Linux利用mmap读写物理内存

一、基础知识：

1．  设备文件：

mem是一个字符设备文件，是计算机主存的一个影象。通常只有root用户对其有读写权限。因此只有root用户能进行这些操作。

       如果要打开设备文件/dev/mem，需要系统调用open()函数，作用是打开一个文件或设备，其函数原型为：
       #include <fcntl.h>
       #include <stat,h>
       int open(const char *path, int flags);
       open 函数定义在/usr/include/fcntl.h中；如果操作成功则返回一个文件描述符，否则返回－1；其中path是被打开文件的路径即文件名描述；flags是文件的访问模式描述，可常用的选项见下表：
       flags的取值及其含义   flags                    含义
                           O_RDONLY                  只读方式 
                           O_WRONLY                  只写方式 
                            O_RDWR                  可读写方式

2．内存映像：

内存映像其实在内存中创建一个与外存中文件完全相同的映像。用户可以将整个文件映射到内存中，也可以将文件的一部分映射到内存中。使用操作内存的方法对文件进行操作。系统会将内存映像文件所做的改动反映到真实文件中去。
在内存映像I/O的实现过程中需要用到一些系统调用：
首先是创建内存映像文件的系统调用mmap()函数，其函数原型为：
#include <sys/types.h>
#include <sys/mman.h> 
void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);  mmap函数定义在/usr/include/sys/mman.h中;
       此函数用于将一个文件或它的一部分映射到内存中。参数start是一个void指针，表示希望将文件映射到此指针指向的位置，通常为NULL；参数 length定义内存映像文件所占用的内存空间大小，以字节计；参数prot表示内存映像文件的安全属性，它的可使用的选项见表1，注意和open函数中的flags属性保持一致；参数flags是内存映像的标志，相关的标志见表2；参数fd是要映射的文件的描述符；参数offset表示所映射的数据内容距离文件头的偏移量。
当调用成功时，返回值为指向内存映像起始地址的指针；当调用失败时，返回值为-1。 
表1 prot的取值及其含义
prot                  含义 
PROT_EXEC          被映像内存可能含义机器码，可被执行 
PROT_NONE          映像内存不允许访问
PROT_READ          映像内存可读 
PROT_WRITE         映像内存可写

表2 flags的取值及其含义
Flags                  含义 
MAP_FIXED          若无法在指定位置建立内存映像文件，则出错返回
MAP_PRIVATE        对内存映像文件所做操作不反映到外存文件中
MAP_SHARED         对内存映像文件所做操作都将被保存到外存文件中
另外我们使用完内存映像文件后，要用系统调用函数munmap()函数来撤销，其函数原型为：
#include <sys/types.h>
#include <sys/mman.h>
int munmap(void *start,size_t length);
参数start表示要撤销的内存映像文件的起始地址；参数length表示要撤销的内存映像文件的大小。调用成功时，返回值为0；调用失败时返回值为-1，并将errno设置为相应值。
最后，如果我们要将内存映像的改动保存到外存中，还需要系统调用msync()函数，其函数原型为：
#include <sys/types.h>
#include <sys/mman.h>
int msync(const void *start,size_t length,int flags); 
参数start表示要保存到外存的那些源文件的起始地址；参数length表示内存映像文件的大小；参数flags设置了函数的相应操作，其具体选项见表3。
表3 flags的取值及其含义       
flags                        含义 
MS_ASYNC              调用一个写操作并返回
MS_INVALIDATE         映像到相同文件的内存映像数据更新 
MS_SYNC               完成写操作后函数返回

通过/dev/mem设备文件和mmap系统调用，可以将线性地址描述的物理内存映射到进程的地址空间，然后就可以直接访问这段内存了。

二、应用实例：

1．  源代码：

/*
file:          mem.c
function:   Read the the first 5 bytes of the memory and then Write it with "HELLO"
*/
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int main (int args, char* arg[])
{
  int i;
  int fd;
  char* mem;
  char *buff = "HELLO";
//open /dev/mem with read and write mode
  if ((fd = open ("/dev/mem", O_RDWR)) < 0)      
  {       
        perror ("open error";
        return -1;
  }     
  //map physical memory 0-10 bytes 
    mem = mmap (0, 10, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (mem == MAP_FAILED) {
    perror ("mmap error:";
   return 1;
   }
   //Read old value
    for (i = 0; i < 5; i++) 
   {
        printf("\nold mem[%d]:%d", i, mem[i]);    
   }
   //write memory
   memcpy(mem, buff, 5);
    //Read new value
   for (i = 0; i<5 ; i++)
   {
        printf("\nnew mem[%d]:%c", i, mem[i]);
   }
   printf("\n";
   munmap (mem, 10); //destroy map memory
  close (fd);  //close file
  return 0;
}

2.编译、运行：

#gcc -o mem mem.c

#./mem

结果如下：
old mem[0]:1
old mem[1]:0
old mem[2]:0
old mem[3]:0
old mem[4]:83
new mem[0]:H
new mem[1]:E
new mem[2]:L
new mem[3]:L
new mem[4]:O