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基于 nRF9160 SiP 的蜂窝物联网开发板：Zephyr 中 innblue21 / innblue22 板级支持与 TrustZone-M 安全启动实战指南

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本文围绕 Zephyr 仓库中 boards/innblue 板卡目录所承载的 innblue21 与 innblue22 两块开发板展开，系统讲解其硬件资源、引脚连接、安全特性（IDAU/SPU 与 Secure boot），以及最重要的——在 Zephyr 中为基于 nRF9160 的蜂窝物联网板构建 Secure / Non-Secure 双固件并合并烧录的完整流程。读完本文，你将掌握 nRF9160 系列板卡的设备树组织结构、TrustZone-M 分区启动原理，以及可复制的构建与烧录命令。

板卡概览：专为 NB-IoT / LTE-M 设计的传感开发平台

innblue21 与 innblue22 是两块结构高度一致、均以 Nordic nRF9160 SiP（System in Package）为核心的蜂窝物联网传感器开发板，板载 NB-IoT 与 LTE-M 蜂窝连接能力。官方板卡文档 innblue21 文档 与 innblue22 文档 均以 "cellular IoT sensor development board" 定位，二者在 Zephyr 中的板级实现几乎镜像，区别仅在于板卡命名（V2.1 / V2.2）与对应的 Kconfig 符号。

从 board.yml 可以看到两块板卡的正式标识：

• innblue21：全名nRF9160 INNBLUE21，SoC 为nrf9160，并声明了ns（Non-Secure）变体；
• innblue22：全名nRF9160 INNBLUE22，SoC 同样为nrf9160，同样提供ns变体。

其中ns变体的存在直接对应下文即将展开的 Secure/Non-Secure 双区启动架构，这也是 nRF9160 板卡在 Zephyr 中最具代表性的使用场景之一。

板载硬件资源

根据板卡文档的 Hardware 章节，两块板卡内置了以下主要元器件：

这些声明并非仅停留在文档层面，在 innblue21_common.dtsi 中可以看到它们在 I2C 总线上的真实挂载情况：i2c2被配置为nordic,nrf-twim快速模式（I2C_BITRATE_FAST），其上依次挂载了st,lis2dh加速度计（地址0x19）、st,hts221湿度传感器（地址0x5f）、st,lps22hb-press气压计（地址0x5c）、ams,ccs811空气质量传感器（地址0x5a）以及bosch,bme680环境传感器（地址0x76）。也就是说，文档中列举的传感器只是板载传感能力的一部分，设备树中还预留了更多 I2C 器件节点，方便开发者直接通过devicetreeAPI 访问。

支持的 Zephyr 特性

从板卡的 innblue21_nrf9160.yaml 与 innblue22_nrf9160.yaml 可以精确得知官方声明的资源与特性：

• 标识：innblue21/nrf9160、innblue22/nrf9160
• 架构：arm（Armv8-M，支持 TrustZone-M）
• 工具链：gnuarmemb、zephyr
• RAM：64 KB；Flash：256 KB
• 支持的驱动类别：i2c、pwm、watchdog

对应的 Kconfig 配置位于 Kconfig.innblue21，其中config BOARD_INNBLUE21通过select SOC_NRF9160_SICA关联到 Nordic nRF9160 SiP 的 SoC 定义。

连接与 IO：LED 与按键引脚

LED 引脚分配

根据文档 Connections and IOs 章节，两块板卡各提供 4 颗 LED，引脚完全一致：

设备树 innblue21_common.dtsi 中将这些 LED 定义为gpio-leds节点，前三颗构成 RGB 灯、第四颗为模式指示，并通过aliases暴露为led0/led1/led2/led3，与 Zephyr 各类 sample 中led0的惯用别名保持一致，开箱即可点亮。

按键

板卡仅提供 1 个按键 BUTTON1，位于 P0.31。设备树中对应gpio-keys节点 button_0，使能了内部上拉（GPIO_PULL_UP）并绑定输入事件码INPUT_KEY_0，别名sw0，可直接用于zephyr,code驱动的事件输入子系统。

安全组件：IDAU、SPU 与安全启动

nRF9160 板卡文档专门列出了两大安全组件，这是理解后续 Secure/Non-Secure 构建流程的基础：

• IDAU（Implementation Defined Attribution Unit）：由 SPU（System Protection Unit）实现，用于划分安全（Secure）与非安全（Non-Secure）内存映射。默认情况下，全部内存空间（Flash、SRAM 以及外设地址空间）均被定义为仅安全可访问——这意味着任何未显式配置的非安全固件默认无法触碰这些资源。
• Secure boot（安全启动）：保证固件从安全状态启动、校验并进入受信任的执行环境。

在 innblue21_common.dtsi 末尾，板卡通过#include <nordic/nrf91xx_partition.dtsi>引入默认的内存分区配置，为安全/非安全固件划分独立的 Flash 与 SRAM 分区，这是双区固件得以共存与跳转的前提。

