/dev/mem可没那么简单【转】

转自：http://blog.csdn.net/skyflying2012/article/details/47611399

这几天研究了下/dev/mem，发现功能很神奇，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操作，于是上网搜了一些/dev/mem的资料。网上的说法也很统一，/dev/mem是物理内存的全映像，可以用来访问物理内存，一般用法是open("/dev/mem",O_RDWR|O_SYNC)，接着就可以用mmap来访问物理内存以及外设的IO资源，这就是实现用户空间驱动的一种方法。
用户空间驱动听起来很酷，但是对于/dev/mem，我觉得没那么简单，有2个地方引起我的怀疑：
（1）网上资料都说/dev/mem是物理内存的全镜像，这个概念很含糊，/dev/mem到底可以完成哪些地址的虚实映射？
（2）/dev/mem看似很强大，但是这也太危险了，黑客完全可以利用/dev/mem对kernel代码以及IO进行一系列的非法操作，后果不可预测，难道内核开发者们没有意识到这点吗?

网上资料说法都很泛泛，只对mem设备的使用进行说明，没有对这些问题进行深究。要搞清这一点，我觉得还是从/dev/mem驱动开始下手。

参考内核版本：3.4.55 
参考平台：powerpc/arm

mem驱动在drivers/char/mem.c，mmap是系统调用，产生软中断进入内核后调用sys_mmap，最终会调用到mem驱动的mmap实现函数。

来看下mem.c中的mmap实现：

static int mmap_mem(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
    size_t size = vma->vm_end - vma->vm_start;

    if (!valid_mmap_phys_addr_range(vma->vm_pgoff, size))
        return -EINVAL;

    if (!private_mapping_ok(vma))
        return -ENOSYS;

    if (!range_is_allowed(vma->vm_pgoff, size))
        return -EPERM;

    if (!phys_mem_access_prot_allowed(file, vma->vm_pgoff, size,
                        &vma->vm_page_prot))
        return -EINVAL;

    vma->vm_page_prot = phys_mem_access_prot(file, vma->vm_pgoff,
                         size,
                         vma->vm_page_prot);

    vma->vm_ops = &mmap_mem_ops;

    /* Remap-pfn-range will mark the range VM_IO and VM_RESERVED */
    if (remap_pfn_range(vma,
                vma->vm_start,
                vma->vm_pgoff,
                size,
                vma->vm_page_prot)) {
        return -EAGAIN;
    }
    return 0;
}

vma是内核内存管理很重要的一个结构体，
其结构成员中start end代表要映射到的用户空间虚拟地址范围，用户空间的动态映射是以PAGE_SIZE也就是4K为一页，
vma_pgoff是要映射的物理地址，vma_page_prot代表该页的权限。

这些成员的赋值是在调用具体驱动的mmap实现函数之前，在sys_mmap中进行的。
在mmap_mem最后调用remap_pfn_range，该函数完成指定物理地址与用户空间虚拟地址页表的建立。
remap_pfn_range参数中vma->vm_pgoff即代表要映射的物理地址，并没有范围限制仅能够操作内存。
mmap系统调用的函数定义如下：
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
addr指定要映射到的虚拟地址，写NULL则有sys_mmap来分配该虚拟地址。
mmap参数与mem_mmap参数对应关系如下：
prot      ===> vma->vma_page_prot
offset    ===> vma->vma_pgoff
length    ===> size

从刚才分析的mem_mmap流程来看，可以得出一个简单的结论：
mem_mmap可以映射整个处理器的地址空间，而不单单是内存。这里要说明的是，地址空间不等于内存空间。站在处理器角度看，地址空间指处理器总线上的所有可寻址空间，除了内存，还有外设的IO空间，以及其他总线映射过来的mem（如PCI）
我的理解，mem_mmap完全可以映射0-0xffffffff的所有物理地址（填TLB页表完成映射），但前提是保证该物理地址是真实有效的，也就是处理器访问该总线物理地址可以获取有效数据。
所以现在看来mmap /dev/mem，只要确定我们处理器的地址空间分布，就可以将我们需要的地址映射到用户空间进行操作。
如果地址不是一个有效物理地址（处理器地址空间分布中该地址没用），mmap建立该物理地址与用户空间虚拟地址的映射，填TLB，CPU经过TLB翻译后去访问该不存在的物理地址访问就有可能导致CPU挂掉。

