Update Chopstx, and follow the change.
[gnuk/neug.git] / src / neug.c
1 /*
2  * neug.c - true random number generation
3  *
4  * Copyright (C) 2011, 2012, 2013, 2016, 2017, 2018
5  *               Free Software Initiative of Japan
6  * Author: NIIBE Yutaka <gniibe@fsij.org>
7  *
8  * This file is a part of NeuG, a True Random Number Generator
9  * implementation based on quantization error of ADC (for STM32F103).
10  *
11  * NeuG is free software: you can redistribute it and/or modify it
12  * under the terms of the GNU General Public License as published by
13  * the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
14  * (at your option) any later version.
15  *
16  * NeuG is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
17  * ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY
18  * or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public
19  * License for more details.
20  *
21  * You should have received a copy of the GNU General Public License
22  * along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
23  *
24  */
25
26 #include <stdint.h>
27 #include <string.h>
28 #include <chopstx.h>
29
30 #include "sys.h"
31 #include "neug.h"
32 #ifndef GNU_LINUX_EMULATION
33 #include "mcu/stm32f103.h"
34 #endif
35 #include "adc.h"
36 #include "sha256.h"
37
38 #ifdef GNU_LINUX_EMULATION
39 static const uint32_t crc32_rv_table[256] = {
40   0x00000000, 0x04c11db7, 0x09823b6e, 0x0d4326d9, 0x130476dc, 0x17c56b6b,
41   0x1a864db2, 0x1e475005, 0x2608edb8, 0x22c9f00f, 0x2f8ad6d6, 0x2b4bcb61,
42   0x350c9b64, 0x31cd86d3, 0x3c8ea00a, 0x384fbdbd, 0x4c11db70, 0x48d0c6c7,
43   0x4593e01e, 0x4152fda9, 0x5f15adac, 0x5bd4b01b, 0x569796c2, 0x52568b75,
44   0x6a1936c8, 0x6ed82b7f, 0x639b0da6, 0x675a1011, 0x791d4014, 0x7ddc5da3,
45   0x709f7b7a, 0x745e66cd, 0x9823b6e0, 0x9ce2ab57, 0x91a18d8e, 0x95609039,
46   0x8b27c03c, 0x8fe6dd8b, 0x82a5fb52, 0x8664e6e5, 0xbe2b5b58, 0xbaea46ef,
47   0xb7a96036, 0xb3687d81, 0xad2f2d84, 0xa9ee3033, 0xa4ad16ea, 0xa06c0b5d,
48   0xd4326d90, 0xd0f37027, 0xddb056fe, 0xd9714b49, 0xc7361b4c, 0xc3f706fb,
49   0xceb42022, 0xca753d95, 0xf23a8028, 0xf6fb9d9f, 0xfbb8bb46, 0xff79a6f1,
50   0xe13ef6f4, 0xe5ffeb43, 0xe8bccd9a, 0xec7dd02d, 0x34867077, 0x30476dc0,
51   0x3d044b19, 0x39c556ae, 0x278206ab, 0x23431b1c, 0x2e003dc5, 0x2ac12072,
52   0x128e9dcf, 0x164f8078, 0x1b0ca6a1, 0x1fcdbb16, 0x018aeb13, 0x054bf6a4,
53   0x0808d07d, 0x0cc9cdca, 0x7897ab07, 0x7c56b6b0, 0x71159069, 0x75d48dde,
54   0x6b93dddb, 0x6f52c06c, 0x6211e6b5, 0x66d0fb02, 0x5e9f46bf, 0x5a5e5b08,
55   0x571d7dd1, 0x53dc6066, 0x4d9b3063, 0x495a2dd4, 0x44190b0d, 0x40d816ba,
56   0xaca5c697, 0xa864db20, 0xa527fdf9, 0xa1e6e04e, 0xbfa1b04b, 0xbb60adfc,
57   0xb6238b25, 0xb2e29692, 0x8aad2b2f, 0x8e6c3698, 0x832f1041, 0x87ee0df6,
