【STM32H5 评测】Part3 STM32H5E5 密码学加速性能测试

H5E5这个型号，虽然有H5全系标配的密码学硬件（RNG PKA HASH obkey等），但它不是主打安全的型号，缺少AES SAES等对称加密硬件。最容易令人迷惑的是，E5虽然有PKA（支持RSA 、ECDSA等非对称加密）硬件，但是却只有一半功能，E5的PKA只能验签，不能签名。虽然但是，E5也足够应对绝大多数安全场景的需求了，签名在云端服务器或工厂的计算机上做就可以，终端产品主要是验签。

1. 测试对象

• 芯片：STM32H5E5ZJ（NUCLEO-H5E5ZJ 开发板）
• 核心主频：HCLK = 250 MHz
• 被测外设：RNG（硬件随机数）、HASH（SHA-256 硬件加速）、PKA（公钥加速器）

2. 测试目标

1. 验证 RNG、HASH、PKA 三个密码学外设的功能正确性
2. 测量各外设的运算耗时 / 吞吐速率

3. 测试步骤

3.1 CubeMX 配置外设生成代码框架

在 STM32CubeMX 中启用以下外设并生成代码：

外设	关键配置
RNG	时钟错误检测 CED 使能
HASH	算法 = SHA-256，数据格式 = All bytes reversed
PKA	默认（使能即可，无额外参数）

3.2 从 STM32Cube 固件库移植参考代码

从以下路径提取测试所需的曲线参数和测试向量：

文件	来源	内容
prime256v1.c/h	Projects/STM32H573I-DK/Examples/PKA/PKA_ECDSA_Sign	NIST P-256 曲线参数（素数 p、系数 A/B、生成元 G、阶 n）
sig_vectors.c/h	Projects/NUCLEO-H5E5ZJ/Examples/PKA/PKA_ECDSA_Verify	NIST CAVP [P-256, SHA-256] 签名验证测试向量（消息、公钥、签名 R/S、预期 hash）

4. 关键代码

4.1 RNG 随机数生成

static HAL_StatusTypeDef rng_bytes(uint8_t *out, uint32_t len)
{
  uint32_t val, i = 0;
  while (i < len)
  {
    if (HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&hrng, &val) != HAL_OK)
      return HAL_ERROR;
    uint8_t *p = (uint8_t *)&val;
    for (int b = 0; b < 4 && i < len; b++)
      out[i++] = p[3 - b];   /* big-endian */
  }
  return HAL_OK;
}

4.2 SHA-256 正确性 + 吞吐

/* correctness: 对比 NIST CAVP 预计算 hash */
HAL_HASH_Start(&hhash, (uint8_t *)SigVer_Msg, SigVer_Msg_len, hash_buf, 5000);
memcmp(hash_buf, SigVer_Hash_Msg, 32);

/* throughput: 8KB buffer 循环 40 次 */
for (int i = 0; i < 40; i++)
  HAL_HASH_Start(&hhash, big_msg, 8192, hash_buf, 5000);

4.3 ECDSA P-256 验签

PKA_ECDSAVerifInTypeDef v = {0};
v.primeOrderSize  = prime256v1_Order_len;
v.modulusSize     = prime256v1_Prime_len;
v.coefSign        = prime256v1_A_sign;
v.coef            = prime256v1_absA;
v.modulus         = prime256v1_Prime;
v.basePointX      = prime256v1_GeneratorX;
v.basePointY      = prime256v1_GeneratorY;
v.primeOrder      = prime256v1_Order;
v.pPubKeyCurvePtX = SigVer_Qx;      /* NIST 测试向量公钥 */
v.pPubKeyCurvePtY = SigVer_Qy;
v.RSign           = SigVer_R;
v.SSign           = SigVer_S;
v.hash            = SigVer_Hash_Msg;

HAL_PKA_ECDSAVerif(&hpka, &v, 10000);
HAL_PKA_ECDSAVerif_IsValidSignature(&hpka);

5. 测试结果

Release 版本（HCLK 250 MHz）实测数据：

#	测试项	指标	结果
1	RNG 256-bit 随机数	生成耗时	< 1 ms
2a	SHA-256 正确性	与 NIST CAVP 预计算 hash 对比	匹配
2b	SHA-256 吞吐	40 × 8KB = 320 KB	7 ms，44.6 MB/s
3	ECDSA P-256 验签（正向）	NIST CAVP 测试向量	12 ms，VALID
4	ECDSA P-256 验签（负向）	篡改 hash 后重验	12 ms，INVALID（预期）

6. 结论

1. RNG / HASH / PKA 硬件加速均工作正常，功能正确性与 NIST CAVP 参考向量一致。
2. SHA-256 吞吐约 44.6 MB/s（250 MHz），为纯软件实现的数量级以上。
3. ECDSA P-256 单次验签约 12 ms。
4. STM32H5E5 的 PKA 处于 Limited Mode（状态寄存器 PKA_SR_LMF 恒为 1），硬件仅支持 ECDSA 签名验证，不支持密钥对生成（ECCMul）和签名生成（ECDSASign）。签名功能需要选用 STM32H573 等带 Full PKA 的型号。

---

测试环境：CubeMX 生成框架 + HAL 库 + ARM GNU Toolchain 14.3.1，Release 优化，ICACHE 开启