[单片机框架][bsp层][nrf52832][nrf52840][nrf52810][nrf52820][bsp_rng] RNG随机数生成器配置和使用

一、RNG 随机数生成器原理

1.1 什么是 RNG？

随机数生成器（RNG）基于芯片内部热噪声生成真正的非确定性随机数，适用于加密、安全认证、防重放攻击等对随机性要求较高的场景。与伪随机数生成器（PRNG）不同，RNG 不需要种子值，每次生成的随机数都不可预测，安全性更高。

应用场景：RNG 常用于密钥生成、安全 Token、防重放攻击、随机延时、测试数据填充等场景。在物联网设备中，硬件 RNG 是保障通信安全的重要基础组件。

1.2 工作原理与寄存器操作

通过触发START任务启动 RNG，通过触发STOP任务停止 RNG。当启动时，新的随机数将连续生成，并在准备就绪时写入VALUE寄存器。每个写入VALUE寄存器的新随机数都会生成一个VALRDY事件。这意味着在生成VALRDY事件后，CPU 有时间直到下一个VALRDY事件从VALUE寄存器读出随机数，然后再被一个新的随机数覆盖。

提示：VALRDY事件是读取随机数的关键信号，建议在驱动中通过中断或轮询方式及时响应，避免数据被覆盖导致随机数丢失。

二、偏差纠正

2.1 偏差纠正机制

在内部比特流上使用偏差校正算法，以消除对'1'或'0'的任何偏差。然后，这些位被排到一个 8 位寄存器中，以便从VALUE寄存器并行读出。偏差校正算法基于冯·诺依曼（von Neumann）校正器原理，通过丢弃连续相同的比特对来消除统计偏差，从而保证输出的随机数在统计上均匀分布。

2.2 配置与影响

可以在CONFIG寄存器中启用偏差校正。这将导致较慢的值生成，但将确保随机值的统计均匀分布。开发者需要根据实际应用场景权衡：对于安全敏感场景（如密钥生成、Token 生成），建议启用偏差校正以保证随机性质量；对于对速度要求较高、随机性要求相对宽松的场景（如噪声填充、测试数据），可以关闭偏差校正以提升生成速度。

三、速度

生成一个随机字节数据所需的时间是不可预测的，并且可能随字节的不同而变化。当启用偏差校正时尤其如此，因为校正算法会丢弃部分比特，导致有效比特率下降。因此，RNG 不适合用于对时序要求严格的场景（如高速数据流加密），更适合用于低频次、高安全性的随机数获取场景。

四、常用函数

4.1 random_vector_generate

4.1.1 函数原型

voidrandom_vector_generate(uint8_t*pbuff,uint8_tsize);

4.1.2 参数说明

五、示例代码

5.1 bsp_rng.c

/******************************************************************************** * @file bsp_rng.c * @author jianqiang.xue * @version V1.0.0 * @date 2021-07-09 * @brief 随机数生成 ********************************************************************************//* Includes ------------------------------------------------------------------*/#include<stdint.h>#include<stdbool.h>#include"RTE_Components.h"#includeCMSIS_device_header#include"nrf_rng.h"#include"nrf_error.h"#include"bsp_rng.h"/* Private macro --------------------------------------------------------------*/#defineRNG_TIMEOUT_LOOPS1000000u/* 超时保护：等待 VALRDY 的最大循环次数 *//* Private function prototypes -----------------------------------------------*//** * @brief 启动硬件随机数，并返回一个随机数值 * @note 增加超时保护，防止硬件异常时死循环 * @retval 0-255 随机数；超时返回 0xFF */staticuint8_tget_random_vector(void){uint8_tvalue;uint32_ttimeout=RNG_TIMEOUT_LOOPS;NRF_RNG->CONFIG=1;NRF_RNG->TASKS_START=1;// 生成新的随机数并写入VALUE寄存器。NRF_RNG->EVENTS_VALRDY=0;while(NRF_RNG->EVENTS_VALRDY==0){if(--timeout==0u){// 超时：停止 RNG 并返回错误标志，避免死循环NRF_RNG->TASKS_STOP=1;NRF_RNG->INTENCLR=0;NRF_RNG->CONFIG=0;return0xFFu;/* 0xFF 作为超时错误标志 */}}value=NRF_RNG->VALUE;NRF_RNG->TASKS_STOP=1;NRF_RNG->INTENCLR=0;NRF_RNG->CONFIG=0;returnvalue;}/** * @brief 得到一组随机数 * @note 超时保护：若硬件异常导致 get_random_vector 返回 0xFF，则填充 0xFF 并继续 * @param *pbuff: 缓存区 * @param size: 数量 * @retval None */voidrandom_vector_generate(uint8_t*pbuff,uint8_tsize){uint8_ti;for(i=0;i<size;i++){pbuff[i]=get_random_vector();}}

