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探索者 STM32F407 开发板资料连载第二十一章 硬件随机数实验

正点原子日常 24

前言:

眼前朋友们对“随机数表的读数规则”大概比较关切,朋友们都想要剖析一些“随机数表的读数规则”的相关资讯。那么小编在网络上汇集了一些对于“随机数表的读数规则””的相关内容,希望看官们能喜欢,朋友们快快来了解一下吧!

1)实验平台:alientek 阿波罗 STM32F767 开发板

2)摘自《STM32F7 开发指南(HAL 库版)》关注官方微信号公众号,获取更多资料:正点原子

第二十一章 硬件随机数实验

本章我们将向大家介绍 STM32F4 的硬件随机数发生器。在本章中,我们将使用 KEY0 按

键来获取硬件随机数,并且将获取到的随机数值显示在 LCD 上面,同时,使用 DS0 指示程序

运行状态。本章将分为如下几个部分:

21.1 STM32F4 随机数发生器简介

21.2 硬件设计

21.3 软件设计

21.4 下载验证

21.1 STM32F4 随机数发生器简介

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 位的随机数。STM32F4 的随机数发生器框图如图

21.1.1 所示:

图 21.1.1 随机数发生器(RNG)框图

STM32F4 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 PLL48CLK,当种子上出现异常序列,或 PLL48CLK

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。

接下来,我们介绍下 STM32F4 随机数发生器(RNG)的几个寄存器。

首先是 RNG 控制寄存器:RNG_CR,该寄存器各位描述如图 21.1.2 所示:

图 21.1.2 RNG_CR 寄存器各位描述

该寄存器只有 bit2 和 bit3 有效,用于使能随机数发生器和中断。我们一般不用中断,所以

只需要设置 bit2 为 1,使能随机数发生器即可。

然后,我们看看 RNG 状态寄存器:RNG_SR,该寄存器各位描述如图 21.1.3 所示:

图 21.1.3 RNG_SR 寄存器各位描述

该寄存器我们仅关心最低位(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。

最后,我们看看 RNG 数据寄存器:RNG_DR,该寄存器各位描述如图 21.1.4 所示:

图 21.1.4 RNG_DR 寄存器各位描述

在 RNG_SR 的 DRDY 位置位后,我们就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 PLL48CK 时钟周期后,又可以提供新的随机数值。

至此,随机数发生器的寄存器,我们就介绍完了。接下来,我们看看要使用库函数操作随

机数发生器,应该如何设置。

首先,我们要说明的是,库函数中随机数发生器相关的操作在文件 stm32f4xx_hal_rng.c 和

对应的头文件 stm32f4xx_hal_rng.h 中。所以我们实验工程必须引入这两个文件。

随机数发生器操作步骤如下:

1)使能随机数发生器时钟。

要使用随机数发生器,必须先使能其时钟。随机数发生器时钟来自 PLL48CK,通过

AHB2ENR 寄存器使能。 所以我们调用使能 AHB2 总线外设时钟的函数使能 RNG 时钟即可:

__HAL_RCC_RNG_CLK_ENABLE();//使能 RNG 时钟

2)初始化(使能)随机数发生器。

HAL 库提供了 HAL_RNG_Init 函数,该函数非常简单,主要作用是引导调用 RNG 的 MSP

回调函数,然后使能随机数发生器。该函数声明如下:

HAL_StatusTypeDef HAL_RNG_Init(RNG_HandleTypeDef *hrng);

该函数非常简单,这里我们就不做过多讲解。使用方法如下:

RNG_HandleTypeDef RNG_Handler; //RNG 句柄RNG_Handler.Instance=RNG;HAL_RNG_Init(&RNG_Handler);//初始化 RNG

当我们使用 HAL_RNG_Init 之后,在该函数内部,会调用 RNG 的 MSP 回调函数,回调函

数声明如下:

void HAL_RNG_MspInit(RNG_HandleTypeDef *hrng);

回调函数中一般编写与 MCU 相关的外设时钟初始化以及 NVIC 配置。

同时,HAL 库也提供了单独使能随机数发生器的方法为:

__HAL_RNG_ENABLE(hrng); //使能 RNG

3)判断 DRDY 位,读取随机数值。

经过前面两个步骤,我们就可以读取随机数值了,不过每次读取之前,必须先判断 RNG_SR

寄存器的 DRDY 位,如果该位为 1,则可以读取 RNG_DR 得到随机数值,如果不为 1,则需要

等待。

在 HAL 库中,判断 DRDY 位并读取随机数值的函数为:

uint32_t HAL_RNG_GetRandomNumber(RNG_HandleTypeDef *hrng);

