Zephyr 在 Arm MPS3 平台上的开发指南：Corstone-300/Corstone-310 与 AN536 的构建、烧录与仿真-平芜编程栈

Zephyr 在 Arm MPS3 平台上的开发指南：Corstone-300/Corstone-310 与 AN536 的构建、烧录与仿真

【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

导读

本文围绕 Zephyr RTOS 官方仓库中boards/arm/mps3的板级支持文档展开，系统讲解在 Arm MPS3 FPGA 原型验证板与 Corstone 系列 Fixed Virtual Platform（FVP）上开发 Zephyr 应用的完整流程。你将掌握mps3/corstone300/*、mps3/corstone310/*、mps3/an536/*各板级目标（BOARD qualifier）的适用场景、Secure/Non-Secure 固件构建差异、FPGA 通过 Micro SD 卡上传固件的方法，以及如何借助 QEMU 与 FVP 在无硬件的情况下完成开发验证。

MPS3 平台概览

MPS3（Arm MPS3 FPGA Prototyping Board）板卡配置由 Zephyr 官方仓库的 boards/arm/mps3 目录提供，被 Zephyr 应用用于运行在 MPS3 硬件上。它同时支持多种 Arm FPGA 镜像（FPGA image）与仿真模型：

AN536支持 Arm Cortex-R52 CPU（Cortex-R52x2 双核子系统示例）
AN547 与 AN552支持 Arm Cortex-M55 CPU（SSE-300 子系统 Soft Macro Model，SMM）
AN555支持 Arm Cortex-M85 CPU（SSE-310 子系统）
Corstone-300 与 Corstone-310 FVP（Fixed Virtual Platform，固定虚拟平台）支持所选的 Cortex-M 配置

根据所选板级目标的不同，Zephyr 提供以下设备支持：

Nested Vectored Interrupt Controller（NVIC）
System Tick System Clock（SYSTICK）
Generic Interrupt Controller v3（GICv3，用于 AN536）
Arm architectural timer（架构定时器）
Cortex-M System Design Kit GPIO（CMSDK GPIO）
Cortex-M System Design Kit UART（CMSDK UART）
Ethos-U55 NPU（神经网络处理单元）

Corstone-300 / Corstone-310 FVP 是对 Arm 系统的完整仿真，包括处理器、内存与外围设备，免费提供给 Linux 与 Windows 主机使用。Zephyr 选择 FVP 作为仿真手段，是因为它能访问 Ethos-U55 NPU——这是 QEMU 或其他仿真平台不具备的能力。而 AN536 的 Cortex-R52x2 子系统则可以通过 QEMU 的mps3-an536机器支持。

板级目标（BOARD options）总览

Zephyr 为 MPS3 提供了多个 board 目标，其中corstone300、corstone310系列均区分Secure（安全态）与Non-Secure（非安全态）固件。board.yml中socs的层级结构印证了这一点：corstone300之下有an547、an552、fvp三个变体，且各自再派生ns变体；corstone310之下有an555、fvp及对应ns变体；an536则为独立 SoC 条目，见 boards/arm/mps3/board.yml。

MPS3 Corstone-300（AN547）

MPS3+ AN547 是 Cortex-M55 架构 SoC，Zephyr 同时支持构建 Secure 与 Non-Secure 固件：

BOARD	说明
`mps3/corstone300/an547`	构建 Secure（或仅 Secure）固件
`mps3/corstone300/an547/ns`	构建 Non-Secure 固件

FPGA 用法：按照本文「编程与调试」章节的构建与烧录步骤执行。
FVP 用法：该变体不支持 FVP。
QEMU 用法：若希望用 QEMU 替代默认仿真器，可在构建时通过-DEMU_PLATFORM=qemu覆盖仿真平台选择：

$ west build -b mps3/corstone300/an547 samples/hello_world -DEMU_PLATFORM=qemu -t run

MPS3 Corstone-300（AN552）

MPS3+ AN552 同样是 Cortex-M55 架构 SoC，支持 Secure 与 Non-Secure 固件构建：

BOARD	说明
`mps3/corstone300/an552`	构建 Secure（或仅 Secure）固件
`mps3/corstone300/an552/ns`	构建 Non-Secure 固件

FPGA 用法：按「编程与调试」章节执行。
FVP 用法：该变体不支持 FVP。
QEMU 用法：该板级变体不支持 QEMU。

MPS3 Corstone-300（FVP）

MPS3+ FVP 是 Cortex-M55 架构的仿真模型，支持 Secure 与 Non-Secure 固件构建：

BOARD	说明
`mps3/corstone300/fvp`	构建 Secure（或仅 Secure）固件
`mps3/corstone300/fvp/ns`	构建 Non-Secure 固件