5.1.1 错误处理说明

• 超时保护：get_random_vector内部通过RNG_TIMEOUT_LOOPS宏（默认 1000000 次循环）限制等待VALRDY事件的时间。若硬件异常导致VALRDY一直未置位，循环会在超时后退出，避免程序死锁。
• 超时返回值：超时后函数返回0xFF作为错误标志。调用方random_vector_generate会将0xFF写入缓冲区，上层应用可通过判断0xFF来识别本次随机数获取失败。
• 资源清理：无论正常返回还是超时退出，函数都会执行TASKS_STOP、INTENCLR、CONFIG复位操作，确保 RNG 外设处于停止状态，避免影响后续调用。
• 适用场景：该保护机制在硬件异常、时钟配置错误或外设未正确初始化时尤为重要，可显著提升系统的健壮性与可维护性。

5.2 bsp_rng.h

/******************************************************************************** * @file bsp_rng.h * @author jianqiang.xue * @version V1.0.0 * @date 2021-07-09 * @brief 随机数生成 ********************************************************************************/#ifndef__BSP_RNG_H#define__BSP_RNG_H/* Includes ------------------------------------------------------------------*/#include<stdint.h>/* Public Function Prototypes ------------------------------------------------*/voidrandom_vector_generate(uint8_t*pbuff,uint8_tsize);#endif

六、常见问题与排查

在实际开发中，RNG 外设的使用可能会遇到各种异常情况。下面列举几个典型问题，并给出对应的排查步骤与解决方案。

6.1 VALRDY 一直不置位

现象：调用get_random_vector后，EVENTS_VALRDY始终为 0，程序一直停留在等待循环中（若未加超时保护则会死锁）。

可能原因：

• RNG 外设时钟未使能，导致外设无法工作；
• 未正确触发TASKS_START，或触发后立即被复位；
• 芯片处于低功耗模式，RNG 外设被关闭；
• 硬件异常或芯片损坏。

排查步骤：

1. 检查时钟配置，确认 RNG 外设的时钟源已使能；
2. 确认TASKS_START已正确写入 1，且未被后续代码误清零；
3. 检查是否在低功耗模式下调用 RNG，必要时先唤醒外设；
4. 使用调试器读取POWER、CLOCK相关寄存器，确认外设供电正常。

解决方案：

• 确保在调用 RNG 前完成外设初始化与时钟使能；
• 在驱动中增加超时保护（如本文RNG_TIMEOUT_LOOPS宏），避免死循环；
• 若确认硬件异常，可考虑切换到软件伪随机数生成器（PRNG）作为降级方案。

6.2 随机数全为 0xFF

现象：random_vector_generate填充的缓冲区全部为0xFF。

可能原因：

• get_random_vector超时退出，返回0xFF作为错误标志；
• VALUE寄存器读取时序错误，读到复位默认值；
• 偏差校正配置异常，导致输出被截断。