这也就解释了我第一个疑问，但是kernel的安全机制不会允许用户这么肆无忌惮的操作。接着来看remap_pfn_range之前mmap_mem如何进行防护。

首先是valid_mmap_phys_addr_range，检查该物理地址是否是一个有效的mmap地址，如果平台定义了ARCH_HAS_VALID_PHYS_ADDR_RANGE则会实现该函数，
arm中定义并实现了该函数，在arch/arm/mm/mmap.c中，如下：

/*
 * We don't use supersection mappings for mmap() on /dev/mem, which
 * means that we can't map the memory area above the 4G barrier into
 * userspace.
 */
int valid_mmap_phys_addr_range(unsigned long pfn, size_t size)
{
    return !(pfn + (size >> PAGE_SHIFT) > 0x00100000);
}

该函数确定mmap的范围是否超过4G，超过4G则为无效物理地址，这种情况用户空间一般不会出现。
而对于powerpc，平台没有定义ARCH_HAS_VALID_PHYS_ADDR_RANGE，所以valid_mmap_phys_addr_range在mem.c中定义为空函数，返回1 表示该物理地址一直有效。
物理地址有效，不会返回-EINVAL，继续往下走。

接下来是private_mapping_ok，对于有MMU的CPU，实现如下：

static inline int private_mapping_ok(struct vm_area_struct *vma)
{
    return 1;
}

MMU的权限管理可以支持私有映射，所以该函数一直成功。

接下来是一个最为关键的检查函数range_is_allowed，定义如下：

#ifdef CONFIG_STRICT_DEVMEM
static inline int range_is_allowed(unsigned long pfn, unsigned long size)
{
    u64 from = ((u64)pfn) << PAGE_SHIFT;
    u64 to = from + size;
    u64 cursor = from;

    while (cursor < to) {
        if (!devmem_is_allowed(pfn)) {
            printk(KERN_INFO
        "Program %s tried to access /dev/mem between %Lx->%Lx.
",
                current->comm, from, to);
            return 0;
        }
        cursor += PAGE_SIZE;
        pfn++;
    }
    return 1;
}
#else
static inline int range_is_allowed(unsigned long pfn, unsigned long size)
{
    return 1;
}
#endif

可以看出如果不打开CONFIG_STRICT_DEVMEM,range_is_allowed是返回1，表示该物理地址范围是被允许的。查看kconfig文件（在相应平台目录下，如arch/arm/Kconfig.debug中）找到CONFIG_STRICT_DEVMEM说明如下

config STRICT_DEVMEM
    def_bool y
    prompt "Filter access to /dev/mem"
    help
      This option restricts access to /dev/mem.  If this option is
      disabled, you allow userspace access to all memory, including
      kernel and userspace memory. Accidental memory access is likely
      to be disastrous.
      Memory access is required for experts who want to debug the kernel.

      If you are unsure, say Y.

该选项menuconfig时在kernel hacking目录下。
根据说明可以理解，CONFIG_STRICT_DEVMEM是严格的对/dev/mem访问检查，如果关掉该选项，用户就可以通过mem设备访问所有地址空间（根据对我提出的第一个问题理解，这里memory应该理解为地址空间）。该选项对于调试内核有帮助。
如果打开该选项，内核就会对mem设备访问加以检查，检查函数就是range_is_allowed。

range_is_allowed函数对要检查的物理地址范围以4K页为单位，一页一页的调用devmem_is_allowed，如果不允许，则会进行打印提示，并返回0，表示该物理地址范围不被允许。

来看devmem_is_allowed.该函数是平台相关函数，不过arm跟powerpc的实现相差不大，以arm的实现为例。在arch/arm/mm/mmap.c中。

