
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: ![]() 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: ![]() 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。 ![]() 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: ![]() 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: ![]() 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: ![]() 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: ![]() 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:
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: ![]() 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: ![]() 图20.3.2. 1 LE0和KEY0配置 UART4配置如下: ![]() 图20.3.2. 2 UART4配置 (2)NVIC配置: UART4参数使用默认配置: ![]() 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, ![]() 图20.3.2. 4 开启UART4全局中断 串口中断优先级配置如下: ![]() 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: ![]() 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: ![]() 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: ![]() 图20.3.2. 8 配置时钟 (5)配置生成独立的.c和.h文件 ![]() 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: ![]() 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:
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
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: ![]() 图20.4. 1测试结果 ———————————————— 版权声明:正点原子 |
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