單芯片解決方案，開(kāi)啟全新體驗(yàn)——W55MH32高性能以太網(wǎng)單片機(jī)

W55MH32是WIZnet重磅推出的高性能以太網(wǎng)單片機(jī)，它為用戶(hù)帶來(lái)前所未有的集成化體驗(yàn)。這顆芯片將強(qiáng)大的組件集于一身，具體來(lái)說(shuō)，一顆W55MH32內(nèi)置高性能Arm? Cortex-M3核心，其主頻最高可達(dá)216MHz；配備1024KB FLASH與96KB SRAM，滿(mǎn)足存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理需求；集成TOE引擎，包含WIZnet全硬件TCP/IP協(xié)議棧、內(nèi)置MAC以及PHY，擁有獨(dú)立的32KB以太網(wǎng)收發(fā)緩存，可供8個(gè)獨(dú)立硬件socket使用。如此配置，真正實(shí)現(xiàn)了All-in-One解決方案，為開(kāi)發(fā)者提供極大便利。

在封裝規(guī)格上，W55MH32提供了兩種選擇：QFN100和QFN68。

W55MH32L采用QFN100封裝版本，尺寸為12x12mm，其資源豐富，專(zhuān)為各種復(fù)雜工控場(chǎng)景設(shè)計(jì)。它擁有66個(gè)GPIO、3個(gè)ADC、12通道DMA、17個(gè)定時(shí)器、2個(gè)I2C、5個(gè)串口、2個(gè)SPI接口（其中1個(gè)帶I2S接口復(fù)用）、1個(gè)CAN、1個(gè)USB2.0以及1個(gè)SDIO接口。如此豐富的外設(shè)資源，能夠輕松應(yīng)對(duì)工業(yè)控制中多樣化的連接需求，無(wú)論是與各類(lèi)傳感器、執(zhí)行器的通信，還是對(duì)復(fù)雜工業(yè)協(xié)議的支持，都能游刃有余，成為復(fù)雜工控領(lǐng)域的理想選擇。同系列還有QFN68封裝的W55MH32Q版本，該版本體積更小，僅為8x8mm，成本低，適合集成度高的網(wǎng)關(guān)模組等場(chǎng)景，軟件使用方法一致。

此外，本W(wǎng)55MH32支持硬件加密算法單元，WIZnet還推出TOE+SSL應(yīng)用，涵蓋TCP SSL、HTTP SSL以及 MQTT SSL等，為網(wǎng)絡(luò)通信安全再添保障。

為助力開(kāi)發(fā)者快速上手與深入開(kāi)發(fā)，基于W55MH32L這顆芯片，WIZnet精心打造了配套開(kāi)發(fā)板。開(kāi)發(fā)板集成WIZ-Link芯片，借助一根USB C口數(shù)據(jù)線(xiàn)，就能輕松實(shí)現(xiàn)調(diào)試、下載以及串口打印日志等功能。開(kāi)發(fā)板將所有外設(shè)全部引出，拓展功能也大幅提升，便于開(kāi)發(fā)者全面評(píng)估芯片性能。

第三十四章 TRNG——真隨機(jī)數(shù)

在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，信息安全已成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可忽視的關(guān)鍵因素。從物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的身份認(rèn)證到加密通信的密鑰生成，高質(zhì)量的隨機(jī)數(shù)是構(gòu)建安全系統(tǒng)的基石。W55MH32內(nèi)置的真隨機(jī)數(shù)生成器(TRNG)模塊為開(kāi)發(fā)者提供了硬件級(jí)別的隨機(jī)數(shù)解決方案。

本文將通過(guò)W55MH32 TRNG的工作原理、應(yīng)用場(chǎng)景、程序設(shè)計(jì)等方面對(duì)真隨機(jī)數(shù)進(jìn)行講解。

