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STM32MP1 M4裸机CubeIDE开发指南-硬件随机数实验

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STMCU小助手 发布时间：2022-9-28 18:51
硬件随机数实验
本章，我们将介绍STM32MP157的硬件随机数发生器。我们使用KEY0按键来获取硬件随机数，并且将获取到的随机数值通过串口打印出来。同时，使用LED0指示程序运行状态。

20.1 随机数发生器简介
STM32MP157自带了硬件随机数发生器（RNG），其中RNG1给A7内核使用，RNG2给M4内核使用。RNG处理器是一个以连续模拟噪声为基础的随机数发生器，在主机读数时提供一个32位的随机数。
20.1.1 RNG框图
下面先来学习RNG框图，通过学习RNG框图会有一个很好的整体掌握，同时对之后的编程也会有一个清晰的思路。STM32MP157的随机数发生器框图如下图所示：

948b166ef8df447eae44efcb1e13f983.png

图20.1.1. 1随机数发生器(RNG)框图
随机数发生器有2个时钟域：AHB时钟域和RNG时钟域。AHB 时钟用于为 AHB 存储寄存器和调节组件提供时钟信号，RNG 时钟用于噪声源采样。如果 RNG_CR 寄存器中的 CED 位设置为“0”了，即启用时钟错误检测，那么 RNG 时钟频率 必须大于 AHB 时钟频率的32 分之一，否则时钟检查器会指示时钟错误，RNG 将停止生成随机数。在配置时钟时，注意此范围。
RNG时钟域时钟为rng_clk，rng_clk由RCC_RNG2CKSELR寄存器的RNG2SRC[1:0]位选择具体的时钟源，具体选择关系为：
0x0: csi_ker_ck
0x1: pll4_r_ck
0x2: lse_ck clock
0x3: lsi_ck
默认情况下STM32CubeMX会选择0x0: csi_ker_ck（4 MHz）作为rng_clk的时钟源，最大可通过PLL4配置为48MHz：

698a8aa0268d4a76abfadcfbc0c54ff6.png

图20.1.1. 2 RNG2默认采用CSI作为时钟源
AHB时钟域的时钟来自AHB3（最大为209MHz），用于访问相关寄存器等，通过RCC_MC_AHB3ENSETR的RNG2EN位（bit6）使能。可见，4MHz小于209/32，如果开启时钟错误检测，注意配置RNG2的时钟范围。

e7bcecb9be8d4075a8d6741c2be36332.png

图20.1.1. 3 RNG时钟
RCC_RNG2CKSELR和RCC_MC_AHB3ENSETR这两个寄存器我们就不做介绍了，大家参考手册。从RNG框图整体上知道，RNG有两个输入和一个输出。具体如下表：

96c86692b27941bebc458eee62773e42.png

表20.1.1. 1 RNG内部输入/输出信号
STM32MP157的随机数发生器（RNG）采用模拟电路实现，由内部两个模拟噪声源产生种子，经过采样和归一化处理，再经过线性移位寄存器和判断逻辑，最终输出到RNG_DR，生成32 位随机数。
每个模拟噪声源由3个环形振荡器组成，振荡器产生的输出经过异或运算产生种子，经过采样归一化处理后，输出到RNG内部的线性移位寄存器。采样频率由rng_clk时钟提供，因此，随机数质量与 HCLK 频率无关。当将大量种子引入线性移位寄存器后，经过判断逻辑，最终输出到数据寄存器 (RNG_DR)。
同时，系统会监视模拟种子和专用时钟 rng_clk，当种子上出现异常序列，或rng_clk时钟频率过低时，可以由RNG_SR寄存器的对应位读取到，如果设置了中断，则在检测到错误时，还可以产生中断。
20.1.2 RNG寄存器
1.RNG控制寄存器（RNG_CR）
RNG控制寄存器描述如下图所示：

d730dffd53bf421caf8f752b159e98e4.png

图20.1.2. 1 RNG_CR寄存器
该寄存器我们只关心RNGEN位，该位用于使能随机数发生器，所以必须设置为1。
2. RNG状态寄存器（RNG_SR）
RNG状态寄存器描述如下图所示：

ce24f1c9f4954d3ab0b26abd65003e4b.png

图20.1.2. 2 RNG_SR寄存器
该寄存器我们仅关心最低位（DRDY位），该位用于表示RNG_DR寄存器包含的随机数数据是否有效，如果该位为1，则说明RNG_DR的数据是有效的，可以读取出来了。读RNG_DR后，该位自动清零。
3. RNG数据寄存器（RNG_DR）
RNG数据寄存器描述如下图所示：