排查步骤：

1. 在get_random_vector超时分支处打断点，确认是否超时退出；
2. 检查CONFIG寄存器配置，确认偏差校正位设置是否正确；
3. 用调试器直接读取VALUE寄存器，验证硬件是否正常输出随机数；
4. 检查EVENTS_VALRDY是否在读取前被正确清零。

解决方案：

• 若为超时导致，按 6.1 节排查硬件与时钟问题；
• 若为读取时序问题，确保在VALRDY置位后立即读取VALUE，并在读取前清零事件标志；
• 上层应用可增加对0xFF的校验，若连续多次失败则报错并重试。

6.3 偏差校正后速度过慢

现象：启用偏差校正后，生成随机数的速度明显下降，无法满足应用需求。

可能原因：

• 偏差校正算法会丢弃部分比特对，导致有效比特率下降；
• 应用对随机数的需求量较大，而 RNG 本身吞吐有限；
• 轮询方式读取VALRDY事件，CPU 空转浪费大量时间。

排查步骤：

1. 统计单位时间内生成的随机数字节数，评估实际吞吐；
2. 对比关闭偏差校正前后的速度差异，确认瓶颈是否在偏差校正；
3. 检查是否使用中断方式读取VALRDY，避免轮询空转。

解决方案：

• 对于安全敏感场景，保留偏差校正以保证随机性质量；
• 对于速度敏感场景，可关闭偏差校正（CONFIG寄存器清零）；
• 改用中断或 DMA 方式读取随机数，减少 CPU 等待时间；
• 若吞吐仍不足，可考虑在系统初始化时预生成一批随机数缓存备用。

6.4 随机数分布不均匀

现象：生成的随机数在统计上出现明显偏向，某些值出现频率过高。

可能原因：

• 未启用偏差校正，内部比特流存在统计偏差；
• 读取时序错误，导致部分比特丢失；
• 外部干扰影响热噪声源质量。

排查步骤：

1. 采集大量随机数样本，进行简单的分布统计；
2. 确认CONFIG寄存器中偏差校正位已正确使能；
3. 检查 PCB 布局，确认 RNG 相关引脚无强干扰源。

解决方案：

• 启用偏差校正，消除统计偏差；
• 确保读取时序正确，避免数据覆盖或丢失；
• 若为硬件干扰，优化 PCB 布局或增加屏蔽措施。

七、总结

本文围绕 nRF5 系列芯片的硬件随机数生成器（RNG）展开，从原理到代码实现进行了系统梳理，核心要点如下：

• 工作原理：RNG 基于芯片内部热噪声生成真正的非确定性随机数，无需种子值。通过触发START任务启动、STOP任务停止，新随机数在就绪后写入VALUE寄存器，并产生VALRDY事件通知 CPU 读取。
• 偏差纠正：内部比特流经偏差校正算法处理后，可消除对'1'或'0'的统计偏差，确保随机值均匀分布。该功能通过CONFIG寄存器启用，代价是生成速度变慢。
• 速度特性：生成单个随机字节所需时间不可预测，启用偏差纠正后尤为明显，因此不适合对时序要求严格的场景。
• 代码实现要点：
  • 封装了random_vector_generate接口，通过get_random_vector逐字节获取随机数并填充缓冲区；
  • 为get_random_vector增加了超时保护机制（RNG_TIMEOUT_LOOPS），防止硬件异常时陷入死循环，超时返回0xFF作为错误标志；
  • 无论正常返回还是超时退出，均会复位TASKS_STOP、INTENCLR、CONFIG，确保外设状态干净，提升系统健壮性。

八、参考资料

• Nordic Semiconductor 官方文档 - RNG 外设说明
• nRF5 SDK 官方文档与 API 手册
• nRF52832 数据手册（Product Specification）
• CSDN 博客：nRF5 系列 RNG 随机数生成器使用详解
• CSDN 博客：nRF52832 外设驱动开发实战——RNG 篇