53. 硬件随机数

一、随机数发生器简介

STM32F407 自带了硬件随机数发生器（RNG），RNG 处理器是一个以连续模拟噪声为基础的随机数发生器，在主机读数时提供一个 32 位的随机数。

随机数发生器框图

STM32F407 的随机数发生器（RNG）采用模拟电路实现。此电路产生馈入线性反馈移位寄存器（RNG_LFSR）的种子，用于生成 32 位随机数。

该模拟电路由几个环形振荡器组成，振荡器的输出进行异或运算以产生种子。RNG_LFSR 由专用时钟（PLL48CLK）按恒定频率提供时钟信息，因此随机数质量与 HCLK 频率无关。当将大量种子引入 RNG_LFSR 后，RNG_LFSR 的内容会传入数据寄存器（RNG_DR）。

同时，系统会监视模拟种子和专用时钟 rng_clk，当种子上出现异常序列，或 rng_clk 时钟频率过低时，可以由 RNG_SR 寄存器的对应位读取到，如果设置了中断，则在检测到错误时，还可以产生中断。

二、RNG寄存器

2.1、RNG控制寄存器

RNG控制寄存器

该寄存器我们需要关注 RNGEN 位，该位用于使能随机数发生器，所以必须设置为 1。

2.2、RNG状态寄存器

RNG状态寄存器

该寄存器我们需要关注最低位（DRDY 位），该位用于表示 RNG_DR 寄存器包含的随机数数据是否有效，如果该位为 1，则说明 RNG_DR 的数据是有效的，可以读取出来了。读 RNG_DR 后，该位自动清零。

2.3、RNG数据寄存器

RNG数据寄存器

RNG_DR 寄存器是只读寄存器，我们可以读取该寄存器获得 32 位随机数值。此寄存器在最多 40 个 PLL48CLK 时钟周期后，又可以提供新的随机数值。

三、RNG配置步骤

3.1、使能随机数发生器时钟

#define __HAL_RCC_RNG_CLK_ENABLE()    do { \
                                        __IO uint32_t tmpreg = 0x00U; \
                                        SET_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_RNGEN);\
                                        /* Delay after an RCC peripheral clock enabling */ \
                                        tmpreg = READ_BIT(RCC->AHB2ENR, RCC_AHB2ENR_RNGEN);\
                                        UNUSED(tmpreg); \
                                      } while(0U)

3.2、初始化随机数发生器

HAL_StatusTypeDef HAL_RNG_Init(RNG_HandleTypeDef *hrng)

形参 hrng 是 RNG_HandleTypeDef 结构体类型指针变量，其定义如下：

typedef struct
{
    RNG_TypeDef *Instance;                      // RNG基地址
    HAL_LockTypeDef Lock;                       // RNG锁设置
    __IO HAL_RNG_StateTypeDef State;            // RNG设备访问状态
    __IO  uint32_t ErrorCode;                   // RNG错误代码
    uint32_t RandomNumber;                      // RNG最后生成的随机数
} RNG_HandleTypeDef;

Instance：指向 RNG 寄存器基地址。

#define RNG                 ((RNG_TypeDef *) RNG_BASE)

该函数的返回值是 HAL_StatusTypeDef 枚举类型的值，有 4 个，分别是 HAL_OK 表示成功，HAL_ERROR 表示错误，HAL_BUSY 表示忙碌，HAL_TIMEOUT 表示超时。

typedef enum 
{
    HAL_OK = 0x00U,             // 成功
    HAL_ERROR = 0x01U,          // 错误
    HAL_BUSY = 0x02U,           // 忙碌
    HAL_TIMEOUT = 0x03U         // 超时
} HAL_StatusTypeDef;

3.3、生成随机数

HAL_RNG_GenerateRandomNumber() 是 RNG 生成随机数函数。

HAL_StatusTypeDef HAL_RNG_GenerateRandomNumber(RNG_HandleTypeDef *hrng, uint32_t *random32bit)

形参 hrng 是 RNG_HandleTypeDef 结构体类型指针变量，即 RNG 的句柄。

形参 random32bit 是 uint32_t 类型指针变量，随机 32 位指针，生成随机变量。

四、程序源码

RNG 初始化函数：

RNG_HandleTypeDef g_rng_handle;

/**
 * @brief RNG初始化函数
 * 
 * @return uint8_t 0: 初始化成功; 1: 初始化失败
 */
uint8_t RNG_Init(void)
{
    uint16_t time = 0;

    g_rng_handle.Instance = RNG;
    HAL_RNG_Init(&g_rng_handle);

    // 等待RNG初始化完成
    while ((!__HAL_RNG_GET_FLAG(&g_rng_handle, RNG_FLAG_DRDY) == RESET) && (time < 1000))
    {
        time++;
        HAL_Delay(1);
    }
  
    if (time >= 1000)
    {
        return 1;
    }
  
    return 0;
}

RNG 底层初始化函数：

/**
 * @brief RNG底层初始化函数
 * 
 * @param hrng 
 */
void HAL_RNG_MspInit(RNG_HandleTypeDef *hrng)
{
    if (hrng->Instance == RNG)
    {
        __HAL_RCC_RNG_CLK_ENABLE();
    }
}

生成一个随机数函数

/**
 * @brief 生成一个随机数函数
 * 
 * @return uint32_t 32位的随机数值
 */
int RNG_GetRandomNumber(void)
{
    uint32_t random_number = 0;
    HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&g_rng_handle, &random_number);

    return random_number;
}

获取某一个范围内的随机数函数：

/**
 * @brief 获取某一个范围内的随机数函数
 * 
 * @param min 最小值
 * @param max 最大值
 * @return uint32_t 32位的随机数值
 */
int RNG_GetRandomNumberInRange(int min, int max)
{
    uint32_t random_number = 0;
    HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&g_rng_handle, &random_number);

    return random_number % (max - min + 1) + min;
}

main() 函数：

int main(void)
{
    uint32_t number = 0;

    HAL_Init();
    System_Clock_Init(8, 336, 2, 7);
    Delay_Init(168);

    UART_Init(&g_usart1_handle, USART1, 115200);
    RNG_Init();

    while (1)
    {
        number = RNG_GetRandomNumber();
        printf("number: %d\r\n", number);
        number = RNG_GetRandomNumberInRange(0, 100);
        printf("number: %d\r\n\r\n", number);
        HAL_Delay(1000);
    }
  
    return 0;
}

posted @ 2024-02-02 21:54 星光樱梦阅读(413) 评论(0) 编辑收藏举报

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