 操作方法，请参考Devmem_usage 函数。
* 读取内存数据： ./devmem_tool read 0xfa0000 20
* 读取内存物理地址 0xfa0000作为起始地址，一共读取20个4字节，共计 20 * 4 = 80 字节。
* 写入内存数据： ./devmem_tool write 0xfa0000 20
* 写入内存物理地址 0xfa0000作为起始地址，一共写入20个4字节，共计 20 * 4 = 80 字节。
*/
int main(int argc, char** argv)

	unsigned long len = 0;
	unsigned long writeData[8192];
	unsigned long readData[8192];
	unsigned long addr = 0;
	unsigned long i = 0;
	
	if (argc != 4)
	
		Devmem_usage();
		return 0;
	
	
	addr = strtoul(argv[2], 0, 0);
	len = strtoul(argv[3], 0, 0);
	if (strcmp(argv[1], "read") == 0)
	
		printf("read data\\n");
		memset(readData, 0, len);				
		Devmem_Read(addr, readData, len);		// 读取数据
		for (i = 0; i < len; i++)
		
			printf("address = 0x%08x, data = 0x%08x\\n", (addr + i * 4), readData[i]);
		
	
	else if (strcmp(argv[1], "write") == 0)
	
		printf("write data\\n");
		memset(writeData, 0, len);
		for (i = 0; i < len; i++)
		
			writeData[i] = i;
		
		Devmem_Write(addr, writeData, len);		// 写入数据
	
	else
	
		printf("error command type\\n");
		Devmem_usage();
	

5 编译调试

使用交叉编译工具链进行编译

arm-xilinx-linux-gnueabi-gcc -o devmem_tool devmem.c

将编译好的 devmem_tool 下载到开发板，运行测试，本工具一次操作4个字节。
测试命令如下：

* 读取内存数据： ./devmem_tool read 0xfa0000 20
* 读取内存物理地址 0xfa0000作为起始地址，一共读取20个4字节，共计 20 * 4 = 80 字节。
* 写入内存数据： ./devmem_tool write 0xfa0000 20
* 写入内存物理地址 0xfa0000作为起始地址，一共写入20个4字节，共计 20 * 4 = 80 字节。