04dd465c96984062a7f83cc419e21de7.png

图20.1.2. 3 RNG_DR寄存器
RNG_DR寄存器是只读寄存器，我们可以读取该寄存器获得32位随机数值。此寄存器在最多216个AHB时钟周期后，又可以提供新的随机数值。

20.1.3 RNG的HAL库驱动
RNG在HAL库中的驱动代码在stm32mp1xx_hal_rng.c文件（及其头文件）中。
1.HAL_RNG_Init函数
RNG的初始化函数，其声明如下：
  1. HAL_StatusTypeDef HAL_RNG_Init(RNG_HandleTypeDef *hrng);
  2. ●函数描述：
  3.         用于初始化RNG。
  4. ●函数形参：
  5.         形参1是RNG_HandleTypeDef结构体类型指针变量，其定义如下：
  6. typedef struct
  7. {
  8.   RNG_TypeDef                   *Instance;    /* RNG基地址 */
  9.   RNG_InitTypeDef               Init;         /* RNG初始化配置结构体 */
  10.   HAL_LockTypeDef               Lock;         /* RNG锁设置 */
  11.   __IO HAL_RNG_StateTypeDef   State;        /* RNG设备访问状态 */
  12.   __IO  uint32_t                ErrorCode;    /* RNG错误代码 */
  13.   uint32_t                      RandomNumber; /* RNG最后生成的随机数 */
  14. } RNG_HandleTypeDef;
  15.         1）Instance：指向RNG寄存器基地址。
  16.         2）Init：是的RNG初始化结构体，其结构体类型RTC_InitTypeDef定义如下：
  17. typedef struct
  18. {
  19.   uint32_t            ClockErrorDetection; /* CED时钟错误检测 */
  20. } RNG_InitTypeDef;
复制代码

3）Lock：用于配置锁状态。
4）State：RNG设备访问状态。
5）ErrorCode ：RNG错误代码
6）RandomNumber ：该变量存储RNG最后生成的随机数

●函数返回值：
HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。
2. HAL_RNG_GenerateRandomNumber函数
HAL_RNG_GenerateRandomNumber是RNG生成随机数函数。其声明如下：
HAL_StatusTypeDef HAL_RNG_GenerateRandomNumber(RNG_HandleTypeDef *hrng,
uint32_t *random32bit);
●函数描述：
该函数用于RNG生成随机数。
●函数形参：
形参1是RNG_HandleTypeDef结构体类型指针变量，即RNG的句柄。
形参2是uint32_t类型指针变量，随机32位指针，生成随机变量。
●函数返回值：
HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。

20.2 硬件设计
1.例程功能
本实验使用STM32MP157自带的硬件随机数生成器（RNG），获取随机数，并通过串口打印出来。按KEY0可以获取一次随机数。同时程序自动获取0~9范围内的随机数，显示在屏幕上。LED0闪烁用于提示程序正在运行。
2.硬件资源
1）LED灯：LED0
2）独立按键 KEY0
3）串口4
4）RNG（硬件随机数生成器）
LED0 KEY0 UART4_TX UART4_RX
PI0 PG3 PG11 PB2
表20.2. 1 硬件资源
3.原理图
RNG属于STM32MP157内部资源，通过软件设置好就可以了。

20.3 软件设计
本实验配置好的实验工程已经放到了开发板光盘中，路径为：开发板光盘A-基础资料\1、程序源码\11、M4 CubeIDE裸机驱动例程\CubeIDE_project\ 13 RNG。
20.3.1 程序流程图
下面看看本实验的程序流程图：

3f99ad887c3b4ee6917cf73ad6f407d4.png

图20.3.1. 1硬件随机数实验程序流程图

20.3.2 软件配置
1.新建和配置工程
本节实验可以在前面的串口通信实验的基础上实现，因为用到串口UART4，也可以重新新建一个新的工程。这里新建工程RNG，然后配置串口UART4和按键KEY0以及LED0，具体的配置步骤我们前面的实验章节都有介绍过，如果不记得配置步骤，大家可以回顾前面相关的实验章节。本节实验中，LED和按键只用到LED0和KEY0，其它LED和按键没有用到，如果直接使用前面BSP文件夹里的led.c、led.h、ket.h和key.c文件的话，可以直接将其他LED和按键也一起配置了。
（1）GPIO配置
LED0和KEY0配置如下：

