硬件随机数实验
& I: B% ^3 }. @: ]0 @: L; q: Q5 J. e( I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。

5 R* v9 q/ ]' e. n. X5 N2 V20.1 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
% q* n6 P! U1 L8 a4 |( o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：
5 m0 @: z* B2 t1 M
  ~* X, b; k2 @
6 Y* l* j/ x7 `- Y
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。
- z) @$ @) e; V- h; P  \0 [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：
: h: a" U+ M- {+ S, @0x0: csi_ker_ck
* y$ k* x1 v) ]3 _0x1: pll4_r_ck
5 C+ `* c/ }' D0 P& h; ]1 I; O0x2: lse_ck clock
0x3: lsi_ck
1 f9 c- y9 n, `7 R( D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：

% b) T* x% H4 D& E* r9 j: K) [
* |2 T4 v% G: ~' g; K
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。


6 u. t, m! x" E5 J5 J7 D0 X& i( Z( ~
9 N- w& l9 T# Z% K5 m, q图20.1.1. 3 RNG时钟
. I. }2 z: c5 \1 q$ sRCC_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：

' Z$ l* `! t* B  l
  a9 q. K4 C8 C  }
) h- ~1 Z9 t9 c) p6 L1 A6 A表20.1.1. 1 RNG内部输入/输出信号
/ m% P9 m, Z( u+ M$ M5 USTM32MP157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
& Z& |* [. t+ w/ j% D1.RNG控制寄存器（RNG_CR）
. [- E+ l" ]+ L: G/ O/ XRNG控制寄存器描述如下图所示：

% M5 \% x3 Z& n- Q0 U7 L

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）
4 L1 ]5 r% c, t. B, `RNG状态寄存器描述如下图所示：

" ~" z# [; R: h* _8 `
: q1 v6 o3 W8 m  [; ^7 \
图20.1.2. 2 RNG_SR寄存器
! [* f! q1 ?2 q+ ]( R6 |8 v/ L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。
8 O/ \; i9 b0 d# U- w8 q5 n( H8 B  `6 N3. RNG数据寄存器（RNG_DR）
& H$ f3 @. C% S# c  |: {; y" vRNG数据寄存器描述如下图所示：
+ R. X2 @* K; d& `9 G
; L6 ?9 r) K- c
! N; Y6 ^( a9 a3 o) J0 \
( F; k  Y( g$ R: G6 n: P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。
9 P) d" r: P. C, h1 Y1 Q
# u) E$ }6 A  L: v  ]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。
! F; E- K( G  Y) s9 B6 X4 P  H8 j8 `1.HAL_RNG_Init函数
1 _( Q8 ]. T. j+ J+ F  URNG的初始化函数，其声明如下：
* P2 l" w/ @! a3 r5 H: k; E( ~

1. HAL_StatusTypeDef HAL_RNG_Init(RNG_HandleTypeDef *hrng);
   4 d, F- M; x. z) s4 i4 M: k, Z1 ~3 I7 p
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
   3 Y! M0 \. {- a9 ~( j- ?2 v
7. {
   $ ^' o  U( ?' T0 X* c. G5 E& i
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 */
    " s6 \  ?, L$ t$ R) D
13.   uint32_t                      RandomNumber; /* RNG最后生成的随机数 */
    ; F! h4 r9 ~7 `3 W- _' ?
14. } RNG_HandleTypeDef;
    2 v  h, c2 A8 I6 _( }# i0 h
15.         1）Instance：指向RNG寄存器基地址。
    , |' s2 O& [3 O" E- E
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 */
    2 P' m! V1 W9 l5 Y+ N, H+ W
20. } RNG_InitTypeDef;

复制代码

2 M. d8 ?/ c, b- B, D3）Lock：用于配置锁状态。
4）State：RNG设备访问状态。
+ `1 K8 G7 t) T- U# w* @5）ErrorCode ：RNG错误代码
6）RandomNumber ：该变量存储RNG最后生成的随机数

' m; ~* q% f4 f' R●函数返回值：
3 s. L! A' g$ E5 HHAL_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：
0 x' ~4 f/ J4 B* Z! o" [+ }4 zHAL_StatusTypeDef HAL_RNG_GenerateRandomNumber(RNG_HandleTypeDef *hrng,
uint32_t *random32bit);
5 c: M/ b1 K3 U" L- Q●函数描述：
3 B! T; P+ c- C, |' s1 F( T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。

$ a# G% U9 X& ?2 u! U/ a20.2 硬件设计
2 H+ Y( J, ^. f1 c! Q0 G0 x1.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。
; r. t; ^; w2 H) Y; T2.硬件资源
6 u, ], g$ U# m. ], A1）LED灯：LED0
2）独立按键 KEY0
3）串口4
4）RNG（硬件随机数生成器）
2 \. M. S: O$ J* C2 tLED0 KEY0 UART4_TX UART4_RX
PI0 PG3 PG11 PB2
表20.2. 1 硬件资源
: ?5 L) Q3 \4 X  G9 t0 e3.原理图
RNG属于STM32MP157内部资源，通过软件设置好就可以了。
4 |# n$ y# B, {: }# X( G" r8 N
1 X8 C5 S1 u/ [- G# m9 W( \. ]) V20.3 软件设计
8 C5 w% A: {) P% _* \3 g: N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。
7 v/ w) [8 A4 p0 k+ q' ^. ]+ y( i20.3.1 程序流程图
- P5 S0 G7 c8 M' J下面看看本实验的程序流程图：

