第三十一章 RNG实验
本章，我们将介绍ESP32-S3的硬件随机数发生器。我们使用BOOT按键来获取硬件随机数，并且将获取到的随机数值显示在LCD上面。同时，使用LED指示程序运行状态。
本章分为如下几个小节：
31.1 随机数发生器简介
31.2 硬件设计
31.3 程序设计
31.4 下载验证
31.1 随机数发生器简介
ESP32-S3内置一个真随机数发生器（RNG），其生成的32位随机数可作为加密等操作的基础。ESP32-S3 的随机数发生器可通过物理过程而非算法生成真随机数，所有生成的随机数在特定范围内出现的概率完全一致。
31.1.1 RNG功能描述
下面先来了解噪声源，通过学习噪声源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。EDP32- S3的随机数发生器噪声源如图31.1.1.1所示：
图31.1.1.1 ESP32-S3随机数发生器噪声源
系统可以从随机数发生器的寄存器RNG_DATA_REG中读取随机数，每个读到的32位随机数都是真随机数，噪声源为系统中的热噪声和异步时钟。具体来说，这些热噪声可以来自SARADC或高速ADC或两者兼有。当芯片的SARADC或高速ADC工作时，就会产生比特流，并通过异或(XOR)逻辑运算作为随机数种子进入随机数生成器。当为数字内核使能RC_FAST_CLK时钟时，随机数发生器也会对RC_FAST_CLK(20MHz)进行采样，作为随机数种子。RC_FAST_CLK是一种异步时钟源，由于存在电路亚稳态，因此可以提高随机数发生器的墒值。然而，为了保证随机数发生器可以获得最大熵值，仍建议在使用随机数发生器时至少使能一路ADC作为随机数种子。
31.1.2 RNG随机数寄存器
RND随机数寄存器描述如下所示：
表31.1.2.1 RNG寄存器列表
图31.1.2.1 RNG_CR寄存器
需要注意的是，这里的地址都是相对于随机数发生器基地址的地址偏移量。
31.2 硬件设计
31.2.1 例程功能
本实验使用ESP32-S3自带的硬件随机数生成器（RNG），获取随机数，并显示在LCD屏幕上。按BOOT按键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。LED闪烁用于提示程序正在运行。
31.2.2 硬件资源
1. LED
LED - IO1
2.独立按键
BOOT - IO0
3. XL9555
IIC_SDA-IO41
IIC_SCL-IO42
4. SPILCD
CS-IO21
SCK-IO12
SDA-IO11
DC-IO40（在P5端口，使用跳线帽将IO_SET和LCD_DC相连）
PWR- IO1_3（XL9555）
RST- IO1_2（XL9555）
5. RNG（硬件随机数生成器）
31.2.3 原理图
RNG属于ESP32-S3内部资源，通过软件设置好就可以了。本实验通过配合按键获取随机数和通过LCD显示。
31.3 程序设计
31.3.1 程序流程图
程序流程图能帮助我们更好的理解一个工程的功能和实现的过程，对学习和设计工程有很好的主导作用。下面看看本实验的程序流程图：
图31.3.1.1随机数实验程序流程图
31.3.2 RNG函数解析
ESP-IDF提供了一套API来配置RNG。要使用此功能，需要导入必要的头文件：
#include "esp_random.h"
接下来，作者将介绍一些常用的ESP32-S3中的RNG函数，这些函数的描述及其作用如下：
1，得到随机数
该函数用于获取一个32位的硬件随机数，其函数原型如下：
uint32_t esp_random(void);
该函数的形参描述，如下表所示：
表31.3.2.1 函数esp_random()形参描述
该函数的返回值描述，如下表所示：
表31.3.2.2 函数esp_random ()返回值描述
31.3.3 RNG驱动解析
在IDF版21_rng例程中，作者在21_rng\components\BSP路径下新增了一个RNG文件夹，分别用于存放rng.c、rng.h这两个文件。其中，rng.h文件负责声明RNG相关的函数和变量，而rng.c文件则实现了RNG的驱动代码。下面，我们将详细解析这两个文件的实现内容。
1，rng.h文件
/* 函数声明 */ uint32_t rng_get_random_num(void); /* 得到随机数 */ int rng_get_random_range(int min, int max); /* 得到某个范围内的随机数 */
2，rng.c文件
/**
* @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;
randomnum = esp_random();
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;
randomnum = esp_random();
return randomnum % (max - min + 1) + min;
}
从上述代码中，我们不难看出，对于RNG我们并没有相应的初始化函数，ESP32 IDF提供了相应的API函数，我们只需调用即可，具体的在上一小节我们已经介绍过了，在此不做出赘述。