6026e638dc554e4c91e2b8cbf73b5984.png

图20.3.2. 1 LE0和KEY0配置
UART4配置如下：

36ba603f8cb54816aca9fdbdf933934a.png

图20.3.2. 2 UART4配置
（2）NVIC配置：
UART4参数使用默认配置：

b45bbd9b64fe4fd7bc948b3f36a46d80.png

图20.3.2. 3 UART4参数配置
我们使用串口中断，先开启串口全局中断，

aff30c544ad14d4c9f14cfed35b2ee6b.png

图20.3.2. 4 开启UART4全局中断
串口中断优先级配置如下：

db52ac267c8f49ebb3e187bc94548cae.png

图20.3.2. 5 配置UART4中断优先级
下面，我们直接配置RNG2：
（3）配置RNG2
如果不知道RNG在哪里，可以直接搜索RNG2：

e05425cfce294f51905b95680b4fe1ba.png

图20.3.2. 6 查找RNG2
在SecurityRNG2下找到RNG2的配置，按照如下图配置，先勾选Cortex-M4，再选择Activated，即激活随机数发生器。其它配置保持默认，实际上RNG没有其它参数需要配置的。这里，我们不开启时钟错误检测：

8dd3bd6af05e4d27a6937c253dc616d1.png

图20.3.2. 7 配置RNG2
（4）配置时钟
RRNG2时钟默认采用CSI的时钟，其它时钟也可以保持默认配置。这里就保持和前面一样的配置，配置PCLK1最大为104.5MHz：

9f8297fe596f4fd78beb8d7e754ed18d.png

图20.3.2. 8 配置时钟
（5）配置生成独立的.c和.h文件

55ab73bf94e04d18957f0d18b8bb892a.png

图20.3.2. 9配置生成独立的文件
2. 生成工程
以上的配置检查无误后，按下键盘的“Ctrl+S”组合键保存配置并生成工程。将前面按键实验用到的BSP文件夹拷贝到本工程的Src目录下，只留下按键和LED相关的代码：

88b0fa359fe243bd9466ab8773b12d19.png

图20.3.2. 10生成工程
3. 添加用户代码
上一步操作中，我们已经将BSP文件夹拷贝到了工程中，因为本节实验只用到LED0和KEY0相关的代码，所以将其它LED1和按键的代码注释掉。当然，也可以在STM32CubeMX上将LED1和其它按键也一起配置了，这样就不需要注释这些代码了，或者也可以自己重新手动编写这部分代码。
（1）key.h、key.c、led.c和led.h的代码比较简单，这里就不列出来了，大家可以直接参考本工程中的代码。
（2）串口相关的代码可直接参考前面串口通信实验章节部分，这里就不再列出来了。
（3）RNG2初始化代码已经在rng.c文件中生成了，代码比较简单，如下：

  1. #include "rng.h"

  3. RNG_HandleTypeDef hrng2; /* RNG2句柄 */

  5. /**
  6. * @brief       RNG底层驱动，初始化RNG2
  7. * @note        此函数会被HAL_RNG_Init()调用
  8. * @param       hrng:RNG句柄
  9. * @retval      无
  10. */
  11. void MX_RNG2_Init(void)
  12. {
  13.   hrng2.Instance = RNG2; /* RNG2 */
  14.   hrng2.Init.ClockErrorDetection = RNG_CED_DISABLE; /* 关闭时钟错误检查 */
  15.   if (HAL_RNG_Init(&hrng2) != HAL_OK) /* 初始化RNG2 */
  16.   {
  17.     Error_Handler();
  18.   }