1TRNG概述

1.1簡(jiǎn)介

TRNG（True Random Number Generator）即真隨機(jī)數(shù)生成器，與偽隨機(jī)數(shù)生成器（PRNG）不同，其隨機(jī)性來(lái)源于物理噪聲，而非確定性算法。W55MH32的TRNG模塊利用芯片內(nèi)部的物理噪聲源（如熱噪聲、時(shí)鐘抖動(dòng)等）生成不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)數(shù)，適用于加密、安全認(rèn)證、隨機(jī)密鑰生成等對(duì)隨機(jī)性要求高的場(chǎng)景。

1.2硬件結(jié)構(gòu)

W55MH32的TRNG模塊主要由以下部分組成：

1. 噪聲源：通常基于MOS管的熱噪聲或環(huán)形振蕩器的抖動(dòng)，產(chǎn)生原始隨機(jī)信號(hào)。
2. 放大與整形電路：增強(qiáng)噪聲信號(hào)并轉(zhuǎn)換為可處理的數(shù)字信號(hào)。
3. 采樣電路：對(duì)噪聲信號(hào)進(jìn)行采樣，生成原始隨機(jī)比特流。
4. 熵累積器：收集采樣得到的熵，積累足夠的隨機(jī)性。
5. 隨機(jī)數(shù)生成器：將累積的熵轉(zhuǎn)換為可用的隨機(jī)數(shù)（如32位整數(shù)）。
6. 硬件測(cè)試與校準(zhǔn)：確保噪聲源正常工作，必要時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.3真隨機(jī)與偽隨機(jī)的區(qū)別

隨機(jī)數(shù)在計(jì)算機(jī)科學(xué)中主要分為兩類(lèi)——真隨機(jī)和偽隨機(jī)，其對(duì)比如下所示：

1.4工作流程

TRNG的工作流程可以分為以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：

1. 噪聲采集階段：多個(gè)環(huán)形振蕩器同時(shí)工作，其輸出頻率的微小差異被捕獲并放大。這些差異作為原始隨機(jī)信號(hào)輸入到后續(xù)處理電路。
2. 數(shù)字化階段：模擬的隨機(jī)信號(hào)被采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特流。采樣過(guò)程通常使用高速時(shí)鐘進(jìn)行，確保捕獲到足夠的隨機(jī)信息。
3. 隨機(jī)性增強(qiáng)階段：原始數(shù)字信號(hào)可能存在統(tǒng)計(jì)偏差，需要通過(guò)算法進(jìn)行后處理。W55MH32的TRNG使用一種稱(chēng)為"異或樹(shù)"的結(jié)構(gòu)，將多個(gè)環(huán)形振蕩器的輸出進(jìn)行異或運(yùn)算，增強(qiáng)隨機(jī)性并消除可能的偏差。
4. 質(zhì)量檢測(cè)階段：生成的隨機(jī)數(shù)經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)測(cè)試，確保其符合隨機(jī)性標(biāo)準(zhǔn)。W55MH32的TRNG實(shí)現(xiàn)了兩種主要測(cè)試：
5. 單比特頻率測(cè)試：確保0和1的出現(xiàn)概率接近50%
6. 游程測(cè)試：檢測(cè)連續(xù)相同比特的長(zhǎng)度是否符合隨機(jī)分布
7. 輸出階段：通過(guò)質(zhì)量檢測(cè)的隨機(jī)數(shù)被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)寄存器中，供CPU讀取使用。當(dāng)檢測(cè)到質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，TRNG會(huì)自動(dòng)禁用輸出并設(shè)置錯(cuò)誤標(biāo)志。

2應(yīng)用場(chǎng)景

1. 加密密鑰生成：為AES、RSA等加密算法生成初始密鑰。
2. 安全認(rèn)證：生成隨機(jī)挑戰(zhàn)值（Challenge）用于身份驗(yàn)證。
3. 隨機(jī)數(shù)種子：為PRNG提供高質(zhì)量的初始種子。
4. 安全協(xié)議：如TLS握手、VPN密鑰協(xié)商等場(chǎng)景。
5. 游戲：需要高隨機(jī)性的虛擬骰子、卡牌等應(yīng)用。

3注意事項(xiàng)