58   0x99a95df3, 0x9d684044, 0x902b669d, 0x94ea7b2a, 0xe0b41de7, 0xe4750050,
59   0xe9362689, 0xedf73b3e, 0xf3b06b3b, 0xf771768c, 0xfa325055, 0xfef34de2,
60   0xc6bcf05f, 0xc27dede8, 0xcf3ecb31, 0xcbffd686, 0xd5b88683, 0xd1799b34,
61   0xdc3abded, 0xd8fba05a, 0x690ce0ee, 0x6dcdfd59, 0x608edb80, 0x644fc637,
62   0x7a089632, 0x7ec98b85, 0x738aad5c, 0x774bb0eb, 0x4f040d56, 0x4bc510e1,
63   0x46863638, 0x42472b8f, 0x5c007b8a, 0x58c1663d, 0x558240e4, 0x51435d53,
64   0x251d3b9e, 0x21dc2629, 0x2c9f00f0, 0x285e1d47, 0x36194d42, 0x32d850f5,
65   0x3f9b762c, 0x3b5a6b9b, 0x0315d626, 0x07d4cb91, 0x0a97ed48, 0x0e56f0ff,
66   0x1011a0fa, 0x14d0bd4d, 0x19939b94, 0x1d528623, 0xf12f560e, 0xf5ee4bb9,
67   0xf8ad6d60, 0xfc6c70d7, 0xe22b20d2, 0xe6ea3d65, 0xeba91bbc, 0xef68060b,
68   0xd727bbb6, 0xd3e6a601, 0xdea580d8, 0xda649d6f, 0xc423cd6a, 0xc0e2d0dd,
69   0xcda1f604, 0xc960ebb3, 0xbd3e8d7e, 0xb9ff90c9, 0xb4bcb610, 0xb07daba7,
70   0xae3afba2, 0xaafbe615, 0xa7b8c0cc, 0xa379dd7b, 0x9b3660c6, 0x9ff77d71,
71   0x92b45ba8, 0x9675461f, 0x8832161a, 0x8cf30bad, 0x81b02d74, 0x857130c3,
72   0x5d8a9099, 0x594b8d2e, 0x5408abf7, 0x50c9b640, 0x4e8ee645, 0x4a4ffbf2,
73   0x470cdd2b, 0x43cdc09c, 0x7b827d21, 0x7f436096, 0x7200464f, 0x76c15bf8,
74   0x68860bfd, 0x6c47164a, 0x61043093, 0x65c52d24, 0x119b4be9, 0x155a565e,
75   0x18197087, 0x1cd86d30, 0x029f3d35, 0x065e2082, 0x0b1d065b, 0x0fdc1bec,
76   0x3793a651, 0x3352bbe6, 0x3e119d3f, 0x3ad08088, 0x2497d08d, 0x2056cd3a,
77   0x2d15ebe3, 0x29d4f654, 0xc5a92679, 0xc1683bce, 0xcc2b1d17, 0xc8ea00a0,
78   0xd6ad50a5, 0xd26c4d12, 0xdf2f6bcb, 0xdbee767c, 0xe3a1cbc1, 0xe760d676,
79   0xea23f0af, 0xeee2ed18, 0xf0a5bd1d, 0xf464a0aa, 0xf9278673, 0xfde69bc4,
80   0x89b8fd09, 0x8d79e0be, 0x803ac667, 0x84fbdbd0, 0x9abc8bd5, 0x9e7d9662,
81   0x933eb0bb, 0x97ffad0c, 0xafb010b1, 0xab710d06, 0xa6322bdf, 0xa2f33668,
82   0xbcb4666d, 0xb8757bda, 0xb5365d03, 0xb1f740b4
83 };
84
85 static uint32_t crc;
86
87 void
88 crc32_rv_reset (void)
89 {
90   crc = 0xffffffff;
91 }
92
93 void
94 crc32_rv_step (uint32_t v)
95 {
96   crc = crc32_rv_table[(crc ^ (v << 0))  >> 24] ^ (crc << 8);
97   crc = crc32_rv_table[(crc ^ (v << 8))  >> 24] ^ (crc << 8);
98   crc = crc32_rv_table[(crc ^ (v << 16)) >> 24] ^ (crc << 8);
99   crc = crc32_rv_table[(crc ^ (v << 24)) >> 24] ^ (crc << 8);
100 }
101
102 uint32_t
103 crc32_rv_get (void)
104 {
105   return crc;
106 }
107
108 uint32_t
109 rbit (uint32_t v)
110 {
111   v = ((v >> 1) & 0x55555555) | ((v & 0x55555555) << 1);
112   v = ((v >> 2) & 0x33333333) | ((v & 0x33333333) << 2);
113   v = ((v >> 4) & 0x0F0F0F0F) | ((v & 0x0F0F0F0F) << 4);
114   v = ((v >> 8) & 0x00FF00FF) | ((v & 0x00FF00FF) << 8);
115   v = ( v >> 16             ) | ( v               << 16);
116   return v;
117 }
118 #else
