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第二十一章 硬件随机数实验
实验16 随机数发生器实验.zip
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第二十一章 硬件随机数实验-STM32F4开发指南-正点原子探索者STM32开发板.pdf.pdf
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1.硬件平台：正点原子探索者STM32F407开发板2.软件平台：MDK5.13.固件库版本：V1.4.0
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
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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_rng.c和对应的头文件stm32f4xx_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：
RCC_AHB2PeriphClockCmd(RCC_AHB2Periph_RNG, ENABLE);//开启RNG时钟
2）使能随机数发生器。
这个就是通过RNG_CR寄存器的最低位设置为1，使能随机数发生器。当然，如果需要用到中断，你快还可以使能RNG中断。本章我们不用中断。库函数中使能随机数发生器的方法为：
RNG_Cmd(ENABLE); //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。
在库函数中，获取随机数发生器状态的函数为：
FlagStatus RNG_GetFlagStatus(uint8_t RNG_FLAG);
库函数中，判断数据是否有效的入口参数为RNG_FLAG_DRDY，所以等待就绪的方法为：
while(RNG_GetFlagStatus(RNG_FLAG_DRDY)==RESET);
判断数据有效后，然后我们读取随机数发生器产生的随机数即可，调用函数为：
uint32_t RNG_GetRandomNumber(void);
通过以上几个步骤的设置，我们就可以使用STM32F4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。
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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。
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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_rng.c和对应的头文件stm32f4xx_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：
//初始化RNG
//返回值:0,成功;1,失败
u8 RNG_Init(void)
{
u16 retry=0;
RCC_AHB2PeriphClockCmd(RCC_AHB2Periph_RNG, ENABLE); //开启RNG时钟
RNG_Cmd(ENABLE); //使能RNG
while(RNG_GetFlagStatus(RNG_FLAG_DRDY)==RESET&&retry<10000)//等待就绪
{ 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_GetFlagStatus(RNG_FLAG_DRDY)==RESET); //等待随机数就绪
return RNG_GetRandomNumber(); }
//生成[min,max]范围的随机数
int RNG_Get_RandomRange(int min,int max)
{
return RNG_Get_RandomNum()%(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;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//设置系统中断优先级分组2
delay_init(168); //初始化延时函数
uart_init(115200); //初始化串口波特率为115200
LED_Init(); //初始化LED
KEY_Init(); //按键初始化
LCD_Init(); //初始化液晶接口
POINT_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,"2014/5/5");
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:");
POINT_COLOR=BLUE;
while(1)
{
delay_ms(10);
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LED0
random=RNG_Get_RandomRange(0,9);//获取[0,9]区间的随机数
LCD_ShowNum(30+8*22,210,random,2,16); //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。
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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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