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如何使用STM32 MCU生成真正的随机数？

c++randomembeddedmicrocontrollerstm32
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我正在使用Keil Microvision IDE开发STM32F103E Arm Cortex-M3 MCU的项目。
我需要生成一些随机数，但我不想使用标准C++库生成的伪随机数，因此我需要一种使用硬件特性生成真正随机数的方法，但我不知道如何实现。
有什么建议吗？（我是一名软件工程师，不是电子专业人员，请简单描述）

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你的芯片/板子有硬件随机数生成器吗？ - Mat
你需要随机数做什么？ - starblue
我需要用于RSA密钥生成的随机数。正如Jari所说，似乎F1系列没有RNG，但我想知道是否有任何方法可以使用其他硬件特性（例如RTC）模拟硬件RNG？ - Ehsan Khodarahmi
我想你可以购买一颗TRNG芯片，然后通过STM32上的接口进行通信。 - old_timer
5个回答
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正如指出的那样，芯片没有硬件随机数生成器。

但你可以自己制作。通常的方法是测量独立时钟之间的抖动。独立意味着两个时钟由不同的晶体或RC振荡器支持，并且不是从相同的时钟导出的。

我会使用：

  • 从系统时钟派生的SysTick计时器/计数器（MHz范围）
  • kHz范围的RC振荡器之一

在kHz范围的RC振荡器上设置一个计数器，使其每秒产生几次中断。在中断处理程序中，读取SysTick计数器的当前值。无论是否将SysTick用于其他目的（调度），都可以肯定地说，最低的5位或更少位是不可预测的。

为了从中获取随机数，请使用普通伪随机数生成器。使用上面收集的熵来不可预测地突变伪随机数生成器的内部状态。对于密钥生成，请不要一次读取所有位，而是允许进行几次突变。

对此的攻击显而易见：如果攻击者能够测量或控制kHz范围的RC振荡器，其精度达到MHz，则随机性消失。如果你担心这个问题，请使用智能卡或其他安全协处理器。

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我刚发现这是一个老问题，但我想回答，因为我不认为其他答案令人满意。

"我需要用于RSA密钥生成的随机数。"

这意味着PRNG例程（我常常错误地称之为RNG，这是我的一个怪癖）是不可接受的，并且无法提供所需的安全性。

外部真正的随机数发生器是可以接受的，但最优雅的答案是改用STM32F2xx或STM32F4xx微控制器，它具有内置的真正随机数发生器，专门用于此类应用程序。为了开发，我想您可以使用F1和任何PRNG，但那里的诱惑是“它能工作，让我们将其上市”而没有使用真正的随机数发生器，在可用正确组件（肯定是ST F4，我认为F2芯片在此问题被提出之前已经存在）之前发布有故障的产品。

由于非技术原因，此答案可能不可接受（芯片已指定，OP对所需功能没有输入），但选择芯片的人应该根据应用程序需要的芯片内外设和功能来选择。

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我发现并测试了另一种方法，效果非常好。它可以生成真正的随机32位数字，我从未检查过它的速度有多快，可能每个数字需要几毫秒。以下是具体步骤：

  • 以最快速度读取嘈杂的内部温度，以产生最大的ADC噪声
  • 通过硬件CRC生成器（在大多数（全部？）STM32芯片上都可用）运行这些值

重复几次，我发现重复8次可以得到相当不错的随机性。我通过将输出值按升序排序并在Excel中绘制它们来检查随机性，好的随机数会生成一条直线，而不良的随机性或某些数字的“聚集”立即可见。

以下是适用于STM32F03的代码：

uint32_t getTrueRandomNumber(void) {

ADC_InitTypeDef ADC_InitStructure;

//enable ADC1 clock
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, ENABLE);

// Initialize ADC 14MHz RC
RCC_ADCCLKConfig(RCC_ADCCLK_HSI14);
RCC_HSI14Cmd(ENABLE);
while (!RCC_GetFlagStatus(RCC_FLAG_HSI14RDY))
    ;

ADC_DeInit(ADC1);
ADC_InitStructure.ADC_ContinuousConvMode = DISABLE;
ADC_InitStructure.ADC_DataAlign = ADC_DataAlign_Right;
ADC_InitStructure.ADC_Resolution = ADC_Resolution_12b;
ADC_InitStructure.ADC_ScanDirection = ADC_ScanDirection_Backward;
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConvEdge = ADC_ExternalTrigConvEdge_None;
ADC_InitStructure.ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_T1_TRGO; //default
ADC_Init(ADC1, &ADC_InitStructure);

//enable internal channel
ADC_TempSensorCmd(ENABLE);

// Enable ADCperipheral
ADC_Cmd(ADC1, ENABLE);
while (ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_ADEN) == RESET)
    ;

ADC1->CHSELR = 0; //no channel selected
//Convert the ADC1 temperature sensor, user shortest sample time to generate most noise
ADC_ChannelConfig(ADC1, ADC_Channel_TempSensor, ADC_SampleTime_1_5Cycles);

// Enable CRC clock
RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBPeriph_CRC, ENABLE);

uint8_t i;
for (i = 0; i < 8; i++) {
    //Start ADC1 Software Conversion
    ADC_StartOfConversion(ADC1);
    //wait for conversion complete
    while (!ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC)) {
    }

    CRC_CalcCRC(ADC_GetConversionValue(ADC1));
    //clear EOC flag
    ADC_ClearFlag(ADC1, ADC_FLAG_EOC);
}

//disable ADC1 to save power
ADC_Cmd(ADC1, DISABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_ADC1, DISABLE);

return CRC_CalcCRC(0xBADA55E5);

}

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你的方法有缺陷。通过观察白化（CRC）后的输出结果来确定熵源（ADC）的质量是不可行的。此外，简单的输出值直方图只能检测到 RNG 中最简单的缺陷。你需要使用8个轮次才能生成看起来甚至有点随机的东西，这表明你从每个 ADC 样本中获得了非常少的熵（如果有的话）。因此，在进行进一步的分析之前，你不能对 RNG 的熵做出任何假设，因此也不能将其用于加密密钥生成。 - JimmyB
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F1系列似乎没有RNG（硬件随机数生成器），所以您的唯一选择是使用伪随机数或请求外部输入（例如，某些人认为人手运动是随机的）。使用某些加密库而不是标准的C++库通常可以获得更好的伪随机数。

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异步时钟方法效果不佳，我已经尝试过。问题在于RC时钟的稳定性在短时间内相当好，因此它们与另一个RC或晶体时钟同步时会产生相当稳定的模式（低熵）。
温度传感器方法效果略好；与上述方法不同，您可以使用ADC配置为最大噪声（最大分辨率，无平均值，最小采样时间）读取温度传感器N次，并使用每个读数的低位作为随机位，将其移位到位置n以生成n位随机数。这种方法效果略好，但也不是非常随机。
到目前为止，我发现最好的策略是利用RAM在上电时固有的随机性作为熵源。在初始化RAM之前，在重置原因为POR时计算RAM的哈希值（CRC，SHA，任何一种），并将该值保存在启动代码不清除的RAM区域或不跨重置清除的寄存器中。将该值用作LFSR的初始种子，用作PRNG。每次使用PRNG时，更新存储的种子并使用它来种子下一个PRNG调用。这样，即使跨重置和电源周期，您也会得到随机序列。
显然仍不如TRNG好，但至今为止我发现的PRNG解决方案的最佳熵源。如果有人发现更好的方法，请发布！
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