119 void
120 crc32_rv_reset (void)
121 {
122   RCC->AHBENR |= RCC_AHBENR_CRCEN;
123   CRC->CR = CRC_CR_RESET;
124 }
125
126 void
127 crc32_rv_step (uint32_t v)
128 {
129   CRC->DR = v;
130 }
131
132 uint32_t
133 crc32_rv_get (void)
134 {
135   return CRC->DR;
136 }
137
138 uint32_t
139 rbit (uint32_t v)
140 {
141   uint32_t r;
142
143   asm ("rbit    %0, %1" : "=r" (r) : "r" (v));
144   return r;
145 }
146
147 void
148 crc32_rv_stop (void)
149 {
150   RCC->AHBENR &= ~RCC_AHBENR_CRCEN;
151 }
152 #endif
153
154 static chopstx_mutex_t mode_mtx;
155 static chopstx_cond_t  mode_cond;
156
157 static sha256_context sha256_ctx_data;
158 static uint32_t sha256_output[SHA256_DIGEST_SIZE/sizeof (uint32_t)];
159
160 /*
161  * To be a full entropy source, the requirement is to have N samples
162  * for output of 256-bit, where:
163  *
164  *      N = (256 * 2) / <min-entropy of a sample>
165  *
166  * For example, N should be more than 103 for min-entropy = 5.0.
167  *
168  * On the other hand, in the section 6.2 "Full Entropy Source
169  * Requirements", it says:
170  *
171  *     At least twice the block size of the underlying cryptographic
172  *     primitive shall be provided as input to the conditioning
173  *     function to produce full entropy output.
174  *
175  * For us, cryptographic primitive is SHA-256 and its blocksize is
176  * 512-bit (64-byte), thus, N >= 128.
177  *
178  * We chose N=140.  Note that we have "additional bits" of 16-byte for
179  * last block (feedback from previous output of SHA-256) to feed
180  * hash_df function of SHA-256, together with sample data of 140-byte.
181  *
182  * N=140 corresponds to min-entropy >= 3.68.
183  *
184  */
185 #define NUM_NOISE_INPUTS 140
186
187 #define EP_ROUND_0 0 /* initial-five-byte and 3-byte, then 56-byte-input */
188 #define EP_ROUND_1 1 /* 64-byte-input */
189 #define EP_ROUND_2 2 /* 17-byte-input */
190 #define EP_ROUND_RAW      3 /* 32-byte-input */
191 #define EP_ROUND_RAW_DATA 4 /* 32-byte-input */
192
193 #define EP_ROUND_0_INPUTS 56
194 #define EP_ROUND_1_INPUTS 64
195 #define EP_ROUND_2_INPUTS 17
196 #define EP_ROUND_RAW_INPUTS 32
197 #define EP_ROUND_RAW_DATA_INPUTS 32
198
199 static uint8_t ep_round;
200
201 static void noise_source_continuous_test (uint8_t noise);
202 static void noise_source_continuous_test_word (uint8_t b0, uint8_t b1,
203                                                uint8_t b2, uint8_t b3);
204
205 /*
206  * Hash_df initial string:
207  *
208  *  Initial five bytes are:
209  *    1,          : counter = 1
210  *    0, 0, 1, 0  : no_of_bits_returned (in big endian)
211  *
212  *  Then, three-byte from noise source follows.
213  *
214  *  One-byte was used in the previous turn, and we have three bytes in
215  *  CRC32.
