Zephyr 下 nRF9160 innblue21 蜂窝物联网开发板实战：硬件资源、TrustZone 安全启动与 Secure/Non-Secure 应用构建

Zephyr 下 nRF9160 innblue21 蜂窝物联网开发板实战：硬件资源、TrustZone 安全启动与 Secure/Non-Secure 应用构建

【免费下载链接】zephyrPrimary Git Repository for the Zephyr Project. Zephyr is a new generation, scalable, optimized, secure RTOS for multiple hardware architectures.项目地址: https://gitcode.com/GitHub_Trending/ze/zephyr

innblue21 是一块基于 Nordic nRF9160 SiP（System-in-Package）的蜂窝物联网传感器开发板，支持 NB-IoT 与 LTE-M 连接，板载加速度计、湿度传感器、Qi 无线充电与电池电量计等丰富外设。本文以 boards/innblue/innblue21/doc/index.rst 为骨架，结合仓库内该板的设备树、Kconfig 与构建配置，系统讲解 innblue21 的硬件资源、引脚映射、安全特性，以及如何在 Zephyr 中完成 Secure / Non-Secure（TrustZone-M）应用构建、烧录与调试。

innblue21 板级概览

innblue21 的核心是一颗 nRF9160 SiP，它在单一封装内集成了应用处理器（Arm Cortex-M33）、LTE-M/NB-IoT 调制解调器、射频前端以及电源管理单元，非常适合低功耗蜂窝物联网传感器节点类产品。在 Zephyr 中该板标识为innblue21，对应 SoC 为 nRF9160 SICA 变体（见 Kconfig.innblue21 中的select SOC_NRF9160_SICA），板级名称与兼容字符串定义于 innblue21_common.dtsi（model = "innblue v21 Dev Kit"、compatible = "innblue,innblue21"）。

板载硬件

开发板内置了以下传感器与功能器件：

需要说明的是，设备树 innblue21_common.dtsi 中 I2C 总线上实际使能并绑定了更多传感器节点，除文档列出的 LIS2DH12 与 HTS221 外，还包括：

• ST LPS22HB 气压计（lps22hb-press@5c）；
• AMS CCS811 空气质量传感器（ccs811@5a）；
• Bosch BME680 环境传感器（bme680@76）。

这些节点均挂接在i2c2（Nordic TWIM 实例）下，时钟频率配置为I2C_BITRATE_FAST（400 kHz）。传感器使能时，Kconfig.defconfig中REGULATOR会默认开启（default y if SENSOR），配合板载的 3.3V 传感器电源与 5V 升压电源开关使用。

支持的 Zephyr 功能

从设备树与默认配置可以确认，该板在 Zephyr 中支持以下驱动与子系统：

• GPIO（CONFIG_GPIO=y）、GPIOTE 事件控制器；
• UART 串口（CONFIG_SERIAL=y）、控制台（CONFIG_CONSOLE=y、CONFIG_UART_CONSOLE=y），默认波特率 115200；
• I2C（TWIM）与多类传感器驱动；
• PWM（两个实例，分别驱动 RGB LED 与模式 LED）；
• 看门狗 WDT、固定稳压器 regulator、TrustZone-M（CONFIG_ARM_TRUSTZONE_M=y）与 MPU（CONFIG_ARM_MPU=y）。

以上驱动能力由 innblue21_nrf9160_defconfig 等配置文件在构建时统一开启。

引脚连接与 IO 映射

LED

板载 4 颗 LED，其中 3 颗组成 RGB 通道、1 颗为模式指示灯，均通过 GPIO 高电平驱动，引脚分配如下：

在设备树中它们被声明为gpio-leds节点red_led、green_led、blue_led与mode_led，并通过 aliases 映射为led0～led3，以便兼容各类示例程序（见 innblue21_common.dtsi）。同时 aliases 提供了rgb-pwm = &pwm0、mode-pwm = &pwm1，意味着可以直接用 PWM 做呼吸灯等效果——pinctrl 中 PWM 输出引脚（P0.5/P0.6/P0.7 与 P0.4/P0.9）配置了nordic,invert反向标志，与共阳/共阴 LED 的驱动极性相对应。

按键与开关

• BUTTON1 = P0.31，设备树中声明为gpio-keys节点button0，配置GPIO_PULL_UP上拉并关联INPUT_KEY_0输入事件码，aliases 映射为sw0。

其他关键引脚

从 innblue21_common-pinctrl.dtsi 可进一步梳理出串口、I2C 与 PWM 的完整引脚复用：

所有外设都定义了default与sleep两套 pinctrl 状态，sleep 状态通过low-power-enable在空闲时降低引脚功耗，这是典型的低功耗蜂窝节点设计考量。此外，en_3v3_sensor（P0.12）与en_5v0_boost（P0.21）两个固定稳压器节点负责为传感器与 5V 升压轨供电，均配置了regulator-boot-on上电即开启，并带 10 ms 启动延时。

安全特性：IDAU/SPU 与安全启动

innblue21 基于 Armv8-M 安全扩展构建，文档明确列出两项安全特性：

• Implementation Defined Attribution Unit（IDAU）：通过 System Protection Unit（SPU）实现，用于划分 Secure 与 Non-Secure 内存映射。默认情况下，全部内存空间（Flash、SRAM 及外设地址空间）仅允许 Secure 访问，Non-Secure 侧需要由 Secure 固件显式放行。
• Secure boot：固件默认从 Secure 状态启动。