6 Z. g4 u6 E9 K, Y$ I. j

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
7 g( L! j3 Z, @5 h0 u& G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。
( c8 e3 N1 ~7 D) T6 H" K. N! S1 d（1）GPIO配置
LED0和KEY0配置如下：
: u! G5 I' l; ~. v
8 N& ]5 C. k+ p9 e
: M3 |2 X. Y  e* `6 y4 I
图20.3.2. 1 LE0和KEY0配置
UART4配置如下：
/ z3 g: h$ c- m  z; W0 C; J2 [7 q: J
4 X0 h0 F  s% p5 m/ L. }$ ?+ |
. E- h- M3 e; }3 r. T
图20.3.2. 2 UART4配置
（2）NVIC配置：
UART4参数使用默认配置：


" N  |/ y% }, ?& s4 P# s( H; V
; Y# U. l. _" Y  ^6 _2 B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：
- }; \, K5 N% J; C. {" e4 ~% u
$ r7 k6 l2 g# g

, b: H* S) v) t3 X: u! Z# U- F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
$ G% E6 G5 r- z& Z  c# m6 @$ R如果不知道RNG在哪里，可以直接搜索RNG2：


: a0 \) z+ i% D! o' W5 F" a) C% v
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：
" r# x$ \% N; g  c$ a3 u

* o( I6 E6 T6 }1 r9 u8 F  [. q
% l+ i& a1 E, i: ]图20.3.2. 7 配置RNG2
( ?5 X. g/ `% p. i0 C( }5 Q& y（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：
/ @5 g" m& c4 d  m) h7 G

: ~/ X. W2 X, `
) y, a6 {( ]/ P. R/ U$ q图20.3.2. 8 配置时钟
$ E7 O, \. {! O9 J% x9 c（5）配置生成独立的.c和.h文件

7 C) B! C7 i1 [, N' ^. y: q
, M9 M( A- h* N
5 U( b( n; E$ E; ]4 r" q( D图20.3.2. 9配置生成独立的文件
+ c+ S! \! t+ E+ S9 X9 k1 R  F2. 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 t7 _5 b- O3 M! R（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。
8 W, S) Q& t" {& e  a9 u: f& K（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。
( {2 c+ F7 R! F: a" K# ~+ t（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：
) g* z2 U% C2 Z7 t8 m

1. #include "rng.h"
   3 q% y( z7 a& F$ I/ ?2 X+ n. E. E
2. 
   
3. RNG_HandleTypeDef hrng2; /* RNG2句柄 */
   
4. 
   
5. /**
   
6. * @brief       RNG底层驱动，初始化RNG2
     E" J0 O" Q4 {  R0 J( x5 j: x, y" V
7. * @note        此函数会被HAL_RNG_Init()调用
   4 y0 h  j$ p0 a+ u: [( F5 m
8. * @param       hrng:RNG句柄
   ( g) c! A7 f; S* }
9. * @retval      无
   
10. */
    : t3 s, U/ m7 U, ^. f6 n
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 */
    * |( F, a5 s% Z
15.   if (HAL_RNG_Init(&hrng2) != HAL_OK) /* 初始化RNG2 */
    
16.   {
    4 z1 ]9 j. A" `4 Z9 h7 Z( {$ k
17.     Error_Handler();
    
18.   }
    3 g( b/ r6 [3 V& m
19. 
    & k8 u4 _- P/ q6 ^# ]2 M7 {: `! |
20. }
    
21. /**
    ! @6 P, \" k8 U- h" n
22. * @brief       RNG底层驱动，时钟源设置和使能
    ! U9 s, N% @: R9 s3 p7 v/ g
23. * @note        此函数会被HAL_RNG_Init()调用
    
24. * @param       hrng:RNG2句柄
    
25. * @retval      无
    2 M3 P2 Z3 U* L: H  W
26. */
    4 u8 S9 W( J! r5 l
27. void HAL_RNG_MspInit(RNG_HandleTypeDef* rngHandle)
    3 @& ]3 F6 \, i+ g4 w! [
28. {
    - a  u% t/ n6 y8 B
29.   RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};
    
30.   if(rngHandle->Instance==RNG2)
    