216  */
217 static void ep_fill_initial_string (void)
218 {
219   uint32_t v = crc32_rv_get ();
220   uint8_t b1, b2, b3;
221
222   b3 = v >> 24;
223   b2 = v >> 16;
224   b1 = v >> 8;
225
226   noise_source_continuous_test (b1);
227   noise_source_continuous_test (b2);
228   noise_source_continuous_test (b3);
229
230   adc_buf[0] = 0x01000001;
231   adc_buf[1] = (v & 0xffffff00);
232 }
233
234 static void ep_init (int mode)
235 {
236   if (mode == NEUG_MODE_RAW)
237     {
238       ep_round = EP_ROUND_RAW;
239       adc_start_conversion (0, EP_ROUND_RAW_INPUTS);
240     }
241   else if (mode == NEUG_MODE_RAW_DATA)
242     {
243       ep_round = EP_ROUND_RAW_DATA;
244       adc_start_conversion (0, EP_ROUND_RAW_DATA_INPUTS / 4);
245     }
246   else
247     {
248       ep_round = EP_ROUND_0;
249       ep_fill_initial_string ();
250       adc_start_conversion (2, EP_ROUND_0_INPUTS);
251     }
252 }
253
254
255 static void ep_fill_wbuf_v (int i, int test, uint32_t v)
256 {
257   if (test)
258     {
259       uint8_t b0, b1, b2, b3;
260
261       b3 = v >> 24;
262       b2 = v >> 16;
263       b1 = v >> 8;
264       b0 = v;
265
266       noise_source_continuous_test_word (b0, b1, b2, b3);
267     }
268
269   sha256_ctx_data.wbuf[i] = v;
270 }
271
272 /* Here, we assume a little endian architecture.  */
273 static int ep_process (int mode)
274 {
275   int i, n;
276   uint32_t v;
277
278   if (ep_round == EP_ROUND_0)
279     {
280       sha256_start (&sha256_ctx_data);
281       sha256_ctx_data.wbuf[0] = adc_buf[0];
282       sha256_ctx_data.wbuf[1] = adc_buf[1];
283       for (i = 0; i < EP_ROUND_0_INPUTS / 4; i++)
284         {
285           crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 2]);
286           crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 3]);
287           crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 4]);
288           crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 5]);
289           v = crc32_rv_get ();
290           ep_fill_wbuf_v (i+2, 1, v);
291         }
292
293       adc_start_conversion (0, EP_ROUND_1_INPUTS);
294       sha256_process (&sha256_ctx_data);
295       ep_round++;
296       return 0;
297     }
298   else if (ep_round == EP_ROUND_1)
299     {
300       for (i = 0; i < EP_ROUND_1_INPUTS / 4; i++)
301         {
302           crc32_rv_step (adc_buf[i*4]);
303           crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 1]);
304           crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 2]);
305           crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 3]);
306           v = crc32_rv_get ();
307           ep_fill_wbuf_v (i, 1, v);
308         }
309
310       adc_start_conversion (0, EP_ROUND_2_INPUTS + 3);
311       sha256_process (&sha256_ctx_data);
312       ep_round++;
313       return 0;
314     }
315   else if (ep_round == EP_ROUND_2)
316     {
317       for (i = 0; i < EP_ROUND_2_INPUTS / 4; i++)
318         {
319           crc32_rv_step (adc_buf[i*4]);
320           crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 1]);
321           crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 2]);
322           crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 3]);
323           v = crc32_rv_get ();
324           ep_fill_wbuf_v (i, 1, v);
325         }
326
327       crc32_rv_step (adc_buf[i*4]);
328       crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 1]);
329       crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 2]);
330       crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 3]);
331       v = crc32_rv_get () & 0xff;   /* First byte of CRC32 is used here.  */
332       noise_source_continuous_test (v);
333       sha256_ctx_data.wbuf[i] = v;
334       ep_init (NEUG_MODE_CONDITIONED); /* The rest three-byte of
335                                           CRC32 is used here.  */
