STM32 - Funkcje bezpieczeństwa - TRNG

 W tym poście chciałbym opisać funkcje TRNG (ang. True Random Number Generator). 

TRNG jest zaimplementowane w większości układów z rodziny STM32. 

TRNG jest to sprzętowy generator licz losowych opartych na zjawiskach fizycznych. Oznacza to, że generuje on liczby losowe nieprzewidywalne i niereprodukowane. Są one idealne do zastosowań kryptograficznych. 

Dokładny opis [link] 

TRNG bazuje na źródle szumu analogowego. Generator tworzy zestaw czterech 32-bitowych liczb losowych. Dla przedstawionych danych próbki są dostępne co 864 cykle AHB. 

Trzy flagi statusowe:

• DRDY - (ang. Data Ready) - dane są gotowe do odczytania z rejestru DR. 
• SECS - (ang. Seed Error Current Status) - pojawiły się nieprawidłowe dane w ciągu bitów źródła entropii. np. Ponad 64 identyczne bity z rzędu bądź 32 powtarzane wzorce jak 01, 10. 
• CECS - (ang. Clock Error Current Status) - za niska częstotliwość. 

Trzy przerwania:

• CEIS - (ang. Clock Error Interrupt Status) - Przerwanie sygnalizujące problem z zegarem.
• SEIS - (ang. Seed Error Interrupt Status) - Przerwanie sygnalizujące błąd entropii
• DRDY - (ang. Data Ready Interrupt) - Dane dostępne do odczytu. 

Diagram blokowy wygląda następująco:

Schemat został podzielony na następujące bloki:

• Analog Seed - źródło entropii generowane na podstawie analogowego szumu.
• Sampling - proces próbkowania.
• Digital post-processing/conditioning - Dane ze źródła analogowego są przetwarzane cyfrowo aby poprawić rozkład losowości oraz usunięcie korelacji miedzy bitami. 
• 4x 32-bit FIFO - bufor dla danych losowych.
• 32-bit random data register - końcowy punkt z którego można odczytać gotowe dane losowe. 
• Error management - składa się z dwóch bloków:
• Clock checker - sprawdzanie poprawności zegara. Zgłaszanie błędów jeśli takie problemy się pojawią.
• Fault detector - wykrywanie błędów np. związanych z brakiem entropii bądź powtarzalności danych. 

Działanie bloku jest następujące: 

• Start RNG,
• Analogowy szum jest próbkowany i przetwarzany.
• Wynik operacji trafia do FIFO. Następnie do rejestru DR. 
• Gdy dane są gotowe ustawiana jest flaga DRDY.
• Jeśli operacja się nie powiedzie, ustawiane są flagi SEIS/CEIS.

Bezpośrednio z CubeMx można uruchomić flagę ClockErrorDetection oraz przerwania od RNG:

Rejestry RNG:

1. #define RNG_SR_DRDY_Pos     (0U)
2. #define RNG_SR_DRDY_Msk     (0x1UL << RNG_SR_DRDY_Pos)                       /*!< 0x00000001 */
3. #define RNG_SR_DRDY         RNG_SR_DRDY_Msk
4. #define RNG_SR_CECS_Pos     (1U)
5. #define RNG_SR_CECS_Msk     (0x1UL << RNG_SR_CECS_Pos)                       /*!< 0x00000002 */
6. #define RNG_SR_CECS         RNG_SR_CECS_Msk
7. #define RNG_SR_SECS_Pos     (2U)
8. #define RNG_SR_SECS_Msk     (0x1UL << RNG_SR_SECS_Pos)                       /*!< 0x00000004 */
9. #define RNG_SR_SECS         RNG_SR_SECS_Msk
10. #define RNG_SR_CEIS_Pos     (5U)
11. #define RNG_SR_CEIS_Msk     (0x1UL << RNG_SR_CEIS_Pos)                      /*!< 0x00000020 */
12. #define RNG_SR_CEIS         RNG_SR_CEIS_Msk
13. #define RNG_SR_SEIS_Pos     (6U)
14. #define RNG_SR_SEIS_Msk     (0x1UL << RNG_SR_SEIS_Pos)                     /*!< 0x00000040 */
15. #define RNG_SR_SEIS         RNG_SR_SEIS_Msk

Dane można odczytać bezpośrednio z rejestrów. Poniżej funkcje pozwalające na takie operacje:

1. uint8_t RNG_IsDataReady(void)
2. {
3.     return (RNG->SR & RNG_SR_DRDY) ? 1 : 0;
4. }
5.  
6. uint8_t RNG_IsClockErrorCurrent(void)
7. {
8.     return (RNG->SR & RNG_SR_CECS) ? 1 : 0;
9. }
10.  
11. uint8_t RNG_IsSeedErrorCurrent(void)
12. {
13.     return (RNG->SR & RNG_SR_SECS) ? 1 : 0;
14. }
15.  
16. uint8_t RNG_IsClockErrorInterrupt(void)
17. {
18.     return (RNG->SR & RNG_SR_CEIS) ? 1 : 0;
19. }

Testowa funkcja generująca 20 liczb losowych:

1. for(uint8_t i=0; i<20;i++) {
2.     uint32_t randomNumber = 0;
3.     HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&hrng, &randomNumber);
4.     printf("[%.2d] 0x%08lX\r\n",i,randomNumber);
5. }

Przykładowe generowanie liczb losowych:

1. [00] 0x4A37657E
2. [01] 0x982B4CE2
3. [02] 0x02FF5B05
4. [03] 0xB63EED7A
5. [04] 0xC516AF68
6. [05] 0xBC797E86
7. [06] 0x094F7622
8. [07] 0x18E81C6F
9. [08] 0x9D76AF46
10. [09] 0x9E3D7359
11. [10] 0x65986F55
12. [11] 0x4D296E40
13. [12] 0x382F13D3
14. [13] 0xD06EA165
15. [14] 0x31DD1B3D
16. [15] 0x431A45BF
17. [16] 0x7C8327E4
18. [17] 0x2A79581D
19. [18] 0xBE549B27
20. [19] 0x7E678273