1. 低功耗模式：在睡眠或停機(jī)模式下，TRNG可能停止工作，需重新初始化。
2. 噪聲源依賴(lài)性：溫度、電壓等環(huán)境因素可能影響噪聲源強(qiáng)度，導(dǎo)致隨機(jī)性波動(dòng)。
3. 驗(yàn)證測(cè)試：在關(guān)鍵應(yīng)用中，建議對(duì)生成的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行離線(xiàn)測(cè)試（如使用NIST測(cè)試工具）。
4. 多線(xiàn)程安全：在RTOS環(huán)境中，訪(fǎng)問(wèn)TRNG時(shí)需加鎖，避免競(jìng)爭(zhēng)條件。

4程序設(shè)計(jì)

4.1TRNG_IntTest例程

TRNG_IntTest例程主要實(shí)現(xiàn)了基于W55MH32芯片的真隨機(jī)數(shù)生成器（TRNG）中斷測(cè)試功能。以下是實(shí)現(xiàn)過(guò)程和結(jié)果驗(yàn)證：

4.1.1執(zhí)行函數(shù)TRNG_Int()

TRNG的中斷配置、TRNG輸出使能、中斷使能、隨機(jī)種子設(shè)置和啟動(dòng)TRNG硬件主要在TRNG_Int()函數(shù)中實(shí)現(xiàn)：

void TRNG_Int(void)
{
    NVIC_Configuration();
    TRNG_Out(ENABLE);
    TRNG_ITConfig(ENABLE);
    TRNG_SetPseudoRandom(0X12345560);
    TRNG_Start();
}

4.1.2配置嵌套向量中斷控制器

NVIC_Configuration()為中斷配置函數(shù)：

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);
}

該函數(shù)主要進(jìn)行了如下配置：

1. NVIC_PriorityGroup_1：表示使用優(yōu)先級(jí)分組模式1，即：
2. 搶占優(yōu)先級(jí)占1位（0-1）
3. 子優(yōu)先級(jí)占3位（0-7）
4. 中斷參數(shù)配置：
5. 中斷源：TRNG_IRQn（真隨機(jī)數(shù)生成器中斷）
6. 雙重優(yōu)先級(jí)機(jī)制：搶占優(yōu)先級(jí)1可以打斷更低搶占優(yōu)先級(jí)的中斷
7. 子優(yōu)先級(jí)1：相同搶占優(yōu)先級(jí)時(shí)決定響應(yīng)順序
8. 使能TRNG硬件中斷通道
9. NVIC初始化

4.1.3使能TRNG輸出功能

TRNG_Out()函數(shù)是TRNG初始化過(guò)程中的關(guān)鍵步驟，通過(guò)控制時(shí)鐘來(lái)啟用或禁用TRNG模塊，從而間接控制隨機(jī)數(shù)的生成：

void TRNG_Out(FunctionalStateNewState)
{
  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;
  }
}

當(dāng)使能TRNG輸出時(shí)，首先配置SYSCFG時(shí)鐘域（RCC_SYSCFG_CONFIG=0x01），然后向鎖定寄存器寫(xiě)入特定密鑰（SYSCFG_LOCK=0xCDED3526）以解鎖SYSCFG寄存器，最后設(shè)置安全系統(tǒng)時(shí)鐘使能寄存器（SSC_CLK_EN）的對(duì)應(yīng)位以開(kāi)啟TRNG時(shí)鐘。

當(dāng)失能輸出時(shí)，則執(zhí)行相反操作：清除時(shí)鐘域配置并禁用TRNG時(shí)鐘。這種設(shè)計(jì)通過(guò)時(shí)鐘控制間接管理TRNG模塊，是低功耗和安全設(shè)計(jì)的常見(jiàn)做法，其中鎖定機(jī)制可防止意外修改寄存器。