336       n = SHA256_DIGEST_SIZE / 2;
337       memcpy (((uint8_t *)sha256_ctx_data.wbuf) + EP_ROUND_2_INPUTS,
338               sha256_output, n);
339       sha256_ctx_data.total[0] = 5 + NUM_NOISE_INPUTS + n;
340       sha256_finish (&sha256_ctx_data, (uint8_t *)sha256_output);
341       return SHA256_DIGEST_SIZE / sizeof (uint32_t);
342     }
343   else if (ep_round == EP_ROUND_RAW)
344     {
345       for (i = 0; i < EP_ROUND_RAW_INPUTS / 4; i++)
346         {
347           crc32_rv_step (adc_buf[i*4]);
348           crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 1]);
349           crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 2]);
350           crc32_rv_step (adc_buf[i*4 + 3]);
351           v = crc32_rv_get ();
352           ep_fill_wbuf_v (i, 1, v);
353         }
354
355       ep_init (mode);
356       return EP_ROUND_RAW_INPUTS / 4;
357     }
358   else if (ep_round == EP_ROUND_RAW_DATA)
359     {
360       for (i = 0; i < EP_ROUND_RAW_DATA_INPUTS / 4; i++)
361         {
362           v = adc_buf[i];
363           ep_fill_wbuf_v (i, 0, v);
364         }
365
366       ep_init (mode);
367       return EP_ROUND_RAW_DATA_INPUTS / 4;
368     }
369
370   return 0;
371 }
372
373
374 static const uint32_t *ep_output (int mode)
375 {
376   if (mode)
377     return sha256_ctx_data.wbuf;
378   else
379     return sha256_output;
380 }
381 \f
382 #define REPETITION_COUNT           1
383 #define ADAPTIVE_PROPORTION_64     2
384 #define ADAPTIVE_PROPORTION_4096   4
385
386 uint8_t neug_err_state;
387 uint16_t neug_err_cnt;
388 uint16_t neug_err_cnt_rc;
389 uint16_t neug_err_cnt_p64;
390 uint16_t neug_err_cnt_p4k;
391
392 uint16_t neug_rc_max;
393 uint16_t neug_p64_max;
394 uint16_t neug_p4k_max;
395
396 static void noise_source_cnt_max_reset (void)
397 {
398   neug_err_cnt = neug_err_cnt_rc = neug_err_cnt_p64 = neug_err_cnt_p4k = 0;
399   neug_rc_max = neug_p64_max = neug_p4k_max = 0;
400 }
401
402 static void noise_source_error_reset (void)
403 {
404   neug_err_state = 0;
405 }
406
407 static void noise_source_error (uint32_t err)
408 {
409   neug_err_state |= err;
410   neug_err_cnt++;
411
412   if ((err & REPETITION_COUNT))
413     neug_err_cnt_rc++;
414   if ((err & ADAPTIVE_PROPORTION_64))
415     neug_err_cnt_p64++;
416   if ((err & ADAPTIVE_PROPORTION_4096))
417     neug_err_cnt_p4k++;
418 }
419
420 /*
421  * For health tests, we assume that the device noise source has
422  * min-entropy >= 4.2.  Observing raw data stream (before CRC-32) has
423  * more than 4.2 bit/byte entropy.  When the data stream after CRC-32
424  * filter will be less than 4.2 bit/byte entropy, that must be
425  * something wrong.  Note that even we observe < 4.2, we still have
426  * some margin, since we use NUM_NOISE_INPUTS=140.
427  *
428  */
429
430 /* Cuttoff = 9, when min-entropy = 4.2, W= 2^-30 */
431 /* ceiling of (1+30/4.2) */
432 #define REPITITION_COUNT_TEST_CUTOFF 9
433
434 static uint8_t rct_a;
435 static uint8_t rct_b;
436
437 static void repetition_count_test (uint8_t sample)
438 {
439   if (rct_a == sample)
440     {
441       rct_b++;
442       if (rct_b >= REPITITION_COUNT_TEST_CUTOFF)
443         noise_source_error (REPETITION_COUNT);
444       if (rct_b > neug_rc_max)
445         neug_rc_max = rct_b;
446    }
447   else
448     {
449       rct_a = sample;
450       rct_b = 1;
451     }
452 }
453
454 static void repetition_count_test_word (uint8_t b0, uint8_t b1,
455                                         uint8_t b2, uint8_t b3)
456 {
457   if (rct_a == b0)
458     rct_b++;
459   else
460     {
461       rct_a = b0;
462       rct_b = 1;
463     }
464
465   if (rct_a == b1)
466     rct_b++;
467   else
468     {
469       rct_a = b1;
470       rct_b = 1;
471     }
472
473   if (rct_a == b2)
474     rct_b++;
475   else
476     {
477       rct_a = b2;
478       rct_b = 1;
479     }
480