31.3.4 CMakeLists.txt文件
打开本实验BSP下的CMakeLists.txt文件，其内容如下所示：
set(src_dirs
IIC
KEY
LCD
LED
RNG
SPI
XL9555)
set(include_dirs
IIC
KEY
LCD
LED
RNG
SPI
XL9555)
set(requires
driver)
idf_component_register(SRC_DIRS ${src_dirs}
INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})
component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)
上述的红色RNG驱动需要由开发者自行添加，以确保RNG驱动能够顺利集成到构建系统中。这一步骤是必不可少的，它确保了RNG驱动的正确性和可用性，为后续的开发工作提供了坚实的基础。
31.3.5 实验应用代码
打开main/main.c文件，该文件定义了工程入口函数，名为app_main。该函数代码如下。
i2c_obj_t i2c0_master;
/**
* @brief 程序入口
* @param 无
* @retval 无
*/
void app_main(void)
{
uint8_t key;
uint32_t random;
uint8_t t = 0;
esp_err_t ret;
ret = nvs_flash_init(); /* 初始化NVS */
if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES ||
ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
{
ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
ret = nvs_flash_init();
}
led_init(); /* 初始化LED */
i2c0_master = iic_init(I2C_NUM_0); /* 初始化IIC0 */
spi2_init(); /* 初始化SPI2 */
xl9555_init(i2c0_master); /* 初始化XL9555 */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
key_init(); /* 初始化按键 */
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "ESP32", RED);
lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "RNG TEST", RED);
lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "RNG Ready! ", RED);
lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "BOOT:Get Random Num", RED);
lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "Random Num:", RED);
lcd_show_string(30, 180, 200, 16, 16, "Random Num[0-9]:", RED);
while(1)
{
key = key_scan();
if (key == BOOT) /* 获取随机数并显示至LCD */
{
random = rng_get_random_num();
lcd_show_num(30 + 8 * 11, 150, random, 10, 16, BLUE);
}
if ((t % 20) == 0) /* 获取0~9间的随机数并显示至LCD */
{
LED_TOGGLE(); /* 每200ms,翻转一次LED */
random = rng_get_random_range(0, 9); /* 取[0,9]区间的随机数 */
lcd_show_num(30 + 8 * 16, 180, random, 1, 16, BLUE);/* 显示随机数 */
}
vTaskDelay(10);
t++;
}
}
该部分代码也比较简单，在所有外设初始化成功后，进入死循环，等待 B OOT 按键按下，如果按下，则调用 rng_get_random_num 函数，读取随机数值，并将读到的随机数显示在 LCD 上面。每隔 200ms 获取一次区间 [0,9] 的随机数，并实时显示在液晶上。同时 LED ，周期性闪烁， 400ms 闪烁一次。
31.4 下载验证
将程序下载到开发板后，可以看到LED不停的闪烁，提示程序已经在运行了。然后我们按下BOOT，就可以在屏幕上看到获取到的随机数。同时，就算不按BOOT，程序也会自动的获取0~9区间的随机数显示在LCD上面。实验结果如图31.4.1所示：
图31.4.1 获取随机数成功