《ESP32-S3使用指南—IDF版 V1.6》第三十一章 RNG实验

正点原子运营

第三十一章 RNG实验

1）实验平台：正点原子DNESP32S3开发板

2）章节摘自【正点原子】ESP32-S3使用指南—IDF版 V1.6

3）购买链接：https://detail.tmall.com/item.htm?&id=768499342659

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/esp32/ATK-DNESP32S3.html

5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

6）正点原子DNESP32S3开发板技术交流群：132780729

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：

1. #include "esp_random.h"

复制代码

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：

1. uint32_t esp_random(void);

复制代码

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

1. /* 函数声明 */
   
2. uint32_t rng_get_random_num(void);          /* 得到随机数 */
   
3. intrng_get_random_range(int min, int max); /* 得到某个范围内的随机数 */

复制代码

2，rng.c文件

1. /**
   
2. * @brief       得到随机数
   
3. * @param       无
   
4. * @retval      获取到的随机数(32bit)
   
5. */
   
6. uint32_t rng_get_random_num(void)
   
7. {
   
8.     uint32_t randomnum;
   
9.    
   
10.     randomnum = esp_random();
    
11.    
    
12.     return randomnum;
    
13. }
    
14. /**
    
15. * @brief       得到某个范围内的随机数
    
16. * @param       min,max: 最小,最大值.
    
17. * @retval      得到的随机数(rval),满足:min<=rval<=max
    
18. */
    
19. intrng_get_random_range(int min, int max)
    
20. {
    
21.     uint32_t randomnum;
    
22.    
    
23.     randomnum = esp_random();
    
24.    
    
25.     return randomnum % (max - min + 1) + min;
    
26. }

复制代码

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：

1. set(src_dirs
   
2.            IIC
   
3.            KEY
   
4.            LCD
   
5.            LED
   
6.            RNG
   
7.            SPI
   
8.            XL9555)
   
9. set(include_dirs
   
10.            IIC
    
11.            KEY
    
12.            LCD
    
13.            LED
    
14.            RNG
    
15.            SPI
    
16.            XL9555)
    
17. set(requires
    
18.            driver)
    
19. idf_component_register(SRC_DIRS ${src_dirs}
    
20. INCLUDE_DIRS ${include_dirs} REQUIRES ${requires})
    
21. component_compile_options(-ffast-math -O3 -Wno-error=format=-Wno-format)

复制代码

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。

1. i2c_obj_t i2c0_master;
   
2. /**
   
3. * @brief       程序入口
   
4. * @param       无
   
5. * @retval      无
   
6. */
   
7. void app_main(void)
   
8. {
   
9.     uint8_t key;
   
10.     uint32_t random;
    
11.     uint8_t t = 0;
    
12.     esp_err_t ret;
    
13.    
    
14.     ret = nvs_flash_init();                                    /* 初始化NVS */
    
15. if (ret ==ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES ||
    
16.         ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)
    
17.     {
    
18.        ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());
    
19.         ret = nvs_flash_init();
    
20.     }
    
21.     led_init();                                               /* 初始化LED */
    
22.     i2c0_master = iic_init(I2C_NUM_0);                         /* 初始化IIC0 */
    
23.     spi2_init();                                               /* 初始化SPI2 */
    
24.     xl9555_init(i2c0_master);                                  /* 初始化XL9555 */
    
25.     lcd_init();                                               /* 初始化LCD */
    
26.     key_init();                                               /* 初始化按键 */
    
27.    
    
28.     lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "ESP32", RED);
    
29.     lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "RNG TEST", RED);
    
30.     lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
    
31.    
    
32.     lcd_show_string(30, 110, 200, 16, 16, "RNG Ready!  ", RED);
    
33.     lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "BOOT:Get Random Num", RED);
    
34.     lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "Random Num:", RED);
    
35.     lcd_show_string(30, 180, 200, 16, 16, "Random Num[0-9]:", RED);
    
36.     while(1)
    
37.     {
    
38.         key = key_scan();
    
39.         
    
40.         if (key == BOOT)                            /* 获取随机数并显示至LCD */
    
41.         {
    
42.             random = rng_get_random_num();
    
43.            lcd_show_num(30 + 8 * 11, 150, random, 10, 16, BLUE);
    
44.         }
    
45.         if ((t % 20) == 0)                       /* 获取0~9间的随机数并显示至LCD */
    
46.         {
    
47.            LED_TOGGLE();                            /* 每200ms,翻转一次LED */
    
48.             random =rng_get_random_range(0, 9); /* 取[0,9]区间的随机数 */
    
49.            lcd_show_num(30 + 8 * 16, 180, random, 1, 16, BLUE);/* 显示随机数 */
    
50.         }
    
51.         vTaskDelay(10);
    
52.         t++;
    
53.     }
    
54. }

复制代码

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BOOT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