FPGA 用法：不适用（N/A）。
FVP 用法：使用 FVP 前，先设置环境变量ARMFVP_BIN_PATH，然后通过west build -t run运行：

export ARMFVP_BIN_PATH=/path/to/fvp/directory west build -b {BOARD qualifier from table above} samples/hello_world -t run

要运行 Fixed Virtual Platform 仿真工具，需从 Arm 下载并安装「FVP model for the Corstone-300 MPS3」。官方测试使用的版本为11.24.13（2024-01-04）。

QEMU 用法：不适用（N/A）。

MPS3 Corstone-310（AN555）

MPS3+ AN555 是 Cortex-M85 架构 SoC，支持 Secure 与 Non-Secure 固件构建：

BOARD	说明
`mps3/corstone310/an555`	构建 Secure（或仅 Secure）固件
`mps3/corstone310/an555/ns`	构建 Non-Secure 固件

FPGA 用法：按「编程与调试」章节执行。
FVP 用法：该变体不支持 FVP。
QEMU 用法：该板级变体不支持 QEMU。

MPS3 Corstone-310（FVP）

MPS3+ FVP 是 Cortex-M85 架构的仿真模型，支持 Secure 与 Non-Secure 固件构建：

BOARD	说明
`mps3/corstone310/fvp`	构建 Secure（或仅 Secure）固件
`mps3/corstone310/fvp/ns`	构建 Non-Secure 固件

FPGA 用法：不适用（N/A）。
FVP 用法：同样先设置环境变量ARMFVP_BIN_PATH，再用west build -t run运行：

export ARMFVP_BIN_PATH=/path/to/fvp/directory west build -b {BOARD qualifier from table above} samples/hello_world -t run

运行 Corstone-310 FVP 需下载并安装「FVP model for the Corstone-310 MPS3」，官方测试版本同为11.24.13（2024-01-04）。

QEMU 用法：不适用（N/A）。

MPS3 AN536

MPS3 AN536 是 Cortex-R52x2 双核子系统示例。Zephyr 目前支持为CPU0构建固件：

BOARD	说明
`mps3/an536/cpu0`	为 R52 CPU0 构建固件

FPGA 用法：不适用（N/A）。
FVP 用法：不适用（N/A）。
QEMU 用法：通过 QEMU 运行：

west build -b mps3/an536/cpu0 samples/hello_world -t run

注意：板级限定符（Board qualifier）必须包含上述完整板名。仅写mps3/corstone300、mps3/corstone310或mps3/an536而不带完整限定符是无效的。仓库 boards/arm/mps3/board.cmake 中对此有硬性校验——若只指定到 SoC 层级，构建系统会直接FATAL_ERROR并列出可用目标。

硬件组成

Arm MPS3 板卡提供以下硬件组件（详见 boards/arm/mps3/doc/index.rst）：

CPU
- AN547 / AN552：Arm Cortex-M55 CPU + SSE-300 子系统的 Soft Macro Model（SMM）实现
- AN555：Arm Cortex-M85 CPU + SSE-310 子系统的 SMM 实现
- AN536：Arm Cortex-R52 CPU + Cortex-R52x2 子系统示例
内存
- 8MB BRAM
- 4GB DDR4 SODIMM（默认，可升级至 8GB）
- 16GB eMMC
- 8MB QSPI Flash
调试
- P-JTAG、F-JTAG、SWD、4-bit trace、16-bit trace
- 通过 USB 提供四个串口
接口
- AHB GPIO、UART、SPI、I2C、I2S
- Color LCD 串行接口、Ethernet、VGA
板载外设
- Color LCD、10 个 LED、8 个开关、2 个用户按键

这些板载 LED 与按键在设备树中有完整的节点定义。从 boards/arm/mps3/mps3_common.dtsi 可以看到 10 个gpio-leds（led_0~led_7为 USERLED0~7，led_8/led_9对应 PB1LED/PB2LED，由gpio_led0驱动）以及 2 个gpio-keys用户按键（USERPB0/USERPB1，由gpio_button驱动），并提供了led0、led1、sw0、sw1别名，方便应用通过gpio_dt_spec等 API 直接使用。

支持的设备特性

MPS3 板级支持的特性包括 CMSDK UART、CMSDK GPIO、NVIC、SYSTICK、Ethos-U55 NPU 等，均由 Zephyr 板级文档中的zephyr:board-supported-hw指令自动汇总生成。以 AN547 的设备树 boards/arm/mps3/mps3_corstone300_an547.dts 为例：