/*
 * devmem_is_allowed() checks to see if /dev/mem access to a certain
 * address is valid. The argument is a physical page number.
 * We mimic x86 here by disallowing access to system RAM as well as
 * device-exclusive MMIO regions. This effectively disable read()/write()
 * on /dev/mem.
 */
int devmem_is_allowed(unsigned long pfn)
{
    if (iomem_is_exclusive(pfn << PAGE_SHIFT))
        return 0;
    if (!page_is_ram(pfn))
        return 1;
    return 0;
}

首先iomem_is_exclusive检查该物理地址是否被独占保留，实现如下：

#ifdef CONFIG_STRICT_DEVMEM
static int strict_iomem_checks = 1;
#else
static int strict_iomem_checks;
#endif

/*
 * check if an address is reserved in the iomem resource tree
 * returns 1 if reserved, 0 if not reserved.
 */
int iomem_is_exclusive(u64 addr)
{
    struct resource *p = &iomem_resource;
    int err = 0;
    loff_t l;
    int size = PAGE_SIZE;

    if (!strict_iomem_checks)
        return 0;

    addr = addr & PAGE_MASK;

    read_lock(&resource_lock);
    for (p = p->child; p ; p = r_next(NULL, p, &l)) {
        /*
         * We can probably skip the resources without
         * IORESOURCE_IO attribute?
         */
        if (p->start >= addr + size)
            break;
        if (p->end < addr)
            continue;
        if (p->flags & IORESOURCE_BUSY &&
             p->flags & IORESOURCE_EXCLUSIVE) {
            err = 1;
            break;
        }
    }
    read_unlock(&resource_lock);

    return err;
}

如果打开了CONFIG_STRICT_DEVMEM,iomem_is_exclusive遍历iomem_resource链表，查看要检查的物理地址所在resource的flags，如果是bug或者exclusive，则返回1，表明该物理地址是独占保留的。

据我了解，iomem_resource是来表征内核iomem资源的链表。

对于外设的IO资源，kernel中使用platform device机制来注册平台设备（platform_device_register）时调用insert_resource将该设备相应的io资源插入到iomem_resource链表中。
如果我要对某外设的IO资源进行保护，防止用户空间访问，可以将其resource的flags置位exclusive即可。

不过我查看我平台支持包里的所有platform device的resource，flags都没有置位exclusive或者busy。如果我映射的物理地址范围是外设的IO，检查可以通过。

对于内存的mem资源，如何注册到iomem_resource链表中，内核代码中我还没找到具体的位置，不过iomem在proc下有相应的表征文件，可以cat /proc/iomem。
根据我的实际操作测试，内存资源也都没有exclusive，所以如果我映射地址是内存，检查也可以通过。


所以这里iomem_is_exclusive检查一般是通过的，接下来看page_is_ram，看devmem_is_range的逻辑，如果地址是ram地址，则该地址不被允许。page_is_ram也是平台函数，查看powerpc的实现如下。

int page_is_ram(unsigned long pfn)
{
#ifndef CONFIG_PPC64    /* XXX for now */
    return pfn < max_pfn;
#else
    unsigned long paddr = (pfn << PAGE_SHIFT);
    struct memblock_region *reg;

    for_each_memblock(memory, reg)
        if (paddr >= reg->base && paddr < (reg->base + reg->size))
            return 1;
    return 0;
#endif
}
max_pfn赋值在在do_init_bootmem中，如下.
void __init do_init_bootmem(void)
{
    unsigned long start, bootmap_pages;
    unsigned long total_pages;
    struct memblock_region *reg;
    int boot_mapsize;

    max_low_pfn = max_pfn = memblock_end_of_DRAM() >> PAGE_SHIFT;
    total_pages = (memblock_end_of_DRAM() - memstart_addr) >> PAGE_SHIFT;

max_pfn代表了内核lowmem的页个数，lowmem在内核下静态线性映射，系统启动之初完成映射之后不会改动，读写效率高，内核代码都是跑在lowmem。
lowmem大小我们可以通过cmdline的“mem=”来指定。