通过以上几个步骤的设置,我们就可以使用 STM32F429 的随机数发生器(RNG)了。本

章,我们将实现如下功能:通过 KEY0 获取随机数,并将获取到的随机数显示在 LCD 上面,

通过 DS0 指示程序运行状态。

21.2 硬件设计

本实验用到的硬件资源有:

1) 指示灯 DS0

2) 串口

3) KEY0 按键

4) 随机数发生器(RNG)

5) TFTLCD 模块

这些资源,我们都已经介绍了,硬件连接上面也不需要任何变动,插上 TFTLCD 模块即可。

21.3 软件设计

打开本章的实验工程可以看到,我们在 FWLIB 下面添加了随机数发生器支持库函数

stm32f4xx_hal_rng.c 和对应的头文件 stm32f4xx_hal_rng.h。同时我们编写的随机数发生器相关

的函数在新增的文件 rng.c 中。

接下来我们看看 rng.c 源文件内容:

RNG_HandleTypeDef RNG_Handler; //RNG 句柄//初始化 RNGu8 RNG_Init(void){u16 retry=0; RNG_Handler.Instance=RNG; HAL_RNG_Init(&RNG_Handler);//初始化 RNG while(__HAL_RNG_GET_FLAG(&RNG_Handler,RNG_FLAG_DRDY)==RESET&&retry<10000)//等待 RNG 准备就绪 { retry++; delay_us(10); } if(retry>=10000) return 1;//随机数产生器工作不正常 return 0;}void HAL_RNG_MspInit(RNG_HandleTypeDef *hrng){ __HAL_RCC_RNG_CLK_ENABLE();//使能 RNG 时钟}//得到随机数//返回值:获取到的随机数u32 RNG_Get_RandomNum(void){ return HAL_RNG_GetRandomNumber(&RNG_Handler);}//生成[min,max]范围的随机数int RNG_Get_RandomRange(int min,int max){ return HAL_RNG_GetRandomNumber(&RNG_Handler)%(max-min+1) +min;}

该部分总共 3 个函数,其中:RNG_Init 用于初始化随机数发生器;RNG_Get_RandomNum

用于读取随机数值;RNG_Get_RandomRange 用于读取一个特定范围内的随机数,实际上也是

调用的前一个函数 RNG_Get_RandomNum 来实现的。这些函数的实现方法都比较好理解。

rng.h 头文件内容就主要是三个函数申明,比较简单,这里我们就不做讲解。

最后我们看看 main.c 文件内容:

int main(void){u32 random; u8 t=0,key; HAL_Init();//初始化 HAL 库 Stm32_Clock_Init(336,8,2,7);//设置时钟,168Mhzdelay_init(168);//初始化延时函数uart_init(115200);//初始化 USARTLED_Init();//初始化 LEDKEY_Init();//初始化 KEYLCD_Init();//初始化 LCDusmart_dev.init(84);//初始化 USMARTPOINT_COLOR=RED;LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"Explorer STM32F4");LCD_ShowString(30,70,200,16,16,"RNG TEST");LCD_ShowString(30,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"2017/4/11"); while(RNG_Init())//初始化随机数发生器{LCD_ShowString(30,130,200,16,16," RNG Error! ");delay_ms(200);LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"RNG Trying...");}LCD_ShowString(30,130,200,16,16,"RNG Ready! ");LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"KEY0:Get Random Num");LCD_ShowString(30,180,200,16,16,"Random Num:");LCD_ShowString(30,210,200,16,16,"Random Num[0-9]:"); while(1) {key=KEY_Scan(0);if(key==KEY0_PRES){random=RNG_Get_RandomNum(); //获得随机数LCD_ShowNum(30+8*11,180,random,10,16); //显示随机数}if((t%20)==0){LED0=!LED0; //每 200ms,翻转一次 LED0random=RNG_Get_RandomRange(0,9);//获取[0,9]区间的随机数LCD_ShowNum(30+8*16,210,random,1,16); //显示随机数}delay_ms(10);t++;}}

该部分代码也比较简单,在所有外设初始化成功后,进入死循环,等待按键按下,如果 KEY0

按下,则调用 RNG_Get_RandomNum 函数,读取随机数值,并将读到的随机数显示在 LCD 上

面。每隔 200ms 获取一次区间[0,9]的随机数,并实时显示在液晶上。同时 DS0,周期性闪烁,

400ms 闪烁一次。这就实现了前面我们所说的功能。

至此,本实验的软件设计就完成了,接下来就让我们来检验一下,我们的程序是否正确了。

21.4 下载验证

将程序下载到探索者 STM32F4 开发板后,可以看到 DS0 不停的闪烁,提示程序已经在运

行了。同时每隔 200ms,获取一次区间[0,9]的随机数,实时显示在液晶上。然后我们也可以按

下 KEY0,就可以在屏幕上看到获取到的随机数,如图 21.4.1 所示:

图 21.4.1 获取随机数成功

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