兼容字符串为arm,mps3-an547，CPU 为arm,cortex-m55，MPU 采用arm,armv8.1m-mpu；
chosen节点将zephyr,console/zephyr,shell-uart指向uart0，将zephyr,sram指向dtcm、zephyr,flash指向itcm；
Ethos-U55以arm,ethos-u兼容字符串定义在0x48102000，中断号为 56，并启用secure-enable与privilege-enable；
NVIC 配置为arm,num-irq-priority-bits = <3>。

内存布局（Corstone-300 示例）

AN547 设备树中的内存区域定义（Secure 地址，减去0x10000000即得到 Non-Secure 别名）：

区域	地址	大小	说明
ITCM	`0x10000000`（别名`0x0`）	512KB	Zephyr flash 区域
SRAM	`0x11000000`（别名`0x01000000`）	2MB（FVP 为 1MB）	通用 SRAM
DTCM	`0x30000000`（别名`0x20000000`）	512KB	Zephyr SRAM 区域
ISRAM	`0x31000000`（别名`0x21000000`）	4MB（FVP 为 2MB）	额外 SRAM
DDR4	`0x60000000`起	2GB，每 256MB 交替 Non-Secure/Secure	外部内存

此外，Non-Secure 构建会引入 8MBsoc-nv-flash控制器（基址0x28000000，擦除块 64KB、写块 4 字节），并定义 TF-M 多镜像启动所需的分区：slot0_partition（512KB @0x0）、slot0_ns_partition（3MB @0x80000）、slot1_partition（512KB @0x380000）、slot1_ns_partition（3MB @0x400000）与scratch_partition（512KB @0x700000），详见 boards/arm/mps3/mps3_common_ns.dtsi。这些分区布局需要与 TF-M 工程在flash_layout.h中的定义保持一致。

串口布局

MPS3 共有6 个 UART。Zephyr 控制台输出默认使用UART0，通过 Debug USB 接口（J8）对外暴露。Debug USB 接口上的串口映射如下：

Debug USB 串口	连接
Serial port 0	MCC 板级控制控制台
Serial port 1	UART 0（Zephyr 默认控制台）
Serial port 2	UART 1
Serial port 3	UART 2

对于AN536，Cortex-R52x2 子系统提供 LLPP UART0 与 LLPP UART1 作为 CPU 私有 UART，另有共享的 CMSDK UART。mps3/an536/cpu0目标使用LLPP UART0作为 Zephyr 控制台。从 boards/arm/mps3/mps3_an536_cpu0.dts 可以看到，uart0位于0xe7c00000，兼容arm,cmsdk-uart，中断挂在 GIC 上（GIC_PPI 2），波特率115200。

编程与调试

MPS3 通过 USB 连接主机，暴露Mass Storage（大容量存储）、CMSIS-DAP以及串口。

使用 AN547 构建应用

应用可以按常规方式构建。以hello_world示例 + AN547 为例：

west build -b mps3/corstone300/an547 samples/hello_world

打开串口终端（minicom、putty 等），使用以下设置：

波特率（Speed）：115200
数据位（Data）：8 bits
校验（Parity）：None
停止位（Stop bits）：1

复位板卡后，在对应串口上应看到如下输出：

Hello World! mps3

上传应用到 MPS3 AN547

应用固件可以是elf、hex 或 bin格式。二进制文件在板卡启动时，从板载 Micro SD 卡上的文件加载烧录。Motherboard Configuration Controller（MCC）负责加载 FPGA 镜像与二进制文件。

将 MPS3 通过 USB 连接到主机后，会出现一个大容量存储设备（默认设备名为V2M-MPS3）。更新固件共需3 步：

将应用文件复制到<MPS3 device name>/SOFTWARE/目录；
打开<MPS3 device name>/MB/HBI0309C/AN547/images.txt；
按下述内容更新images.txt：

TITLE: Versatile Express Images Configuration File [IMAGES] TOTALIMAGES: 1 ;Number of Images (Max: 32) IMAGE0ADDRESS: 0x01000000 ;Please select the required executable program IMAGE0FILE: \SOFTWARE\zephyr.elf

复位板卡后，即可在对应串口看到Hello World! mps3输出。这里IMAGE0ADDRESS: 0x01000000对应设备树中 SRAM 的 Non-Secure 别名地址（0x11000000减去0x10000000），与 boards/arm/mps3/mps3_corstone300_an547.dts 的 SRAM 定义一致。