4.1.4使能TRNG中斷

TRNG_ITConfig()是控制TRNG中斷功能的函數(shù)，主要用于啟用或禁用TRNG模塊的中斷機(jī)制：

void TRNG_ITConfig(FunctionalStateNewState)
{
  if(NewState!= DISABLE)
  {
  TRNG->RNG_CSR|= TRNG_RNG_CSR_INTP_EN_Mask;
  }
  else
  {
  TRNG->RNG_CSR&=~TRNG_RNG_CSR_INTP_EN_Mask;
  }
}

當(dāng)傳入?yún)?shù)為ENABLE使能中斷時(shí)，函數(shù)通過(guò)位操作（|=）將 TRNG控制狀態(tài)寄存器（RNG_CSR）中的中斷使能位（TRNG_RNG_CSR_INTP_EN_Mask）置 1，允許 TRNG在隨機(jī)數(shù)生成完成或檢測(cè)到錯(cuò)誤時(shí)觸發(fā)中斷。

當(dāng)傳入為DISABLE失能中斷時(shí)，則通過(guò)位操作（&= ~）清除該位，禁用中斷功能。

4.1.5設(shè)置偽隨機(jī)數(shù)種子

通過(guò)TRNG_SetPseudoRandom()函數(shù)設(shè)置偽隨機(jī)種子，主要用于增強(qiáng)隨機(jī)數(shù)生成的質(zhì)量或?qū)崿F(xiàn)特定應(yīng)用場(chǎng)景：

void TRNG_SetPseudoRandom(uint32_t TRNG_PseudoRandom)
{
  TRNG->RNG_PN= TRNG_PseudoRandom;
}

該函數(shù)將傳入的32位種子值寫(xiě)入RNG_PN寄存器。

4.1.6啟動(dòng)TRNG硬件

TRNG_Start()為啟動(dòng)TRNG（真隨機(jī)數(shù)生成器）的函數(shù)，通過(guò)配置特定寄存器來(lái)激活TRNG模塊：

void TRNG_Start(void)
{
  TRNG->RNG_AMA&=~TRNG_RNG_AMA_PD_ALL_Mask;
  TRNG->RNG_CSR&=~TRNG_RNG_CSR_S128_TRNG0_Mask;
}

函數(shù)首先通過(guò)TRNG->RNG_AMA &= ~TRNG_RNG_AMA_PD_ALL_Mask來(lái)清除電源關(guān)閉位，將TRNG的模擬電路從低功耗模式喚醒，激活環(huán)形振蕩器等物理隨機(jī)源；接著通過(guò)TRNG->RNG_CSR &= ~TRNG_RNG_CSR_S128_TRNG0_Mask清除128位采樣模式標(biāo)志。這兩個(gè)步驟共同完成TRNG的啟動(dòng)初始化，為后續(xù)生成隨機(jī)數(shù)做準(zhǔn)備。

4.1.7中斷服務(wù)函數(shù)

RNG_IRQHandler()是處理TRNG中斷的函數(shù)，主要用于響應(yīng)隨機(jī)數(shù)生成完成事件和檢測(cè)到的安全攻擊事件：

void RNG_IRQHandler(void)
{
    if(TRNG_GetITStatus(TRNG_IT_RNG0_S128)== SET)
    {
        printf("Rng : %08X %08X %08X %08X rn", 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);
}

當(dāng)128位隨機(jī)數(shù)生成完成（TRNG_IT_RNG0_S128標(biāo)志置位）時(shí)，函數(shù)通過(guò)連續(xù)4次讀取RNG_DATA寄存器獲取128位隨機(jī)數(shù)（4個(gè)32位值）并打印輸出，隨后清除中斷標(biāo)志；當(dāng)檢測(cè)到安全攻擊（TRNG_IT_RNG0_ATTACK標(biāo)志置位）時(shí)，清除中斷標(biāo)志。最后，函數(shù)清除NVIC中斷掛起標(biāo)志以允許后續(xù)中斷。

4.1.8主函數(shù)main()

主函數(shù)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: %3.1fMhzn",
           (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);
}

