STM32 硬件随机数发生器

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前言

在日常生活中有很多情况都有用到随机数的应用，比如手机验证码、快递取件码等。

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第1章 随机数发生器简介

随机数发生器(Random Number Generators，RNG)，用于生成随机数的程序或硬件。
STM32F4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(真)随机数。

RNG 已通过 FIPS PUB 140-2（ 2001 年 10 月 10 日）测试，成功率达 99%。

注意：M3内核等低端些的的芯片不具有这个硬件随机数发生器，具体需要参考“芯片选型手册”! 如果要产生随机数，只能利用软件方式模拟生成伪随机数。

1.1 RNG主要特性

1、提供由模拟量发生器产生的 32 位随机数。
2、两个连续随机数的间隔为 40 个 PLL48CLK 时钟信号周期。
3、通过监视 RNG 熵来标识异常行为（产生稳定值，或产生稳定的值序列）。
4、可被禁止以降低功耗。
5、真随机数：完全随机，毫无规律（STM32的部分型号上具备真随机数发生器）。
6、伪随机数：伪随机数是用确定性的算法计算出的随机数序列，并非真正的随机。

1.2.RNG应用

验证码、快递取件码、贪吃蛇游戏食物坐标等应用。

第2章 RNG原理框图

STM32F4 的随机数发生器框图如下图所示：

随机数发生器采用模拟电路实现的。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 PLL48CLK。状态位（ RNG_SR 寄存器中）指示何时在种子上出现异常序列，或指示何时PLL48CLK 时钟频率过低，出现过低时可以由RNG_SR寄存器的对应位读取，如果设置了中断，则在检测到错误时生成中断。

第3章 RNG相关寄存器

3.1 RNG 控制寄存器 (RNG_CR)

该寄存器主要用RNGEN 位，该位用于使能随机数发生器，所以设置为 1。

3.2 RNG 状态寄存器 (RNG_SR)

该寄存器需要用到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。

3.3 RNG 数据寄存器 (RNG_DR)

RNG_DR 寄存器是只读寄存器，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。

第3章 RNG代码部分

由于这个RNG涉及的寄存器比较少，可以直接用寄存器方式来操作即可，就不用库函数方式了，寄存器看上去就比较简洁。

示例代码如下：

//初始化RNG
//返回值:0,成功;1,失败
u8 RNG_Init(void)
{
	u16 retry=0; 
	RCC->AHB2ENR=1<<6;	//开启RNG时钟,来自PLL48CLK
	RNG->CR|=1<<2;		//使能RNG
	while((RNG->SR&0X01)==0&&retry<10000)	//等待随机数就绪
	{
		retry++;
		delay_us(100);
	}
	if(retry>=10000)return 1;//随机数产生器工作不正常
	return 0;
}

//得到随机数
//返回值:获取到的随机数
u32 RNG_Get_RandomNum(void)
{	 
	while((RNG->SR&0X01)==0);	//等待随机数就绪  
	return RNG->DR;	
}

//得到某个范围内的随机数
//min,max,最小,最大值.
//返回值:得到的随机数(rval),满足:min<=rval<=max
int RNG_Get_RandomRange(int min,int max)
{ 
   return RNG_Get_RandomNum()%(max-min+1)+min;
}

int main(void)
{
    u32 random = 0;
    delay_init(168);        // 初始化 延时函数
    uart_init(115200);      // 初始化串口，波特率为115200
    RNG_Init();             // 初始化 RNG 硬件接口
    while(1)
    {
        random = RNG_Get_Random_Num();        // 获取一个32位的随机数 
        printf("random = %d\r\n", random);    // 显示32位随机数 

        random = RNG_Get_Random_Range(10, 20);// 获取[10, 20]区间内的随机数 
        printf("random = %d\r\n", random);    // 显示区间随机数 
        delay_ms(500);
    }
}

下载例程后，可以在串口看到不断输出随机数了。

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第4章 STM32F1 软件模拟RNG

单纯用软件方式模拟生成一个伪随机数。

#include "delay.h"
#include "usart.h"
#include <stdlib.h>           //* 使用rand函数,库文件，使用尖括号 */

/* 设置随机数的取值区间范围 */
#define RANDOM_MIN    1000    // 随机数最小值
#define RANDOM_MAX    9999    // 随机数最大值

int main(void)
{
    u32 random_value = 0;   // 保存随机值
    delay_init();           // 初始化 延时函数
    uart_init(115200);      // 初始化串口，波特率为115200

    while(1)
    {
        /* 随机数生成 */
        random_value = rand();     //产生32位随机数 
        printf("当前随机数为：%d\r\n", random_value);
        random_value = rand() % (RANDOM_MAX + 1 - RANDOM_MIN) + RANDOM_MIN;// 产生区间随机数 
        printf("当前随机数为：%d\r\n", random_value);
        
        delay_ms(500);
    }
}

这种用软件生成的伪随机数只能说是接近实验目的效果，但是并不可取的方案。