《STM32MP1 M4裸机CubeIDE开发指南 V1.5.2》第二十章 硬件随机数实验

正点原子

1）实验平台：正点原子STM32MP157开发板
2) 章节摘自【正点原子】STM32MP1 M4裸机CubeIDE开发指南 V1.5.2
3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=631745687288
4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/arm-linux/zdyzmp157.html1.0.0 文档
5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890
6）STM32MP157技术交流QQ群:703341432

第二十章 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。
本章分为如下几个小节：
20.1、 随机数发生器简介；
20.2、 硬件设计；
20.3、 软件设计；
20.4、 编译和测试；
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：
HAL_StatusTypeDef HAL_RNG_Init(RNG_HandleTypeDef *hrng);
●        函数描述：
        用于初始化RNG。
●        函数形参：
        形参1是RNG_HandleTypeDef结构体类型指针变量，其定义如下：
typedef struct
{
  RNG_TypeDef                   *Instance;    /* RNG基地址 */
  RNG_InitTypeDef               Init;         /* RNG初始化配置结构体 */
  HAL_LockTypeDef               Lock;         /* RNG锁设置 */
  __IO HAL_RNG_StateTypeDef   State;        /* RNG设备访问状态 */
  __IO  uint32_t                ErrorCode;    /* RNG错误代码 */
  uint32_t                      RandomNumber; /* RNG最后生成的随机数 */
} RNG_HandleTypeDef;
        1）Instance：指向RNG寄存器基地址。
        2）Init：是的RNG初始化结构体，其结构体类型RTC_InitTypeDef定义如下：
typedef struct
{
  uint32_t            ClockErrorDetection; /* CED时钟错误检测 */
} RNG_InitTypeDef;
        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）

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SecurityRNG2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：
#include "rng.h"

RNG_HandleTypeDef hrng2; /* RNG2句柄 */

/**
* @brief       RNG底层驱动，初始化RNG2
* @note        此函数会被HAL_RNG_Init()调用
* @param       hrng:RNG句柄
* @retval      无
*/
void MX_RNG2_Init(void)
{
  hrng2.Instance = RNG2; /* RNG2 */
  hrng2.Init.ClockErrorDetection = RNG_CED_DISABLE; /* 关闭时钟错误检查 */
  if (HAL_RNG_Init(&hrng2) != HAL_OK) /* 初始化RNG2 */
  {
    Error_Handler();
  }

}
/**
* @brief       RNG底层驱动，时钟源设置和使能
* @note        此函数会被HAL_RNG_Init()调用
* @param       hrng:RNG2句柄
* @retval      无
*/
void HAL_RNG_MspInit(RNG_HandleTypeDef* rngHandle)
{
  RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};
  if(rngHandle->Instance==RNG2)
  {
  if(IS_ENGINEERING_BOOT_MODE())
  {
      /* 外设外RNG2 */
    PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_RNG2;
    /* 时钟源设置为CSI */
    PeriphClkInit.Rng2ClockSelection = RCC_RNG2CLKSOURCE_CSI;
    /* 初始化RCC扩展外设时钟，也就是RNG2时钟 */
    if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK)
    {
      Error_Handler();
    }
  }
    __HAL_RCC_RNG2_CLK_ENABLE(); /* 使能RNG2时钟 */
  }
}
/**
* @brief       RNG底层驱动反初始化函数
* @note        如果需要，可以调用此函数
* @param       hrng:RNG句柄
* @retval      无
*/
void HAL_RNG_MspDeInit(RNG_HandleTypeDef* rngHandle)
{
  if(rngHandle->Instance==RNG2)
  {
    __HAL_RCC_RNG2_CLK_DISABLE();/* 关闭RNG2时钟，即关闭RNG2 */
  }
}
        （4）手动添加获取随机数的代码
        在rng.c文件中添加如下代码：
/* USER CODE BEGIN 1 */
/**
* @brief       得到随机数
* @param       无
* @retval      获取到的随机数(32bit)
*/
uint32_t rng_get_random_num(void)
{
    uint32_t randomnum;
    HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&hrng2, &randomnum);
    return randomnum;
}

/**
* @brief       得到某个范围内的随机数
* @param       min,max: 最小,最大值.
* @retval      得到的随机数(rval),满足:min<=rval<=max
*/
int rng_get_random_range(int min, int max)
{
    uint32_t randomnum;
    HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&hrng2, &randomnum);
    return randomnum%(max-min+1) + min;
}
/* USER CODE END 1 */
        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
#include "main.h"
#include "rng.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

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

void SystemClock_Config(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  if(IS_ENGINEERING_BOOT_MODE())
  {
    SystemClock_Config();
  }
  MX_GPIO_Init();
  MX_RNG2_Init();
  MX_UART4_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  /* printf("请输入字符，并按下回车键结束\r\n"); */
      HAL_UART_Receive_IT(&huart4,&RxBuffer,1);/* 以中断方式接收函数 */
  /* USER CODE END 2 */
  while (1)
  {
    /* USER CODE BEGIN 3 */
      uint32_t random;
      uint8_t t = 0, key;
      key = key_scan(0);
      if (key == KEY0_PRES)
          {
             random = rng_get_random_num();
             printf("Random Num:%lu\r\n", random);
           }
       if ((t % 20) == 0)
           {
             t = 0;
             LED0_TOGGLE();                    /* 每200ms,翻转一次LED0 */
             random = rng_get_random_range(0, 9);/* 取[0,9]区间的随机数 */
             printf("Random Num[0-9]:%lu\r\n", random);
            }
              HAL_Delay(10);
              t++;
  }
  /* USER CODE END 3 */
}
        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