这里就明白了如果要映射的物理地址在lowmem范围内，也是不允许被映射的。

这样range_is_allowed就分析完了，exclusive的iomem以及lowmem范围内的物理地址是不允许被映射的。

接下来phys_mem_access_prot_allowed实现为空返回1，没有影响。

phys_mem_access_prot确定我们映射页的权限，该函数也是平台函数，以powerpc实现为例，如下：

pgprot_t phys_mem_access_prot(struct file *file, unsigned long pfn,
                  unsigned long size, pgprot_t vma_prot)
{
    if (ppc_md.phys_mem_access_prot)
        return ppc_md.phys_mem_access_prot(file, pfn, size, vma_prot);

    if (!page_is_ram(pfn))
        vma_prot = pgprot_noncached(vma_prot);

    return vma_prot;
}

如果有平台实现的phys_mem_access_prot，则调用之。如果没有，对于不是lowmem范围内的物理地址，权限设置为uncached。

以上的检查完毕，最后调用remap_pfn_range完成页表设置。

所以如果打开CONFIG_STRICT_DEVMEM,mem驱动会对mmap要映射的物理地址进行范围和位置的检查然后才进行映射，检查条件如下：
（1）映射范围不能超过4G。
（2）该物理地址所在iomem不能exclusive.
（3）该物理地址不能处在lowmem中。

所以说对于网上给出的各种利用/dev/mem来操作内存以及寄存器的文章，如果操作范围在上述3个条件内，内核必须关闭CONFIG_STRICT_DEVMEM才行。

这样对于mem设备我的2个疑问算是解决了。查看mem.c时我还看到了另外一个有趣的设备kmem，这个设备mmap的是哪里的地址，网上的说法是内核虚拟地址，这个说法我不以为然，这里记录下我的想法。

如果内核打开CONFIG_KMEM，则会创建kmem设备，它与mem设备主要差别在mmap的实现上，kmem的mmap实现如下：

#ifdef CONFIG_DEVKMEM
static int mmap_kmem(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
    unsigned long pfn;

    /* Turn a kernel-virtual address into a physical page frame */
    pfn = __pa((u64)vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT) >> PAGE_SHIFT;

    /*
     * RED-PEN: on some architectures there is more mapped memory than
     * available in mem_map which pfn_valid checks for. Perhaps should add a
     * new macro here.
     *
     * RED-PEN: vmalloc is not supported right now.
     */
    if (!pfn_valid(pfn))
        return -EIO;

    vma->vm_pgoff = pfn;
    return mmap_mem(file, vma);
}
#endif

引起我注意的是__pa，完成内核虚拟地址到物理地址的转换，最后调用mmap_mem，简单一看kmem的确是映射的内核虚拟地址。
但是搞清楚__pa的实现，我就不这么认为了。以powerpc为例，在arch/powerpc/include/asm/page.h,定义如下：

#define __va(x) ((void *)(unsigned long)((phys_addr_t)(x) + VIRT_PHYS_OFFSET))
#define __pa(x) ((unsigned long)(x) - VIRT_PHYS_OFFSET)
....
#define VIRT_PHYS_OFFSET (KERNELBASE - PHYSICAL_START)

内核中定义了4个变量来表示内核一些基本的物理地址和虚拟地址，如下：
KERNELBASE     内核的起始虚拟地址，我的是0xc0000000
PAGE_OFFSET    低端内存的起始虚拟地址，一般是0xc0000000
PHYSICAL_START 内核的起始物理地址，我的是0x80000000
MEMORY_START   低端内存的起始物理地址，我的是0x80000000

内核在启动过程中对于lowmem的静态映射，就是以上述的物理地址和虚拟地址的差值进行线性映射的。
所以__pa __va转换的是线性映射的内存部分，也就是lowmem。
所以kmem映射的是lowmem，如果我的cmdline参数中mem=512M，这就意味着通过kmem的mmap我最多可以访问内核地址空间开始的512M内存。
对于超过lowmem范围，访问highmem，如果使用__pa访问，由于highmem是动态映射的，其映射关系不是线性的那么简单了，根据__pa获取的物理地址与我们想要的内核虚拟地址是不对应的。