481   if (rct_a == b3)
482     rct_b++;
483   else
484     {
485       rct_a = b3;
486       rct_b = 1;
487     }
488
489   if (rct_b >= REPITITION_COUNT_TEST_CUTOFF)
490     noise_source_error (REPETITION_COUNT);
491   if (rct_b > neug_rc_max)
492     neug_rc_max = rct_b;
493 }
494
495 /* Cuttoff = 18, when min-entropy = 4.2, W= 2^-30 */
496 /* With R, qbinom(1-2^-30,64,2^-4.2) */
497 #define ADAPTIVE_PROPORTION_64_TEST_CUTOFF 18
498
499 static uint8_t ap64t_a;
500 static uint8_t ap64t_b;
501 static uint8_t ap64t_s;
502
503 static void adaptive_proportion_64_test (uint8_t sample)
504 {
505   if (ap64t_s++ >= 64)
506     {
507       ap64t_a = sample;
508       ap64t_s = 1;
509       ap64t_b = 0;
510     }
511   else
512     if (ap64t_a == sample)
513       {
514         ap64t_b++;
515         if (ap64t_b > ADAPTIVE_PROPORTION_64_TEST_CUTOFF)
516           noise_source_error (ADAPTIVE_PROPORTION_64);
517         if (ap64t_b > neug_p64_max)
518           neug_p64_max = ap64t_b;
519       }
520 }
521
522 static void adaptive_proportion_64_test_word (uint8_t b0, uint8_t b1,
523                                               uint8_t b2, uint8_t b3)
524 {
525   if (ap64t_s >= 64)
526     {
527       ap64t_a = b0;
528       ap64t_s = 4;
529       ap64t_b = 0;
530     }
531   else
532     {
533       ap64t_s += 4;
534
535       if (ap64t_a == b0)
536         ap64t_b++;
537     }
538
539   if (ap64t_a == b1)
540     ap64t_b++;
541
542   if (ap64t_a == b2)
543     ap64t_b++;
544
545   if (ap64t_a == b3)
546     ap64t_b++;
547
548   if (ap64t_b > ADAPTIVE_PROPORTION_64_TEST_CUTOFF)
549     noise_source_error (ADAPTIVE_PROPORTION_64);
550   if (ap64t_b > neug_p64_max)
551     neug_p64_max = ap64t_b;
552 }
553
554 /* Cuttoff = 315, when min-entropy = 4.2, W= 2^-30 */
555 /* With R, qbinom(1-2^-30,4096,2^-4.2) */
556 #define ADAPTIVE_PROPORTION_4096_TEST_CUTOFF 315
557
558 static uint8_t ap4096t_a;
559 static uint16_t ap4096t_b;
560 static uint16_t ap4096t_s;
561
562 static void adaptive_proportion_4096_test (uint8_t sample)
563 {
564   if (ap4096t_s++ >= 4096)
565     {
566       ap4096t_a = sample;
567       ap4096t_s = 1;
568       ap4096t_b = 0;
569     }
570   else
571     if (ap4096t_a == sample)
572       {
573         ap4096t_b++;
574         if (ap4096t_b > ADAPTIVE_PROPORTION_4096_TEST_CUTOFF)
575           noise_source_error (ADAPTIVE_PROPORTION_4096);
576         if (ap4096t_b > neug_p4k_max)
577           neug_p4k_max = ap4096t_b;
578       }
579 }
580
581 static void adaptive_proportion_4096_test_word (uint8_t b0, uint8_t b1,
582                                                 uint8_t b2, uint8_t b3)
583 {
584   if (ap4096t_s >= 4096)
585     {
586       ap4096t_a = b0;
587       ap4096t_s = 4;
588       ap4096t_b = 0;
589     }
590   else
591     {
592       ap4096t_s += 4;
593
594       if (ap4096t_a == b0)
595         ap4096t_b++;
596     }
597
598   if (ap4096t_a == b1)
599     ap4096t_b++;
600
601   if (ap4096t_a == b2)
602         ap4096t_b++;
603
604   if (ap4096t_a == b3)
605     ap4096t_b++;
606
607   if (ap4096t_b > ADAPTIVE_PROPORTION_4096_TEST_CUTOFF)
608     noise_source_error (ADAPTIVE_PROPORTION_4096);
609   if (ap4096t_b > neug_p4k_max)
610     neug_p4k_max = ap4096t_b;
611 }
612
613
614 static void noise_source_continuous_test (uint8_t noise)
615 {
616   repetition_count_test (noise);
617   adaptive_proportion_64_test (noise);
618   adaptive_proportion_4096_test (noise);
619 }
620
621 static void noise_source_continuous_test_word (uint8_t b0, uint8_t b1,
622                                                uint8_t b2, uint8_t b3)
623 {
624   repetition_count_test_word (b0, b1, b2, b3);
625   adaptive_proportion_64_test_word (b0, b1, b2, b3);
626   adaptive_proportion_4096_test_word (b0, b1, b2, b3);
627 }
628 \f
629 /*
630  * Ring buffer, filled by generator, consumed by neug_get routine.
