¿Cómo leer de forma segura una dirección de memoria física en Linux?

No te preocupes por eso. Si un atacante puede reemplazar las bibliotecas del sistema que está utilizando su aplicación, entonces está totalmente comprometido y no puede confiar en nada en su aplicación. No es una situación contra la que puedas protegerte realmente.

Mi comprensión de su pregunta es que usted controla la aplicación que accederá al dispositivo pero no al sistema operativo del dispositivo en sí.

En tal caso, no tendrá la capacidad de asegurar que lo que se lee del hardware sea correcto, excepto si esa información es firmado por el hardware y puede verificar la firma en otro lugar (no en el propio dispositivo).

mmap es solo una rutina de una biblioteca y sí, podría reemplazarse y proporcionar todo tipo de funciones además de los proporcionados por mmap , incluidos los maliciosos.

Si confía en el proveedor de su dispositivo, puede tener la posibilidad de verificar si el software incorporado es genuino (a través de algún tipo de suma de comprobación, si el proveedor proporciona dicha capacidad)

Si desea un acceso seguro al hardware, la única manera de hacerlo es mediante una aplicación de espacio del kernel (generalmente conocida como controlador), que es la forma "correcta" de hacerlo de todos modos.