使用 AN536 构建并运行应用

同样以hello_world为例构建 AN536 固件：

west build -b mps3/an536/cpu0 samples/hello_world

使用 QEMU 运行：

west build -b mps3/an536/cpu0 samples/hello_world -t run

运行后应看到：

Hello World! mps3/an536/cpu0

源码级深入：仿真平台的选择机制

文档中提到的「AN547 默认 QEMU、FVP 变体默认 FVP」的机制，实现在 boards/arm/mps3/board.cmake 中：

mps3/an536/cpu0与mps3/corstone300/an547：SUPPORTED_EMU_PLATFORMS为qemu，QEMU 分别使用-cpu cortex-r52 -machine mps3-an536与-cpu cortex-m55 -machine mps3-an547；
mps3/corstone300/fvp/_ns：SUPPORTED_EMU_PLATFORMS为armfvp，根据是否启用 Ethos-U65 选择FVP_Corstone_SSE-300_Ethos-U55或FVP_Corstone_SSE-300_Ethos-U65二进制；
mps3/corstone310/fvp/_ns：使用FVP_Corstone_SSE-310，并针对 Zephyr 的 MPU 测试需求设置-C cpu0.MPU_S=16等参数；启用 PAC/BTI 时追加-C cpu0.CFGPACBTI=1；
所有 FVP 运行均配置-C mps3_board.uart0.out_file=-等参数将 UART0~UART2 输出重定向到终端，并关闭可视化与 telnet；
若以BUILD_WITH_TFM构建 Non-Secure 镜像，QEMU/FVP 会加载合并后的tfm_merged.hex（Secure TF-M + Non-Secure Zephyr）。

Secure / Non-Secure 构建的默认配置

从 boards/arm/mps3/Kconfig.defconfig 可以看出：

当目标为 Non-Secure（TRUSTED_EXECUTION_NONSECURE）时，默认强制使用 TF-M 作为安全执行环境（BUILD_WITH_TFM=y），并从设备树 flash 分区获取 NS 镜像配置（USE_DT_CODE_PARTITION=y）；
在 QEMU 目标下，MPU 的空指针解引用检测无法生效（0x0-0x400未映射但 QEMU 仍允许总线访问），因此默认关闭NULL_POINTER_EXCEPTION_DETECTION；
启用串口时默认开启UART_INTERRUPT_DRIVEN；
对 AN555/FVP 且启用 ROM 重定位时，ROMSTART 区域地址取自设备树itcm节点。

在 defconfig 层面，Secure 目标（如 boards/arm/mps3/mps3_corstone300_an547_defconfig）会显式设置CONFIG_ARM_TRUSTZONE_M=y、CONFIG_ARM_MPU=y、CONFIG_RUNTIME_NMI=y以及CONFIG_TRUSTED_EXECUTION_SECURE=y（配合QEMU_ICOUNT_SHIFT=7）；Non-Secure 目标（如 boards/arm/mps3/mps3_corstone300_an547_ns_defconfig）则不再声明TRUSTED_EXECUTION_SECURE（QEMU_ICOUNT_SHIFT=6），交由 TF-M 承担 Secure 侧职责。SOC 层级的选择逻辑（SOC_CORSTONE300/SOC_CORSTONE310/SOC_AN536_CPU0）位于 boards/arm/mps3/Kconfig.mps3。

延伸参考

如需更深入的信息，可查阅以下官方资料（均为 Arm 公开发布的文档，需自行从 Arm 官网获取）：MPS3 AN536 Application Note、MPS3 AN547 / AN552 / AN555 Technical Reference Manual（TRM）、MPS3 FPGA Prototyping Board TRM、Cortex-R52 TRM、Cortex-M55 / Cortex-M85 Generic User Guide，以及 CoreLink SSE-300 / SSE-310 Example Subsystem 文档。这些资料对理解 FPGA 镜像的加载流程、内存映射与外设寄存器细节很有帮助。

小结

在AN547 / AN552 / AN555 实体 FPGA 板上开发，使用mps3/corstone300/an547（或ns后缀变体）等目标，按「构建 → 拷贝到 Micro SD → 修改images.txt→ 复位」的流程烧录；
需要Ethos-U55 NPU仿真时，使用mps3/corstone300/fvp或mps3/corstone310/fvp目标并安装对应 FVP 模型（测试版本 11.24.13）；
快速无硬件验证时，mps3/corstone300/an547可直接用 QEMU 运行，mps3/an536/cpu0（Cortex-R52）则必须通过 QEMU 的mps3-an536机器；
所有板级限定符必须写完整（如mps3/corstone300/an547），省略变体名会触发构建错误。