第三十四章 TRNG——真随机数
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在当今数字化时代，信息安全已成为嵌入式系统设计中不可忽视的关键因素。从物联网设备的身份认证到加密通信的密钥生成，高质量的随机数是构建安全系统的基石。W55MH32内置的真随机数生成器(TRNG)模块为开发者提供了硬件级别的随机数解决方案。
本文将通过W55MH32 TRNG的工作原理、应用场景、程序设计等方面对真随机数进行讲解。
1 TRNG概述
1.1 简介
TRNG（True Random Number Generator）即真随机数生成器，与伪随机数生成器（PRNG）不同，其随机性来源于物理噪声，而非确定性算法。W55MH32的TRNG模块利用芯片内部的物理噪声源（如热噪声、时钟抖动等）生成不可预测的随机数，适用于加密、安全认证、随机密钥生成等对随机性要求高的场景。
1.2 硬件结构
W55MH32的TRNG模块主要由以下部分组成：
- 噪声源：通常基于MOS管的热噪声或环形振荡器的抖动，产生原始随机信号。
- 放大与整形电路：增强噪声信号并转换为可处理的数字信号。
- 采样电路：对噪声信号进行采样，生成原始随机比特流。
- 熵累积器：收集采样得到的熵，积累足够的随机性。
- 随机数生成器：将累积的熵转换为可用的随机数（如32位整数）。
- 硬件测试与校准：确保噪声源正常工作，必要时进行校准。
1.3 真随机与伪随机的区别
随机数在计算机科学中主要分为两类——真随机和伪随机，其对比如下所示：
| 特性 | 真随机数(TRNG) | 伪随机数(PRNG) |
| 随机性来源 | 物理噪声（热噪声、时钟抖动） | 数学算法（如线性同余法） |
| 可预测性 | 不可预测（基于物理现象） | 理论上可预测（已知种子和算法） |
| 周期性 | 无周期性 | 存在周期性（周期长度取决于算法） |
| 硬件依赖 | 需要特定硬件模块 | 纯软件实现 |
| 应用场景 | 加密、安全认证、密码学 | 模拟、游戏、非安全场景随机数 |
1.4 工作流程
TRNG的工作流程可以分为以下几个关键步骤：
- 噪声采集阶段：多个环形振荡器同时工作，其输出频率的微小差异被捕获并放大。这些差异作为原始随机信号输入到后续处理电路。
- 数字化阶段：模拟的随机信号被采样并转换为数字比特流。采样过程通常使用高速时钟进行，确保捕获到足够的随机信息。
- 随机性增强阶段：原始数字信号可能存在统计偏差，需要通过算法进行后处理。W55MH32的TRNG使用一种称为"异或树"的结构，将多个环形振荡器的输出进行异或运算，增强随机性并消除可能的偏差。
- 质量检测阶段：生成的随机数经过实时统计测试，确保其符合随机性标准。W55MH32的TRNG实现了两种主要测试：
- 单比特频率测试：确保0和1的出现概率接近50%
- 游程测试：检测连续相同比特的长度是否符合随机分布
- 输出阶段：通过质量检测的随机数被存储在数据寄存器中，供CPU读取使用。当检测到质量问题时，TRNG会自动禁用输出并设置错误标志。
2 应用场景
- 加密密钥生成：为AES、RSA等加密算法生成初始密钥。
- 安全认证：生成随机挑战值（Challenge）用于身份验证。
- 随机数种子：为PRNG提供高质量的初始种子。
- 安全协议：如TLS握手、VPN密钥协商等场景。
- 游戏：需要高随机性的虚拟骰子、卡牌等应用。
3 注意事项
- 低功耗模式：在睡眠或停机模式下，TRNG可能停止工作，需重新初始化。
- 噪声源依赖性：温度、电压等环境因素可能影响噪声源强度，导致随机性波动。
- 验证测试：在关键应用中，建议对生成的随机数进行离线测试（如使用NIST测试工具）。
- 多线程安全：在RTOS环境中，访问TRNG时需加锁，避免竞争条件。
4 程序设计
4.1 TRNG_IntTest例程
TRNG_IntTest例程主要实现了基于W55MH32芯片的真随机数生成器（TRNG）中断测试功能。以下是实现过程和结果验证：
4.1.1 执行函数TRNG_Int()
TRNG的中断配置、TRNG输出使能、中断使能、随机种子设置和启动TRNG硬件主要在TRNG_Int()函数中实现：
void TRNG_Int(void)
{
NVIC_Configuration();
TRNG_Out(ENABLE);
TRNG_ITConfig(ENABLE);
TRNG_SetPseudoRandom(0X12345560);
TRNG_Start();
}
4.1.2 配置嵌套向量中断控制器
NVIC_Configuration()为中断配置函数：
void NVIC_Configuration(void)
{