这一设计决定了 innblue21 在 Zephyr 中存在两种板级目标：

1. innblue21（Secure）：使用 innblue21_nrf9160.dts，包含nordic/nrf9160_sica.dtsi，code partition 指向slot0_partition；
2. innblue21/nrf9160/ns（Non-Secure）：使用 innblue21_nrf9160_ns.dts，包含arm/nordic/nrf9160_ns_sica.dtsi，SRAM 指向sram0_ns_app、code partition 指向slot0_ns_partition。

两种目标的差异还体现在 Kconfig 上：innblue21_nrf9160_ns_defconfig 额外设置了CONFIG_TRUSTED_EXECUTION_NONSECURE=y；而 Kconfig.defconfig 中USE_DT_CODE_PARTITION仅在 NS 目标下被 select，保证 Non-Secure 固件无论如何都链接到设备树定义的 code partition 内。

构建 Secure / Non-Secure 应用

构建安全应用需要 Secure 与 Non-Secure 两个镜像配合，流程如下：

1. 构建 Secure Zephyr 应用：使用-DBOARD=innblue21，并在应用项目的 prj.conf 中设置CONFIG_TRUSTED_EXECUTION_SECURE=y；
2. 构建 Non-Secure Zephyr 应用：使用-DBOARD=innblue21/nrf9160/ns（NS 目标默认即非安全固件）；
3. 合并两个二进制镜像：将 Secure 与 Non-Secure 固件按分区布局合并后烧录。

其中关键约束是：Secure 应用必须预先配置 IDAU（SPU），将 Non-Secure 固件所需的所有 CPU 资源（Flash、SRAM、外设）开放给 Non-Secure 侧访问，并且 SPU 配置必须在跳转到 Non-Secure 应用之前完成。也就是说，Secure 镜像承担着“信任根 + 资源放行”的职责。

Secure 镜像自身也有大小限制——Kconfig.defconfig 中的注释明确说明：当 Secure 固件要与 Non-Secure 镜像合并（TRUSTED_EXECUTION_SECURE=y）时，Secure 固件镜像必须始终被限制在其 code partition 的大小范围内，否则会覆盖 Non-Secure 分区。

构建 Secure-only 应用

如果不需要 Non-Secure 侧（例如仅运行一个受信任的传感器采集程序），则按常规方式构建即可：

west build -b innblue21 samples/hello_world

此时整个应用运行在 Secure 状态，无需考虑分区与镜像合并问题。

烧录（Flashing）

innblue21 的烧录走 Nordic 标准工具链。从 board.cmake 可以看到该板注册了三种 runner：

board_runner_args(jlink "--device=nRF9160_xxAA" "--speed=4000") include(${ZEPHYR_BASE}/boards/common/nrfutil.board.cmake) include(${ZEPHYR_BASE}/boards/common/nrfjprog.board.cmake) include(${ZEPHYR_BASE}/boards/common/jlink.board.cmake)

即同时支持nrfutil、nrfjprog与J-Link三种烧录方式，其中 J-Link 明确指定器件型号为nRF9160_xxAA、调试时钟 4000 kHz。使用前需参照 Nordic 官方 Segger 相关文档安装并配置好 nrfjprog / nrfutil 与 J-Link 软件。

烧录前先打开终端监听串口输出（默认控制台为 UART0，波特率 115200）：

minicom -D /dev/ttyACM0 -b 115200

将/dev/ttyACM0替换为 innblue21 在系统中的实际串口设备（Linux 下通常形如/dev/ttyACM0）。随后构建并烧录示例应用：

west build -b innblue21 samples/hello_world west flash

west flash会自动选择可用的 runner（优先 nrfutil），完成后即可在 minicom 中看到串口输出。

调试（Debugging）

innblue21 板载 Segger 调试接口，调试方式与 Nordic 其他开发板一致：参照 Segger 相关页面配置 J-Link 调试器与 GDB，即可进行断点调试、寄存器与内存查看。调试会话同样通过west与 J-Link 配合启动（runner 参数中的--speed=4000即针对该板的调试时钟配置），可结合 Secure/Non-Secure 目标分别对两个镜像进行调试。

小结

从本文可以看出，innblue21 在 Zephyr 中是一个完整支持 TrustZone-M 安全模型的双目标开发板：硬件上以 nRF9160 SiP 提供蜂窝连接与丰富传感器资源，软件上通过innblue21（Secure）与innblue21/nrf9160/ns（Non-Secure）两个板级目标，配合CONFIG_TRUSTED_EXECUTION_SECURE/CONFIG_TRUSTED_EXECUTION_NONSECURE与 SPU 分区放行机制，实现安全启动与可信执行环境。对于需要 NB-IoT/LTE-M 连接且对安全敏感的低功耗物联网产品，这套“硬件传感器 + 蜂窝模组 + 双镜像安全架构”的组合可直接作为开发起点，相关配置均可在仓库 boards/innblue/innblue21 目录下对照查阅。

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