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Zephyr 下 nRF9160 DK 开发指南：TrustZone 安全分区、双芯片协同与信号路由配置

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本文以 Zephyr RTOS 仓库中 nRF9160 DK 板级文档 为核心骨架，系统讲解在 Zephyr 中为 nRF9160 DK（PCA10090）开发固件的完整流程，包括基于 Armv8-M Security Extensions（TrustZone）的 Secure/Non-Secure 双镜像构建方案、nRF9160 与板载 nRF52840 两颗芯片的协同开发，以及通过 devicetree 控制板载模拟开关实现引脚信号路由的具体方法。读完本文，你将能够独立完成 nRF9160 DK 的 Zephyr 应用构建、烧录、调试与板级外设路由配置。

nRF9160 DK（图片来源：Nordic Semiconductor）

板卡概览：一颗 SiP、两颗芯片、三套板级配置

nRF9160 DK（PCA10090）是面向 LTE-M 与 NB-IoT 蜂窝物联网场景的单板开发套件。Zephyr 仓库中boards/nordic/nrf9160dk目录下同时提供三套板级配置，覆盖板上的两颗芯片：

• nrf9160dk/nrf9160：基于 Nordic nRF9160 SiP，核心为 ARM Cortex-M33F CPU，支持 ARMv8-M Security Extensions（安全扩展），是 LTE-M/NB-IoT 应用的主控。
• nrf9160dk/nrf9160/ns：同一颗 nRF9160 的 Non-Secure（非安全）变体配置，用于构建运行在 TrustZone 非安全世界中的 Zephyr 固件。
• nrf9160dk/nrf52840：板载的 nRF52840 SoC（ARM Cortex-M4F），承担低功耗蓝牙（BLE）、802.15.4、USB 等接口 MCU（interface MCU）职责。

板卡型号与 SoC 变体关系定义在 board.yml 中，其中明确声明了 nrf9160 的ns变体，以及板卡硬件版本（revision）体系major.minor.patch，默认版本为0.14.0，同时支持0.7.0与0.14.0两个版本。

板级硬件要点

• 板载两颗外部晶振：慢时钟 32.768 kHz，主时钟 32 MHz。
• 从 v0.14.0 版本开始，DK 新增两块额外硬件：
  • 外部 Flash 存储器 MX25R6435F（64 Mb）；
  • I/O 扩展器 PCAL6408A，可用于扩展 LED、拨动开关（slide switch）与按键的接口能力。

这些额外硬件默认未启用。要使用它们，需要在构建时显式指定板卡硬件版本，例如构建 nRF9160 DK v1.0.0 目标：

west build -b nrf9160dk/nrf9160@1.0.0

同时，还需要在 nRF52840 的固件中启用对应信号的路由（详见下文"板控制器固件与模拟开关路由"一节），否则额外硬件不会真正接入 nRF9160 SiP。

连接与 IO 映射

nRF9160 DK 板上 LED、按键与开关的引脚连接关系如下（对应 devicetree 实现见 nrf9160dk_nrf9160_common.dtsi）：

值得留意的是，nRF9160 DK 与大多数 Nordic DK 不同，它只有 2 个按键和 2 个开关。为了遵循 Zephyr 社区"每个 DK 板 4 个按钮"的惯例，nrf9160dk_nrf9160_common.dtsi 将两个开关也以gpio-keys节点暴露为button2/button3（SWITCH1→INPUT_KEY_2，SWITCH2→INPUT_KEY_3），这样依赖标准按钮语义的示例与上层软件可以无缝工作。所有按钮节点均配置为GPIO_PULL_UP | GPIO_ACTIVE_LOW，并提供了sw0~sw3、led0~led3等兼容别名。

安全组件：IDAU 与安全启动

nRF9160 DK 在安全方面的两个关键组件：

• IDAU（Implementation Defined Attribution Unit）：nRF9160 使用 System Protection Unit（SPU）实现 IDAU，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 与外设地址空间）均被定义为仅安全访问。
• 安全启动（Secure boot）：板卡支持从安全状态引导系统。

因此，nrf9160dk/nrf9160 配置默认在 Secure 状态下启动，这一点是理解下文所有构建流程的前提。

使用 Arm TrustZone 构建 Secure/Non-Secure 应用

nRF9160 上的应用可能同时包含一个 Secure 固件镜像和一个 Non-Secure 固件镜像：

• Secure 镜像可以由 Zephyr 构建，也可以使用 Trusted Firmware-M（TF-M）构建；
• Non-Secure 固件镜像总是由 Zephyr 构建。

默认情况下，nRF9160 的 Secure 镜像使用 TF-M 构建。

方式一：Secure 固件由 Zephyr 构建

整个流程分为三步：

1. 使用-DBOARD=nrf9160dk/nrf9160构建 Secure Zephyr 应用，并在应用的项目配置文件中启用CONFIG_TRUSTED_EXECUTION_SECURE=y；
2. 使用-DBOARD=nrf9160dk/nrf9160/ns构建 Non-Secure Zephyr 应用；
3. 将两个二进制镜像合并。