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_SetPriorityGrouping(NVIC_PriorityGroup_1);
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TRNG_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}
该函数主要进行了如下配置：
- NVIC_PriorityGroup_1：表示使用优先级分组模式1，即：
- 抢占优先级占1位（0-1）
- 子优先级占3位（0-7）
- 中断参数配置：
- 中断源：TRNG_IRQn（真随机数生成器中断）
- 双重优先级机制：抢占优先级1可以打断更低抢占优先级的中断
- 子优先级1：相同抢占优先级时决定响应顺序
- 使能TRNG硬件中断通道
- NVIC初始化
4.1.3 使能TRNG输出功能
TRNG_Out()函数是TRNG初始化过程中的关键步骤，通过控制时钟来启用或禁用TRNG模块，从而间接控制随机数的生成：
void TRNG_Out(FunctionalState NewState)
{
if (NewState != DISABLE)
{
RCC->RCC_SYSCFG_CONFIG = 0x01;
SYSCFG->SYSCFG_LOCK = 0xCDED3526;
SYSCFG->SSC_CLK_EN |= TRNG_RNG_ENABLE;
}
else
{
RCC->RCC_SYSCFG_CONFIG = 0x00;
SYSCFG->SSC_CLK_EN &= ~TRNG_RNG_ENABLE;
}
}
当使能TRNG输出时，首先配置SYSCFG时钟域（RCC_SYSCFG_CONFIG=0x01），然后向锁定寄存器写入特定密钥（SYSCFG_LOCK=0xCDED3526）以解锁SYSCFG寄存器，最后设置安全系统时钟使能寄存器（SSC_CLK_EN）的对应位以开启TRNG时钟。
当失能输出时，则执行相反操作：清除时钟域配置并禁用TRNG时钟。这种设计通过时钟控制间接管理TRNG模块，是低功耗和安全设计的常见做法，其中锁定机制可防止意外修改寄存器。
4.1.4 使能TRNG中断
TRNG_ITConfig()是控制TRNG中断功能的函数，主要用于启用或禁用TRNG模块的中断机制：
void TRNG_ITConfig(FunctionalState NewState)
{
if (NewState != DISABLE)
{
TRNG->RNG_CSR |= TRNG_RNG_CSR_INTP_EN_Mask;
}
else
{
TRNG->RNG_CSR &= ~TRNG_RNG_CSR_INTP_EN_Mask;
}
}
当传入参数为ENABLE使能中断时，函数通过位操作（|=）将 TRNG 控制状态寄存器（RNG_CSR）中的中断使能位（TRNG_RNG_CSR_INTP_EN_Mask）置 1，允许 TRNG 在随机数生成完成或检测到错误时触发中断。
当传入为DISABLE失能中断时，则通过位操作（&= ~）清除该位，禁用中断功能。
4.1.5 设置伪随机数种子
通过TRNG_SetPseudoRandom()函数设置伪随机种子，主要用于增强随机数生成的质量或实现特定应用场景：
void TRNG_SetPseudoRandom(uint32_t TRNG_PseudoRandom)
{
TRNG->RNG_PN = TRNG_PseudoRandom;
}
该函数将传入的32位种子值写入RNG_PN寄存器。
4.1.6 启动TRNG硬件
TRNG_Start()为启动TRNG（真随机数生成器）的函数，通过配置特定寄存器来激活TRNG模块：
void TRNG_Start(void)
{
TRNG->RNG_AMA &= ~TRNG_RNG_AMA_PD_ALL_Mask;
TRNG->RNG_CSR &= ~TRNG_RNG_CSR_S128_TRNG0_Mask;
}
函数首先通过TRNG->RNG_AMA &= ~TRNG_RNG_AMA_PD_ALL_Mask来清除电源关闭位，将TRNG的模拟电路从低功耗模式唤醒，激活环形振荡器等物理随机源；接着通过TRNG->RNG_CSR &= ~TRNG_RNG_CSR_S128_TRNG0_Mask清除128位采样模式标志。这两个步骤共同完成TRNG的启动初始化，为后续生成随机数做准备。
4.1.7 中断服务函数
RNG_IRQHandler()是处理TRNG中断的函数，主要用于响应随机数生成完成事件和检测到的安全攻击事件：
void RNG_IRQHandler(void)
{
if (TRNG_GetITStatus(TRNG_IT_RNG0_S128) == SET)