31.   {
    ( ~/ ?' c; h) @! U  W( x7 t
32.   if(IS_ENGINEERING_BOOT_MODE())
    / Q9 J3 \0 j; E6 S$ E. p
33.   {
    2 L: e4 Q* x: M+ x( Y+ X
34.       /* 外设外RNG2 */
    7 d0 {" U* j/ M# K* E# ~9 d7 V
35.     PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_RNG2;
    & }( y0 `3 ?3 m  i( ]  |! C9 P
36.     /* 时钟源设置为CSI */
    8 h  }1 X; P  ]
37.     PeriphClkInit.Rng2ClockSelection = RCC_RNG2CLKSOURCE_CSI;
    4 ]6 P$ Q! K" m2 e! q7 S
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();
    9 d# U3 b* w5 |" _9 r; J
42.     }
    , m- ^* ^; \: p1 w" ?+ v
43.   }
    ' O4 K9 i4 r( Z* ]5 D
44.     __HAL_RCC_RNG2_CLK_ENABLE(); /* 使能RNG2时钟 */
    
45.   }
    
46. }
    
47. /**
    # {8 [) S9 L" |7 [, C0 ^4 f
48. * @brief       RNG底层驱动反初始化函数
    ' `4 i, K5 u7 T
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)
    ! e  P9 I4 j! @$ P  P
54. {
    
55.   if(rngHandle->Instance==RNG2)
    
56.   {
    6 x  A. f, Z. L" W& w! N- r
57.     __HAL_RCC_RNG2_CLK_DISABLE();/* 关闭RNG2时钟，即关闭RNG2 */
    
58.   }
    % M" s; [0 L. n6 I2 {* O
59. }
    4 z) ^( Z4 q  `
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
    " o5 r: Q* J* j2 Q3 T! j/ g: R% @
66. * @retval      获取到的随机数(32bit)
    9 l& e5 E$ ]; u* }
67. */
    
68. uint32_t rng_get_random_num(void)
    
69. {
    
70.     uint32_t randomnum;
    
71.     HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&hrng2, &randomnum);
    
72.     return randomnum;
    
73. }
    
74. 
    " p, d2 {( X' m  x& R. V' s+ h
75. /**
    
76. * @brief       得到某个范围内的随机数
    & S7 ]  T5 g1 v  J3 v6 k
77. * @param       min,max: 最小,最大值.
    - T& B4 C! @- F: G5 F7 a
78. * @retval      得到的随机数(rval),满足:min<=rval<=max
    3 [7 ^$ L/ B- `6 ?1 M; {
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
7 y: X" p% A6 e1 ]% U

1. #include "main.h"
   9 ]0 P4 U: q+ Y' @
2. #include "rng.h"
   $ Y( n3 ]$ O# u( e. `) y
3. #include "usart.h"
   ; D' r8 i2 y# v% A6 e. l. @
4. #include "gpio.h"
   6 @& O* Q8 ?; j7 h8 _
5. 
   
6. /* USER CODE BEGIN Includes */
   " {2 P5 P! b& {  S. R
7. #include "./BSP/Include/led.h"
   
8. #include "./BSP/Include/key.h"
   * b' m& M" ~  V3 C8 m
9. /* USER CODE END Includes */
   
10. 
    
11. void SystemClock_Config(void);
    & I# }" b6 D: ~1 O
12. 
    
13. int main(void)
    
14. {
    
15.   HAL_Init();
    # ]- l: }2 Z$ U0 N% h$ ]: Y
16.   if(IS_ENGINEERING_BOOT_MODE())
    
17.   {
    9 r1 s& n3 \$ {  H- l$ R2 A
18.     SystemClock_Config();
    
19.   }
      S9 `8 M. ]4 a
20.   MX_GPIO_Init();
    ! H) T3 w/ l  {. I- {
21.   MX_RNG2_Init();
    / l6 ?0 W( n. h3 S( H5 x/ ~
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.   {
    4 m; t6 g- q+ V" i# {& b5 V7 Q
29.     /* USER CODE BEGIN 3 */
    
30.       uint32_t random;
    
31.       uint8_t t = 0, key;
    $ L+ Z4 J% V* S4 _- Y
32.       key = key_scan(0);
    
33.       if (key == KEY0_PRES)
    ! C' M4 }+ n4 U% S# e
34.           {
    0 e, ?4 @9 {1 p$ J. ~
35.              random = rng_get_random_num();
      ]2 r$ U  G7 T: E2 a/ q1 c! }
36.              printf("Random Num:%lu\r\n", random);
    
37.            }
    
38.        if ((t % 20) == 0)
    , L! M- ]" W# q; m" l
39.            {
    
40.              t = 0;
    
41.              LED0_TOGGLE();                    /* 每200ms,翻转一次LED0 */
    " G& X) R+ |( J: v1 D
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);
    5 u1 E& j8 t3 F1 l. L
44.             }
    . ?' ?& B; u' {
45.               HAL_Delay(10);
    9 k% @) c. ?) p3 V- W
46.               t++;
    * U( o; Z" D  Y4 b" w/ }; W1 d
47.   }
    7 h4 v/ s; x- [& ^2 d0 j( a+ C
48.   /* USER CODE END 3 */
    % U/ B/ \! y3 D' P
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。
# x, O# k' `! p) `
20.4 编译和测试
; S3 @3 @/ S/ z' J4 m. w6 O4 {编译无报错，测试结果如下：
, U# w" k# D% ]" s

# b4 U4 s! i& r6 w
图20.4. 1测试结果
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版权声明：正点原子


! G* U) p1 L: [/ o$ }