构建 Secure / Non-Secure 双区应用

innblue21 与 innblue22 均支持 Armv8-M Security Extension，且默认从 Secure 状态启动。当需要同时运行可信（Secure）与不可信（Non-Secure）两部分固件时，官方文档给出了明确的三步流程：

1. 构建 Secure 应用：使用-DBOARD=innblue21（或innblue22），并在应用的项目配置文件中启用CONFIG_TRUSTED_EXECUTION_SECURE=y；
2. 构建 Non-Secure 应用：使用-DBOARD=innblue21/nrf9160/ns（或innblue22/nrf9160/ns）；
3. 合并两个二进制文件：将 Secure 与 Non-Secure 固件合并为最终可烧录镜像。

其中ns板型变体在仓库中有完整的实体支撑：

• 设备树变体 innblue21_nrf9160_ns.dts 与 YAML 声明 innblue21_nrf9160_ns.yaml；
• 默认配置 innblue21_nrf9160_ns_defconfig 中显式启用了CONFIG_TRUSTED_EXECUTION_NONSECURE=y，并注释说明 "This Board implies building Non-Secure firmware"。

对照 innblue21_nrf9160_defconfig，两个变体都启用了CONFIG_ARM_MPU=y与CONFIG_ARM_TRUSTZONE_M=y（MPU 与 TrustZone-M 是 nRF9160 分区内存保护的基础），同时开启 GPIO、UART 驱动与控制台（CONFIG_CONSOLE=y、CONFIG_UART_CONSOLE=y），保证双区固件都能输出日志。

关键前提：SPU 配置必须在跳转前完成

文档特别强调：在构建 Secure/Non-Secure 双区应用时，Secure 应用必须配置 IDAU（即 SPU），以允许 Non-Secure 固件访问其所使用的全部 CPU 资源（Flash、SRAM、外设）；且SPU 的配置必须在跳转到 Non-Secure 应用之前完成。否则 Non-Secure 固件一旦运行便会因触碰安全专属资源而触发安全异常（SecureFault）。这也是CONFIG_TRUSTED_EXECUTION_SECURE构建的 Secure 固件在main()之前、启动早期完成 SPU 初始化的原因。

构建 Secure-only 应用

如果不需要拆分信任边界，只需按常规方式构建单区 Secure 应用：直接使用-DBOARD=innblue21（或innblue22），无需任何 TrustZone 相关特殊配置。由于板卡默认从 Secure 状态启动，单固件会以完整安全权限运行，可访问全部资源，适用于功能简单、无第三方不可信代码的物联网传感节点场景。

烧录与运行

前置软件

按照 Nordic 官方烧录工具（Segger J-Link 相关软件）的安装与配置说明准备好环境后，即可按常规流程构建与烧录。nRF9160 板卡通过板载 J-Link OB 调试器提供 USB 串口与烧录通道。

监听串口输出

以hello_world示例为例，首先用终端程序监听串口输出：

$ minicom -D <tty_device> -b 115200

将<tty_device>替换为 nRF9160 innblue21/innblue22 对应的串口设备，Linux 下通常为/dev/ttyACM0。115200 波特率与设备树中uart0的current-speed = <115200>配置一致。

构建并烧录

在 Zephyr 环境中执行（以 innblue21 为例，innblue22 同理）：

$ west build -b innblue21 samples/hello_world $ west flash

其中west build -b innblue21完成构建，west flash通过板载调试器烧录。设备树 innblue21_common.dtsi 中已将uart0同时指定为 Zephyr 控制台（zephyr,console）、shell UART（zephyr,shell-uart）与 mcumgr UART（zephyr,uart-mcumgr），因此烧录后串口即可看到Hello World!输出。

调试

如需对板卡进行断点调试与单步跟踪，可参考 Nordic 官方关于 Segger 调试器的说明，通过 J-Link / Ozone 等工具连接板载调试器进行。nRF9160 属于 Armv8-M 架构，调试时同样遵循 Secure/Non-Secure 两个世界各自的地址空间与权限边界。

小结

innblue21 与 innblue22 是 Zephyr 中 nRF9160 蜂窝物联网开发板的典型实现：板载加速度计、湿度、气压、空气质量等多路 I2C 传感器，配合 LED、按键、无线充电与电量计，构成完整的传感节点硬件平台；在软件层面，其核心价值在于完整示范了 Zephyr 对 Arm TrustZone-M 的支持——通过-DBOARD=<board>与-DBOARD=<board>/nrf9160/ns分别产出 Secure / Non-Secure 固件，再合并烧录，使开发者能够在同一颗 nRF9160 上落地可信执行环境与不可信应用并存的蜂窝物联网方案。如需深入，可直接阅读 innblue21 板级源码 与 innblue22 板级源码 中的设备树与 Kconfig 定义。

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