{
printf("Rng : %08X %08X %08X %08X \r\n", TRNG->RNG_DATA, TRNG->RNG_DATA, TRNG->RNG_DATA, TRNG->RNG_DATA);
TRNG_ClearITPendingBit(TRNG_IT_RNG0_S128);
}
if (TRNG_GetITStatus(TRNG_IT_RNG0_ATTACK) == SET)
{
TRNG_ClearITPendingBit(TRNG_IT_RNG0_ATTACK);
}
NVIC_ClearPendingIRQ(TRNG_IRQn);
}
当128位随机数生成完成（TRNG_IT_RNG0_S128标志置位）时，函数通过连续4次读取RNG_DATA寄存器获取128位随机数（4个32位值）并打印输出，随后清除中断标志；当检测到安全攻击（TRNG_IT_RNG0_ATTACK标志置位）时，清除中断标志。最后，函数清除NVIC中断挂起标志以允许后续中断。
4.1.8 主函数main()
主函数main()如下：
int main(void)
{
RCC_ClocksTypeDef clocks;
delay_init();
UART_Configuration(115200);
printf("TRNG Int Out Test.\n");
RCC_GetClocksFreq(&clocks);
printf("SYSCLK: %3.1fMhz, HCLK: %3.1fMhz, PCLK1: %3.1fMhz, PCLK2: %3.1fMhz, ADCCLK: %3.1fMhz\n",
(float)clocks.SYSCLK_Frequency / 1000000, (float)clocks.HCLK_Frequency / 1000000,
(float)clocks.PCLK1_Frequency / 1000000, (float)clocks.PCLK2_Frequency / 1000000, (float)clocks.ADCCLK_Frequency / 1000000);
TRNG_Int();
while (1);
}
程序首先初始化延时函数并配置串口通信（波特率115200），随后打印系统各时钟频率（SYSCLK、HCLK、PCLK1/2、ADCCLK）。接着调用TRNG_Int()函数初始化TRNG，该函数会配置NVIC中断、使能TRNG输出、设置中断模式和伪随机种子并启动TRNG。最后程序进入无限循环，等待TRNG生成128位随机数时触发中断，由中断处理函数RNG_IRQHandler()读取并打印随机数。
4.1.9 下载验证
程序下载运行后，首先打印了示例名称和系统各时钟的频率，然后便不停地打印生成的随机数：
4.2 TRNG_PollingTest例程
TRNG_PollingTest例程为TRNG的轮询模式操作，与之前的中断模式不同，此函数通过主动查询方式获取随机数。
4.2.1 执行函数TRNG_Polling()
TRNG的输出使能、启动和查询打印的功能主要在TRNG_Polling()函数中实现：
void TRNG_Polling(void)
{
uint32_t Buf[4];
TRNG_Out(ENABLE);
TRNG_Start();
while (1)
{
if (0 == TRNG_Get(Buf))
{
printf("Rng : %08X %08X %08X %08X \r\n", Buf[0], Buf[1], Buf[2], Buf[3]);
TRNG_ClearITPendingBit(TRNG_IT_RNG0_S128);
}
}
}
首先定义了一个4元素的32位整数数组作为缓冲区，然后调用TRNG_Out(ENABLE)使能TRNG输出，并通过TRNG_Start()启动TRNG生成随机数。随后进入无限循环，不断调用TRNG_Get()函数尝试获取随机数，当该函数返回0时表示获取成功，此时将4个32位随机数打印输出，并清除中断标志位（即使在轮询模式下也需清除）。
TRNG_Start()和TRNG_Get()在上节内容已经讲解，且主函数仅示例名称和执行函数有所修改，其他保持一致，这里就不再赘述。
4.2.2 下载验证
程序下载运行后，首先打印了示例名称和各系统时钟频率，接着便不断打印生成的随机数：
5 总结
W55MH32的TRNG模块为嵌入式系统提供了硬件级别的真随机数生成能力，是构建安全系统的重要组成部分。通过合理配置和使用，可以生成高质量的随机数，满足加密、认证等安全敏感应用的需求。
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