  20. }
  21. /**
  22. * @brief       RNG底层驱动，时钟源设置和使能
  23. * @note        此函数会被HAL_RNG_Init()调用
  24. * @param       hrng:RNG2句柄
  25. * @retval      无
  26. */
  27. void HAL_RNG_MspInit(RNG_HandleTypeDef* rngHandle)
  28. {
  29.   RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};
  30.   if(rngHandle->Instance==RNG2)
  31.   {
  32.   if(IS_ENGINEERING_BOOT_MODE())
  33.   {
  34.       /* 外设外RNG2 */
  35.     PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_RNG2;
  36.     /* 时钟源设置为CSI */
  37.     PeriphClkInit.Rng2ClockSelection = RCC_RNG2CLKSOURCE_CSI;
  38.     /* 初始化RCC扩展外设时钟，也就是RNG2时钟 */
  39.     if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK)
  40.     {
  41.       Error_Handler();
  42.     }
  43.   }
  44.     __HAL_RCC_RNG2_CLK_ENABLE(); /* 使能RNG2时钟 */
  45.   }
  46. }
  47. /**
  48. * @brief       RNG底层驱动反初始化函数
  49. * @note        如果需要，可以调用此函数
  50. * @param       hrng:RNG句柄
  51. * @retval      无
  52. */
  53. void HAL_RNG_MspDeInit(RNG_HandleTypeDef* rngHandle)
  54. {
  55.   if(rngHandle->Instance==RNG2)
  56.   {
  57.     __HAL_RCC_RNG2_CLK_DISABLE();/* 关闭RNG2时钟，即关闭RNG2 */
  58.   }
  59. }
  60.         （4）手动添加获取随机数的代码
  61.         在rng.c文件中添加如下代码：
  62. /* USER CODE BEGIN 1 */
  63. /**
  64. * @brief       得到随机数
  65. * @param       无
  66. * @retval      获取到的随机数(32bit)
  67. */
  68. uint32_t rng_get_random_num(void)
  69. {
  70.     uint32_t randomnum;
  71.     HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&hrng2, &randomnum);
  72.     return randomnum;
  73. }

  75. /**
  76. * @brief       得到某个范围内的随机数
  77. * @param       min,max: 最小,最大值.
  78. * @retval      得到的随机数(rval),满足:min<=rval<=max
  79. */
  80. int rng_get_random_range(int min, int max)
  81. {
  82.     uint32_t randomnum;
  83.     HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&hrng2, &randomnum);
  84.     return randomnum%(max-min+1) + min;
  85. }
  86. /* USER CODE END 1 */
复制代码

以上代码比较简单，主要是通过HAL库中的HAL_RNG_GenerateRandomNumber函数获取随机数。rng_get_random_num函数主要是获取随机数，rng_get_random_range主要是返回某个范围内的随机数。
（5）修改main.c文件

  1. #include "main.h"
  2. #include "rng.h"
  3. #include "usart.h"
  4. #include "gpio.h"

  6. /* USER CODE BEGIN Includes */
  7. #include "./BSP/Include/led.h"
  8. #include "./BSP/Include/key.h"
  9. /* USER CODE END Includes */

  11. void SystemClock_Config(void);

  13. int main(void)
  14. {
  15.   HAL_Init();
  16.   if(IS_ENGINEERING_BOOT_MODE())
  17.   {
  18.     SystemClock_Config();
  19.   }
  20.   MX_GPIO_Init();
  21.   MX_RNG2_Init();
  22.   MX_UART4_Init();
  23.   /* USER CODE BEGIN 2 */
  24.   /* printf("请输入字符，并按下回车键结束\r\n"); */
  25.       HAL_UART_Receive_IT(&huart4,&RxBuffer,1);/* 以中断方式接收函数 */
  26.   /* USER CODE END 2 */
  27.   while (1)
  28.   {
  29.     /* USER CODE BEGIN 3 */
  30.       uint32_t random;
  31.       uint8_t t = 0, key;
  32.       key = key_scan(0);
  33.       if (key == KEY0_PRES)
  34.           {
  35.              random = rng_get_random_num();
  36.              printf("Random Num:%lu\r\n", random);
  37.            }
  38.        if ((t % 20) == 0)
  39.            {
  40.              t = 0;
  41.              LED0_TOGGLE();                    /* 每200ms,翻转一次LED0 */
  42.              random = rng_get_random_range(0, 9);/* 取[0,9]区间的随机数 */
  43.              printf("Random Num[0-9]:%lu\r\n", random);
  44.             }
  45.               HAL_Delay(10);
  46.               t++;
  47.   }
  48.   /* USER CODE END 3 */
  49. }
复制代码

以上代码中，每隔200ms会自动打印一次[0,9]区间的随机数，同时LED0会翻转一次。如果有按键按下，那么串口就会打印获取到的随机数。

20.4 编译和测试
编译无报错，测试结果如下：

96b8c0d3c0f34914bc71d09b3936bfb2.png

图20.4. 1测试结果
————————————————
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