631  */
632 struct rng_rb {
633   uint32_t *buf;
634   chopstx_mutex_t m;
635   chopstx_cond_t data_available;
636   chopstx_cond_t space_available;
637   uint8_t head, tail;
638   uint8_t size;
639   unsigned int full :1;
640   unsigned int empty :1;
641 };
642
643 static void rb_init (struct rng_rb *rb, uint32_t *p, uint8_t size)
644 {
645   rb->buf = p;
646   rb->size = size;
647   chopstx_mutex_init (&rb->m);
648   chopstx_cond_init (&rb->data_available);
649   chopstx_cond_init (&rb->space_available);
650   rb->head = rb->tail = 0;
651   rb->full = 0;
652   rb->empty = 1;
653 }
654
655 static void rb_add (struct rng_rb *rb, uint32_t v)
656 {
657   rb->buf[rb->tail++] = v;
658   if (rb->tail == rb->size)
659     rb->tail = 0;
660   if (rb->tail == rb->head)
661     rb->full = 1;
662   rb->empty = 0;
663 }
664
665 static uint32_t rb_del (struct rng_rb *rb)
666 {
667   uint32_t v = rb->buf[rb->head++];
668
669   if (rb->head == rb->size)
670     rb->head = 0;
671   if (rb->head == rb->tail)
672     rb->empty = 1;
673   rb->full = 0;
674
675   return v;
676 }
677
678 uint8_t neug_mode;
679 static int rng_should_terminate;
680 static chopstx_t rng_thread;
681
682
683 /**
684  * @brief Random number generation thread.
685  */
686 static void *
687 rng (void *arg)
688 {
689   struct rng_rb *rb = (struct rng_rb *)arg;
690   int mode = neug_mode;
691
692   rng_should_terminate = 0;
693   chopstx_mutex_init (&mode_mtx);
694   chopstx_cond_init (&mode_cond);
695
696   /* Enable ADCs */
697   adc_start ();
698
699   ep_init (mode);
700   while (!rng_should_terminate)
701     {
702       int err;
703       int n;
704
705       err = adc_wait_completion ();
706
707       chopstx_mutex_lock (&mode_mtx);
708       if (err || mode != neug_mode)
709         {
710           mode = neug_mode;
711
712           noise_source_cnt_max_reset ();
713
714           /* Discarding data available, re-initiate from the start.  */
715           ep_init (mode);
716           chopstx_cond_signal (&mode_cond);
717           chopstx_mutex_unlock (&mode_mtx);
718           continue;
719         }
720       else
721         chopstx_mutex_unlock (&mode_mtx);
722
723       if ((n = ep_process (mode)))
724         {
725           int i;
726           const uint32_t *vp;
727
728           if (neug_err_state != 0
729               && (mode == NEUG_MODE_CONDITIONED || mode == NEUG_MODE_RAW))
730             {
731               /* Don't use the result and do it again.  */
732               noise_source_error_reset ();
733               continue;
734             }
735
736           vp = ep_output (mode);
737
738           chopstx_mutex_lock (&rb->m);
739           while (rb->full)
740             chopstx_cond_wait (&rb->space_available, &rb->m);
741
742           for (i = 0; i < n; i++)
743             {
744               rb_add (rb, *vp++);
745               if (rb->full)
746                 break;
747             }
748
749           chopstx_cond_signal (&rb->data_available);
750           chopstx_mutex_unlock (&rb->m);
751         }
752     }
753
754   adc_stop ();
755
756   return NULL;
757 }
758
759 static struct rng_rb the_ring_buffer;
760
761 #define STACK_PROCESS_2
762 #include "stack-def.h"
763 #define STACK_ADDR_RNG ((uintptr_t)process2_base)
764 #define STACK_SIZE_RNG (sizeof process2_base)
765
766 #define PRIO_RNG 2
767
768 /**
769  * @brief Initialize NeuG.
