【兆易GD32H759I-EVAL】 硬件随机数试验

尹小舟

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真随机数生成器（TRNG）

简介

• 真随机数生成器（TRNG）：与传统的伪随机数生成器（PRNG）不同，TRNG基于物理过程（如模拟噪声）来生成随机数，因此其输出在理论上不可预测且不可重复。
• NIST SP800-90B标准：这是一个由美国国家标准技术研究院（NIST）制定的标准，用于指导随机数和伪随机数的生成、使用和统计测试。

主要特征

1. LFSR模式和NIST模式：

   • LFSR模式：基于线性反馈移位寄存器（Linear Feedback Shift Register）的伪随机数生成模式。由于它是基于算法的，所以生成的随机数不是真正的随机，但在许多应用中可以作为随机数的近似。
   • NIST模式：遵循NIST SP800-90B标准的真随机数生成模式。它基于物理过程（如模拟噪声）来生成随机数。

2. 随机数产生速率：

   • LFSR模式下：两个连续随机数的间隔大约为40个TRNG_CLK时钟周期，每次产生32位随机数。
   • NIST模式下：每次可产生32位 * 4或32位 * 8的随机数。

3. NIST SP800-90B标准健康测试：TRNG模块支持NIST推荐的统计测试，以确保生成的随机数满足随机性要求。

4. 健康测试功能及错误标志：TRNG模块具有内置的健康测试功能，如果检测到随机数不满足随机性要求，将设置相关的错误标志。

5. 功耗管理：关闭TRNG模块可以一定程度上降低功耗，这在不需要频繁生成随机数的应用中是有用的。

6. 128位随机数种子：通过模拟信号噪声生成128位随机数种子，用于在NIST模式下初始化或重新初始化随机数生成过程。这有助于确保即使在同一设备上，每次启动或重新初始化TRNG时都能获得不同的随机数序列。

实验代码

#include "gd32h7xx.h"
#include "gd32h759i_eval.h"
#include "systick.h"
#include <stdio.h>



/*!
    \brief      enable the CPU cache
    \param[in]  none
    \param[out] none
    \retval     none
*/
void cache_enable(void)
{
    /* enable I-Cache */
    SCB_EnableICache();

    /* enable D-Cache */
    SCB_EnableDCache();
}

/**
 * [url=home.php?mod=space&uid=159083]@brief[/url] 检查随机数准备状态
 * @param       无
 * @retval      0, 随机数有效;
 *              1, 随机数无效;
 */
uint8_t trng_ready_check(void)
{
    uint32_t timeout = 0;
    FlagStatus trng_flag = RESET;

    while((RESET == trng_flag) && (0xFFFF > timeout))   /* 检查随机数是否有效 */
    {
        timeout++;
        trng_flag = trng_flag_get(TRNG_FLAG_DRDY);
    }   
    
    if (SET == trng_flag)                               /* 随机数有效 */
    {
        if (RESET == trng_flag_get(TRNG_FLAG_CECS))     /* 当前是否检测到时钟错误 */
        {
            if (RESET == trng_flag_get(TRNG_FLAG_SECS)) /* 当前是否检测到种子错误 */
            {
                return 0;
            }
        }
    }
     
    printf("error occurred! : %x \r\n", TRNG_STAT);     /* 查看TRNG状态寄存器内容 */ 
   
    return 1;
}

/**
 * @brief       初始化TRNG
 * @param       无
 * @retval      0,成功;1,失败
 */
uint8_t trng_init(void)
{    
    uint8_t reval = 0;
    
    /* TRNG时钟配置 */
    rcu_osci_on(RCU_IRC48M);                         /* 打开IRC48M振荡器 */

    if (ERROR == rcu_osci_stab_wait(RCU_IRC48M))     /* 等待IRC48M振荡器时钟稳定 */ 
    {
        return  1;
    } 
    
    rcu_ck48m_clock_config(RCU_CK48MSRC_IRC48M);     /* 选择IRC48M作为CK48M时钟的时钟源 */ 
    
    rcu_periph_clock_enable(RCU_TRNG);               /* 使能TRNG时钟 */   

    trng_deinit();                                   /* 复位TRNG */
    
    trng_conditioning_reset_enable();                /* 复位逻辑训练单元使能 */
    trng_mode_config(TRNG_MODSEL_LFSR);              /* 配置TRNG工作在LFSR模式 */
    trng_conditioning_disable();                     /* 失能TRNG训练单元 */
    
    trng_enable();                                   /* 使能TRNG接口 */   
    
    reval = trng_ready_check();                      /* 检查随机数是否准备就绪 */
    
    return reval;
}



/**
 * @brief       得到真随机数
 * @param       无
 * @retval      获取到的真随机数(32bit)
 */
uint32_t trng_get_random_num(void)
{
    uint32_t random_data;

    while (SUCCESS == trng_ready_check());           /* 等待随机数准备就绪 */
    
    random_data = trng_get_true_random_data();       /* 获取真随机值 */

    return random_data;
}

/**
 * @brief       得到某个范围内的随机数
 * @param       min,max: 区间最小,最大值.
 * @retval      得到的随机数(rval),满足:min<=rval<=max
 */
int trng_get_random_range(int min, int max)
{ 
    uint32_t random_data;

    while (SUCCESS == trng_ready_check());           /* 等待随机数准备就绪 */
  
    random_data = trng_get_true_random_data();       /* 获取真随机值 */

    return random_data % (max - min + 1) + min;
}


/*!
    \brief      main function
    \param[in]  none
    \param[out] none
    \retval     none
*/
int main(void)
{
	  uint32_t random;
    /* enable the CPU Cache */
    cache_enable();
	  uint8_t x  = 0;
	  gd_eval_com_init(EVAL_COM);
	  printf(" address = %02x\n\r", x);
    gd_eval_led_init(LED1);
    
	  trng_init();


    while(1) {
			gd_eval_led_toggle(LED1);
      random = trng_get_random_num();                        /* 获取一次随机数 */
		  printf(" random_num  %d\n\r",   random);
		  random = trng_get_random_range(0, 100);                  /* 取[0,9]区间的随机数 */
		  printf(" random_range  %d\n\r", random);
    }
}

/* retarget the C library printf function to the USART */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    usart_data_transmit(EVAL_COM, (uint8_t)ch);
    while(RESET == usart_flag_get(EVAL_COM, USART_FLAG_TC));

    return ch;
}

 

实验现象

 

 

 

lugl4313820

他生成随数的性能是如何来评估的呢，有没有跟竞品对比一下。

秦天qintian0303

TRNG基于物理过程（如模拟噪声）来生成随机数，这个范围有限制吗

尹小舟

秦天qintian0303 发表于 2024-7-1 10:00 TRNG基于物理过程（如模拟噪声）来生成随机数，这个范围有限制吗

有限制，寄存器大小是固定的

尹小舟

lugl4313820 发表于 2024-7-1 06:36 他生成随数的性能是如何来评估的呢，有没有跟竞品对比一下。

这个还测试啥性能啊，一般应用不考虑这个的性能吧