程序首先初始化延時(shí)函數(shù)并配置串口通信（波特率115200），隨后打印系統(tǒng)各時(shí)鐘頻率（SYSCLK、HCLK、PCLK1/2、ADCCLK）。接著調(diào)用TRNG_Int()函數(shù)初始化TRNG，該函數(shù)會(huì)配置NVIC中斷、使能TRNG輸出、設(shè)置中斷模式和偽隨機(jī)種子并啟動(dòng)TRNG。最后程序進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，等待TRNG生成128位隨機(jī)數(shù)時(shí)觸發(fā)中斷，由中斷處理函數(shù)RNG_IRQHandler()讀取并打印隨機(jī)數(shù)。

4.1.9下載驗(yàn)證

程序下載運(yùn)行后，首先打印了示例名稱(chēng)和系統(tǒng)各時(shí)鐘的頻率，然后便不停地打印生成的隨機(jī)數(shù)：

4.2TRNG_PollingTest例程

TRNG_PollingTest例程為T(mén)RNG的輪詢(xún)模式操作，與之前的中斷模式不同，此函數(shù)通過(guò)主動(dòng)查詢(xún)方式獲取隨機(jī)數(shù)。

4.2.1執(zhí)行函數(shù)TRNG_Polling()

TRNG的輸出使能、啟動(dòng)和查詢(xún)打印的功能主要在TRNG_Polling()函數(shù)中實(shí)現(xiàn)：

void TRNG_Polling(void)
{
    uint32_tBuf[4];
    TRNG_Out(ENABLE);
    TRNG_Start();
    while(1)
    {
        if(0== TRNG_Get(Buf))
        {
            printf("Rng : %08X %08X %08X %08X rn",Buf[0],Buf[1],Buf[2],Buf[3]);
            TRNG_ClearITPendingBit(TRNG_IT_RNG0_S128);
        }
    }
}

首先定義了一個(gè)4元素的32位整數(shù)數(shù)組作為緩沖區(qū)，然后調(diào)用TRNG_Out(ENABLE)使能TRNG輸出，并通過(guò)TRNG_Start()啟動(dòng)TRNG生成隨機(jī)數(shù)。隨后進(jìn)入無(wú)限循環(huán)，不斷調(diào)用TRNG_Get()函數(shù)嘗試獲取隨機(jī)數(shù)，當(dāng)該函數(shù)返回0時(shí)表示獲取成功，此時(shí)將4個(gè)32位隨機(jī)數(shù)打印輸出，并清除中斷標(biāo)志位（即使在輪詢(xún)模式下也需清除）。

TRNG_Start()和TRNG_Get()在上節(jié)內(nèi)容已經(jīng)講解，且主函數(shù)僅示例名稱(chēng)和執(zhí)行函數(shù)有所修改，其他保持一致，這里就不再贅述。

4.2.2下載驗(yàn)證

程序下載運(yùn)行后，首先打印了示例名稱(chēng)和各系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，接著便不斷打印生成的隨機(jī)數(shù)：

5總結(jié)

W55MH32的TRNG模塊為嵌入式系統(tǒng)提供了硬件級(jí)別的真隨機(jī)數(shù)生成能力，是構(gòu)建安全系統(tǒng)的重要組成部分。通過(guò)合理配置和使用，可以生成高質(zhì)量的隨機(jī)數(shù)，滿(mǎn)足加密、認(rèn)證等安全敏感應(yīng)用的需求。

WIZnet是一家無(wú)晶圓廠(chǎng)半導(dǎo)體公司，成立于1998年。產(chǎn)品包括互聯(lián)網(wǎng)處理器iMCU?，它采用TOE（TCP/IP卸載引擎）技術(shù)，基于獨(dú)特的專(zhuān)利全硬連線(xiàn)TCP/IP。iMCU?面向各種應(yīng)用中的嵌入式互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

WIZnet在全球擁有70多家分銷(xiāo)商，在香港、韓國(guó)、美國(guó)設(shè)有辦事處，提供技術(shù)支持和產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)。

香港辦事處管理的區(qū)域包括：澳大利亞、印度、土耳其、亞洲（韓國(guó)和日本除外）。