770  */
771 void
772 neug_init (uint32_t *buf, uint8_t size)
773 {
774   const uint32_t *u = (const uint32_t *)unique_device_id ();
775   struct rng_rb *rb = &the_ring_buffer;
776   int i;
777
778   crc32_rv_reset ();
779
780   /*
781    * This initialization ensures that it generates different sequence
782    * even if all physical conditions are same.
783    */
784   for (i = 0; i < 3; i++)
785     crc32_rv_step (*u++);
786
787   neug_mode = NEUG_MODE_CONDITIONED;
788   rb_init (rb, buf, size);
789
790   rng_thread = chopstx_create (PRIO_RNG, STACK_ADDR_RNG, STACK_SIZE_RNG,
791                                rng, rb);
792 }
793
794 /**
795  * @breif Flush random bytes.
796  */
797 void
798 neug_flush (void)
799 {
800   struct rng_rb *rb = &the_ring_buffer;
801
802   chopstx_mutex_lock (&rb->m);
803   while (!rb->empty)
804     (void)rb_del (rb);
805   chopstx_cond_signal (&rb->space_available);
806   chopstx_mutex_unlock (&rb->m);
807 }
808
809
810 /**
811  * @brief  Wakes up RNG thread to generate random numbers.
812  */
813 void
814 neug_kick_filling (void)
815 {
816   struct rng_rb *rb = &the_ring_buffer;
817
818   chopstx_mutex_lock (&rb->m);
819   if (!rb->full)
820     chopstx_cond_signal (&rb->space_available);
821   chopstx_mutex_unlock (&rb->m);
822 }
823
824 /**
825  * @brief  Get random word (32-bit) from NeuG.
826  * @detail With NEUG_KICK_FILLING, it wakes up RNG thread.
827  *         With NEUG_NO_KICK, it doesn't wake up RNG thread automatically,
828  *         it is needed to call neug_kick_filling later.
829  */
830 uint32_t
831 neug_get (int kick)
832 {
833   struct rng_rb *rb = &the_ring_buffer;
834   uint32_t v;
835
836   chopstx_mutex_lock (&rb->m);
837   while (rb->empty)
838     chopstx_cond_wait (&rb->data_available, &rb->m);
839   v = rb_del (rb);
840   if (kick)
841     chopstx_cond_signal (&rb->space_available);
842   chopstx_mutex_unlock (&rb->m);
843
844   return v;
845 }
846
847 int
848 neug_get_nonblock (uint32_t *p)
849 {
850   struct rng_rb *rb = &the_ring_buffer;
851   int r = 0;
852
853   chopstx_mutex_lock (&rb->m);
854   if (rb->empty)
855     {
856       r = -1;
857       chopstx_cond_signal (&rb->space_available);
858     }
859   else
860     *p = rb_del (rb);
861   chopstx_mutex_unlock (&rb->m);
862
863   return r;
864 }
865
866 int neug_consume_random (void (*proc) (uint32_t, int))
867 {
868   int i = 0;
869   struct rng_rb *rb = &the_ring_buffer;
870
871   chopstx_mutex_lock (&rb->m);
872   while (!rb->empty)
873     {
874       uint32_t v;
875
876       v = rb_del (rb);
877       proc (v, i);
878       i++;
879     }
880   chopstx_cond_signal (&rb->space_available);
881   chopstx_mutex_unlock (&rb->m);
882
883   return i;
884 }
885
886 void
887 neug_wait_full (void)
888 {
889   struct rng_rb *rb = &the_ring_buffer;
890
891   chopstx_mutex_lock (&rb->m);
892   while (!rb->full)
893     chopstx_cond_wait (&rb->data_available, &rb->m);
894   chopstx_mutex_unlock (&rb->m);
895 }
896
897 void
898 neug_fini (void)
899 {
900   rng_should_terminate = 1;
901   neug_get (1);
902   chopstx_join (rng_thread, NULL);
903   crc32_rv_stop ();
904 }
905
906 void
907 neug_mode_select (uint8_t mode)
908 {
909   if (neug_mode == mode)
910     return;
911
912   neug_wait_full ();
913
914   chopstx_mutex_lock (&mode_mtx);
915   neug_mode = mode;
916   neug_flush ();
917   chopstx_cond_wait (&mode_cond, &mode_mtx);
918   chopstx_mutex_unlock (&mode_mtx);
919
920   neug_wait_full ();
921   neug_flush ();
922 }