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[STM32F1]

单片机STM32F1随机数生成探索与实践(基于CUBEMX和KEIL5)

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王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:24 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
随机数广泛地用于游戏、以及测试环境中,本文产生的随机数将用于测试排序算法性能。

一些高端型号的单片机具有硬件的随机数发生器,如STM32F4,STM32H7等,从这些单片机的随机数发生器的结构,其原理产生模拟噪声信号并采集,使用该硬件可以产生真随机数。但是低端单片机,如STM32F1,8051等没有随机数发生器,只能利用软件生成伪随机数。

生成伪随机数时,通常使用<stdlib.h>中的随机数生成函数。但是,使用前必须要明确一点,这个随机数生成函数并不是灵丹妙药,否则高端型号的单片机也不需要随机数发生器了。欲想生成较为随机的随机数,必须在每次生成随机数前,提供一个不同的随机数种子。

生成随机数的代码如下:
    #include <stdlib.h>       
    srand(每次需要一个不同的无符号整型数值);//随机数种子设置
        #define RANDOM_MAX        65535                //随机数最大值
        #define RANDOM_MIN  0                        //随机数最小值
        uint32_t random_value;
        random_value = rand() % (RANDOM_MAX + 1 - RANDOM_MIN) + RANDOM_MIN;//随机数生成
        printf("        当前随机数为:%d\r\n", random_value);


有了这寥寥几行代码就已经足够产生一个想要的随机数了,但是离成功还差最后一步,就是随机数种子的产生。

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沙发
王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:27 | 只看该作者
经测试,每次生成随机数时,必须给不一样的种子,否则生成的随机数将会相同。

随机数种子产生的方式有很多种,常用的随机数产生的方式有:使用定时器产生、使用实时时钟产生、使用模拟电路产生并使用ADC采集。其中模拟电路产生的方式的具体效果将由模拟电路结构决定,本文仅针对定时器产生和实时时钟产生两种方式进行探索和实践。

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板凳
王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:28 | 只看该作者
首先是实时时钟的方式

实时时钟的配置如下:

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地板
王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:28 | 只看该作者
读取时间的代码如下:

        RTC_DateTypeDef  date_info;
        RTC_TimeTypeDef  time_info;
        HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &time_info, RTC_FORMAT_BIN);          //读时间
        HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &date_info, RTC_FORMAT_BIN);   //读日期
    srand(time_info.Hours+time_info.Minutes+time_info.Seconds);//随机数种子设置

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5
王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:28 | 只看该作者
注意:在使用STM32的RTC时,无论是仅需要时间还是仅需要日期,读取时都需要日期和时间全部读取,且必须先读取时间后读取日期(在STM32H7和STM32F0中必须是这个顺序否则无法正常使用)。

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6
王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:28 | 只看该作者
该代码将时间作为随机数种 子,即每秒都会改变,实际测试如下图所示:

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7
王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:29 | 只看该作者
从图中可以清晰地看到,每秒内,产生的随机数相同。使用该方法若想产生真随机数,则只能每秒产生一个。如下图所示:

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8
王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:29 | 只看该作者
这样虽然可以产生随机数,但是不能满足测试需求,因为笔者需要快速产生若干随机数用于测试排序算法。所以必须要找到一个高于随机数生成速度更新的随机数种子。此处使用定时器产生。

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9
王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:29 | 只看该作者
定时器可以工作在很高的频率,并设置定时器为自动重装模式,即可周而复始得产生快速变化得数值。定时器配置界面如下:

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10
王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:29 | 只看该作者

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11
王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:29 | 只看该作者
需要手动配置地方如图中黄色区域所示,其余部分默认即可。其中PSC分频器配置可选择其他值,不要选太大否则定时器数值变化仍旧很慢。Auto-reload自动重装必须要打开。

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12
王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:30 | 只看该作者
使用该方法后,代码如下(此处使用TIM3):
        HAL_TIM_Base_Start(&htim3);//打开定时器
        srand(__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3));//随机数种子设置
        #define RANDOM_MAX        65535                //随机数最大值
        #define RANDOM_MIN  0                        //随机数最小值
        uint32_t random_value;
        random_value = rand() % (RANDOM_MAX + 1 - RANDOM_MIN) + RANDOM_MIN;//随机数生成
        printf("        当前随机数为:%d\r\n", random_value);

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13
王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:30 | 只看该作者
亦可将此方法与实时时钟结合使用,即:
        HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &time_info, RTC_FORMAT_BIN);          
        HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &date_info, RTC_FORMAT_BIN);
        printf("当前时间:%2d:%2d:%2d", time_info.Hours, time_info.Minutes, time_info.Seconds);         
        HAL_TIM_Base_Start(&htim3);
        srand(time_info.Hours+time_info.Minutes+time_info.Seconds+__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3));//随机数种子设置
        #define RANDOM_MAX        65535                //随机数最大值
        #define RANDOM_MIN  0                        //随机数最小值
        uint32_t random_value;
        random_value = rand() % (RANDOM_MAX + 1 - RANDOM_MIN) + RANDOM_MIN;//随机数生成
        printf("        当前随机数为:%d\r\n", random_value);

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王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:30 | 只看该作者
运行效果如图,可以快速产生随机数,且满足要求:

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王派oo|  楼主 | 2023-12-20 15:31 | 只看该作者
本部分完整的代码如下,由于使用FreeRTOS,此处仅展示产生随机数这个进程的代码:#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "rtc.h"
#include "tim.h"
/* USER CODE BEGIN Header_Algorithm_Function */
/**
* @brief Function implementing the Algorithm_Task thread.
* @param argument: Not used
* @retval None
*/
/* USER CODE END Header_Algorithm_Function */
void Algorithm_Function(void *argument)
{
  /* USER CODE BEGIN Algorithm_Function */
        RTC_DateTypeDef  date_info;
        RTC_TimeTypeDef  time_info;
        printf("勇敢牛牛,不怕困难\r\n");
  /* Infinite loop */
  for(;;)
  {
        HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &time_info, RTC_FORMAT_BIN);          
        HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &date_info, RTC_FORMAT_BIN);
        printf("当前时间:%2d:%2d:%2d", time_info.Hours, time_info.Minutes, time_info.Seconds);         
        HAL_TIM_Base_Start(&htim3);
        srand(time_info.Hours+time_info.Minutes+time_info.Seconds+__HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3));//随机数种子设置
        #define RANDOM_MAX        65535                //随机数最大值
        #define RANDOM_MIN  0                        //随机数最小值
        uint32_t random_value;
        random_value = rand() % (RANDOM_MAX + 1 - RANDOM_MIN) + RANDOM_MIN;//随机数生成
        printf("        当前随机数为:%d\r\n", random_value);
    osDelay(77);
  }
  /* USER CODE END Algorithm_Function */
}

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