Secure 侧相关的板级配置可以在 nrf9160dk_nrf9160_defconfig 中看到，它启用了CONFIG_ARM_MPU、CONFIG_ARM_TRUSTZONE_M、GPIO、UART 驱动与控制台；Non-Secure 侧的默认配置见 nrf9160dk_nrf9160_ns_defconfig，额外启用CONFIG_TRUSTED_EXECUTION_NONSECURE=y表明该配置用于构建非安全固件。

Secure 与 Non-Secure 镜像的内存划分由各自的 devicetree 决定：

• Secure 配置 nrf9160dk_nrf9160.dts 选择sram0_s作为安全 SRAM 分区、slot0_partition作为代码分区，并同时声明sram-secure-partition与sram-non-secure-partition；
• Non-Secure 配置 nrf9160dk_nrf9160_ns.dts 使用sram0_ns_app作为运行 SRAM、slot0_ns_partition作为代码分区，并默认禁用uart1——因为该串口被 TF-M 占用。

方式二：Secure 固件使用 TF-M 构建

此方式只需构建 Non-Secure Zephyr 应用，构建系统会自动完成其余工作：

1. 使用-DBOARD=nrf9160dk/nrf9160/ns构建 Non-Secure Zephyr 应用（命令中的板名写为nrf9160dk_nrf9160_ns亦可）；
2. Zephyr 构建系统会因 Kconfig 选项BUILD_WITH_TFM（构建 Non-Secure 应用时默认启用）自动执行：
   • 将 Non-Secure 固件镜像作为常规 Zephyr 应用构建；
   • 构建 TF-M（Secure）固件镜像；
   • 合并输出二进制文件；
   • 可选地构建引导加载程序镜像（MCUboot）。

注意：根据 TF-M 的具体配置，可能需要为应用提供 DTS overlay，以调整 Non-Secure 镜像在 Flash 与 SRAM 中的起始地址及大小。

无论采用哪种方式，构建 Secure/Non-Secure 应用时，Secure 应用都必须提前配置 IDAU（SPU），允许 Non-Secure 访问 Non-Secure 固件所使用的全部 CPU 资源；SPU 配置必须在跳转到 Non-Secure 应用之前完成。

构建纯 Secure 应用

如果不需要 Non-Secure 世界，只需按常规方式构建 Zephyr 应用，使用-DBOARD=nrf9160dk/nrf9160即可。

烧录与调试

烧录前需要按照 Nordic 板卡的 Segger 工具链流程安装并配置必要的软件（J-Link 软件与驱动）。完成环境准备后即可按常规流程构建并烧录应用。

以hello_world示例为例，先在终端中监听串口输出：

$ minicom -D <tty_device> -b 115200

将<tty_device>替换为 nRF9160 DK 对应的端口，在 Linux 下通常是/dev/ttyACM0。然后构建并烧录：

$ west build -b nrf9160dk/nrf9160 samples/hello_world $ west flash

调试方面，参考 Nordic 板卡的 Segger IC 调试说明（nordic_segger文档）即可，nRF9160 DK 板载调试器支持 J-Link 全功能调试。

验证板载 LED 与按键：blinky 与 button 示例

Zephyr 为验证 nRF9160 DK 的按键（开关）与 LED 是否工作正常提供了两个现成示例：

• samples/basic/blinky：让 LED 周期性闪烁，验证 GPIO 输出通路；
• samples/basic/button：读取按键/开关输入，验证 GPIO 输入通路。

构建并烧录这两个示例，可以快速确认 Zephyr 在板卡上运行正常。LED 与按键的完整 devicetree 定义位于 nrf9160dk_nrf9160_common.dtsi。

nRF52840 板级配置

nRF9160 DK 上的 nRF52840 SoC 提供以下外设支持：

• CLOCK（时钟）
• FLASH
• GPIO
• MPU（内存保护单元）
• NVIC（嵌套向量中断控制器）
• PWM
• RADIO（低功耗蓝牙与 802.15.4）
• RTC（nRF RTC 系统时钟）
• Segger RTT（RTT 控制台）
• UART
• WDT（看门狗定时器）

需要特别强调的是：nRF52840 SoC 与板上的 LED、按键、开关以及 Arduino 排针没有任何物理连接。不过，nRF52840 的部分引脚可以通过模拟开关路由到 nRF9160 SiP，实现两颗芯片之间的互联（这正是下文"板控制器固件"的用武之地）。

nRF52840 配置的 devicetree 见 nrf9160dk_nrf52840.dts，其中chosen节点将zephyr,bt-mon-uart与zephyr,ieee802154指向 nRF52840 的 UART0 与 802.15.4 无线电，ieee802154节点默认启用。

构建、烧录与调试 nRF52840 应用

为nrf9160dk/nrf52840配置构建和烧录应用的方式与常规 Zephyr 应用相同，但有一个关键前提：必须将 DK 上的 PROG/DEBUG 开关拨到 nRF52 位置。

