1 前言
linux系统用户态访问内核态通常有这几种方式：
- 设备文件，
“read/write/ioctl”，常用的方式 - prcfs进程文件系统
- sysfs虚拟文件系统，
- 内存映射（mmap）
- netlink socket
本文描述的是“设备文件”与“内存映射（mmap）”的一个应用范畴，linux系统提供了一个虚拟设备“/dev/mem”，结合mmap函数，用户态可以直接访问内核物理地址空间。
2 “/dev/mem”设备
“/dev/mem”是linux系统的一个虚拟字符设备，无论是标准linux系统还是嵌入式linux系统，都支持该设备。
“/dev/mem”设备是内核所有物理地址空间的全映像，这些地址包括：
- 物理内存（RAM）空间
- 物理存储（ROM）空间
- cpu总线地址
- cpu寄存器地址
- 外设寄存器地址，GPIO、定时器、ADC
“/dev/mem”设备通常与“mmap”结合使用，将该设备的物理内存映射到用户态，这样用户空间可以直接访问内存态。
因为涉及访问内核空间，因此只有root用户才有访问“/dev/mem”设备的权限。
2.1 设备使用优点
- 用户可以直接访问内核物理空间，省略内存拷贝过程，效率高
- 访问灵活，一般用于前期BSP、驱动、SDK调试，
2.2 设备使用不足
由于把内核态内存访问权限直接交给用户，灵活性和高效率的同时，可能带来安全性的隐患。
- 增加内核不稳定性，进程崩溃可能导致内核崩溃
- 访问非法空间时可能导致内核崩溃
2.3 使用方法
“/dev/mem”设备通常与“mmap”结合使用，将该设备的物理内存映射到用户态，在用户态直接访问内核态物理内存。
【1】第一步，open一个“/dev/mem”文件描述符，访问权限可以为只读（O_RDONLY ）、只写（O_WRONLY ）、读写（O_RDWR ）的阻塞或者非阻塞方式。
int fd = 0；
fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_NDELAY); /* 读写权限，非阻塞 */
【2】第二步，通过mmap把需访问的目标物理地址与“/dev/mem”文件描述符建立映射。
char *mmap_addr = NULL;
mmap_addr=(char *)mmap(NULL, MMAP_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, MMAP_ADDR);
注：
关于mmap函数的使用方法，参考“mmap内存映射”文章。
【3】第三步，地址读写访问。
int a = 0；
*(int*)mmap_addr = 0x10; /* 写地址 */
a = *(int)mmap_addr; /* 读地址 */
3 应用例子
上一篇文章中描述“嵌入式linux下获取cpu温度的方法”；后面发现海思Hi3520DV400提供的SDK linux系统并未支持标准cpu温度读取接口。下面我们通过“/dev/mem”设备，在用户态直接读取Hi3520D的cpu温度寄存器，来获取当前cpu温度值。
首先查阅Hi3520D的寄存器手册，理解cpu温度寄存器使用与温度读取方法。
根据寄存器手册，Hi3520D cpu温度支持单次采样和循环采样，我们选择单次采样，从数据寄存器0获取温度数据值，然后换算为实际温度。实现源代码如下。
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include <sys/mman.h>
#define REG_PERT_BASE_ADDR 0x120E0000 /* 寄存器基地址 */
#define REG_PERT_PMC68_ADDR 0x110 /* 温度控制寄存器 */
#define REG_PERT_PMC70_ADDR 0x118 /* 温度值寄存器0 */
#define REG_PERT_PMC71_ADDR 0x11C /* 温度值寄存器1 */
#define REG_PERT_PMC72_ADDR 0x120 /* 温度值寄存器2 */
#define REG_PERT_PMC73_ADDR 0x124 /* 温度值寄存器3 */
#define VALUE_ENABLE_TSENSOR (0x01<<30) /* 使能温度转换 */
#define VALUE_DISABLE_TSENSOR (0x0) /* 失能温度转换 */
#define MMAP_SIZE 0x1000 /* 映射内存大小，通常为一个内存页(4096)整数 */
#define MMAP_ADDR REG_PERT_BASE_ADDR /* 映射物理地址 */
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd = 0;
int *preg_pmc68 = NULL;
int *preg_pmc70 = NULL;
char *mmap_base = NULL;
int temp = 0;
fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_NDELAY);
if (fd < 0)
{
printf("open mem fd failed,%s\n", strerror(errno));
return -1;
}
mmap_base=(char *)mmap(NULL, MMAP_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, MMAP_ADDR);
if (NULL == mmap_base)
{
printf("mmap failed,%s\n", strerror(errno));
return -1;
}
preg_pmc68 = (int*)(mmap_base + REG_PERT_PMC68_ADDR);
preg_pmc70 = (int*)(mmap_base + REG_PERT_PMC70_ADDR);
for(;;)
{
*preg_pmc68 = VALUE_ENABLE_TSENSOR; /* 单次转换 */
*preg_pmc68 = VALUE_DISABLE_TSENSOR;
temp = *preg_pmc70 & 0x3ff; /* 单次转换温度值存于code0 */
temp = 10 * (temp-125) * 165 / 806 - 400;/* 扩大10倍取1位小数 */
printf("cpu temperature: [%d.%d C]\n", temp/10, temp%10);
sleep(2);
}
munmap(mmap_base, MMAP_SIZE);
close(fd);
return 0;
}
编译运行
- 交叉编译
- 通过nfs或者u盘将执行文件传输至Hi3520D板端执行
/* 编译 */
# arm-hisiv500-linux hi_temp.c -o hi_temp
/* 执行 */
# ./hi_temp
cpu temperature: [54.3 C]
cpu temperature: [54.3 C]
cpu temperature: [54.1 C]