以hello_world为例：

$ minicom -D <tty_device> -b 115200

Linux 下 nRF52840 通常对应/dev/ttyACM1——注意/dev/ttyACM0连接的是板上的 nRF9160 SiP。随后构建并烧录：

$ west build -b nrf9160dk/nrf52840 samples/hello_world $ west flash

调试方式同前（Segger J-Link），并记得再次确认 PROG/DEBUG 开关位于 nRF52 位置。

板控制器固件与模拟开关路由

板控制器固件的作用

板控制器固件是一小段运行在 nRF52840 上的代码，负责将 nRF9160 SiP 的特定引脚路由到 DK 上的不同组件，包括 LED、按键、接口 MCU 的 UART 接口（VCOMx）以及 nRF52840 的特定引脚。

• 当为nrf9160dk/nrf52840编译工程时，板控制器固件会在内核初始化完成后自动编译并运行；
• 在早于 v0.14.0 的 DK 版本上，被路由到其他组件的 nRF9160 信号无法同时在 DK 连接器上使用（即信号被独占路由）。

默认路由表

板控制器固件默认执行的路由如下：

通过 devicetree 节点控制路由

如果希望改变上述路由或启用其他可用路由，只需启用或禁用代表对应模拟开关的 devicetree 节点即可。板控制器固件的实现见 board.c：它在board_late_init_hook()中遍历所有routing_switches，根据每个节点在 devicetree 中的status（okay/disabled）将对应control-gpios配置为输出有效或无效电平，从而闭合或断开模拟开关；当外部 Flash 路由节点存在时，还会在board_early_init_hook()中尽早闭合对应开关，保证 Flash 的 HOLD 引脚被正确上拉。

模拟开关节点的 devicetree 绑定定义在 nordic,nrf9160dk-optional-routing.yaml，核心属性为control-gpios（控制模拟开关的 GPIO）。

DK 上定义的模拟开关节点与物理开关对应关系如下：

当构建 DK 0.14.0 或更新版本时，还可以使用以下额外节点（通过-DBOARD=nrf9160dk/nrf9160@<版本>指定板卡版本）：

路由配置实战示例

示例 1：启用可选路由，将 nRF9160 的 P0.17、P0.18、P0.19 分别路由到 nRF52840 的 P0.17、P0.20、P0.15。在应用的 devicetree overlay 中添加：

&nrf_interface_pins_0_2_routing { status = "okay"; };

示例 2：禁用 VCOM2 引脚的路由：

&vcom2_pins_routing { status = "disabled"; };

从 nrf9160dk_nrf52840.dts 的board-control节点可以看到这些开关的实际control-gpios定义：例如vcom0_pins_routing由 P1.14（低电平有效）控制，vcom2_pins_routing需要同时驱动 P1.12 与 P0.12 两个引脚，而nrf_interface_pins_0_2_routing、nrf_interface_pins_3_5_routing、nrf_interface_pins_6_8_routing默认均为disabled。

双芯片 UART 通信的快捷配置

在boards/nordic/nrf9160dk/dts/nrf52840与boards/nordic/nrf9160dk/dts/nrf9160两个目录下提供了若干辅助.dtsi文件，它们既可作为配置路由的参考示例，也可以直接从应用 overlay 中 include，快速实现 nRF9160 与 nRF52840 之间的信号路由。例如，要让两颗芯片通过各自的uart1互连通信：

nRF52840 侧的 overlay：

#include <nrf52840/nrf9160dk_uart1_on_if0_3.dtsi>

nRF9160 侧的 overlay：

#include <nrf9160/nrf9160dk_uart1_on_if0_3.dtsi>

以 nrf9160dk_uart1_on_if0_3.dtsi 为例，它定义了uart1_default_alt备用引脚组合（TX=P0.18、RX=P0.17、RTS=P0.21、CTS=P0.19），并将uart1的状态置为okay，同时挂载default/sleep两组 pinctrl 状态。结合nrf_interface_pins_0_2_routing等模拟开关节点，即可在硬件层面打通 nRF9160 与 nRF52840 之间的 UART 通路。

小结

围绕 nRF9160 DK，Zephyr 提供了从安全启动、TrustZone 双镜像构建到双芯片路由控制的完整支撑：nrf9160dk/nrf9160与nrf9160dk/nrf9160/ns配置分别对应 Secure/Non-Secure 世界，配合CONFIG_TRUSTED_EXECUTION_*与 TF-M 可灵活组织安全固件；nrf9160dk/nrf52840配置配合板控制器固件，通过 16 个模拟开关节点实现了 nRF9160 SiP 与板载外设、nRF52840 之间的可编程信号路由。开发者只需在 devicetree overlay 中设置对应节点的status，即可按需打通 VCOM、LED、按键、Arduino 排针乃至双芯片 UART 通信链路，为 LTE-M/NB-IoT + BLE 组合场景提供便捷的硬件基础。

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