「ALIENTEK 探索者 STM32F407 开发板资料连载」第二十一章 硬件随机数实验

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 RNG3）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 RNG

u8 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,168Mhz

delay_init(168);

//初始化延时函数

uart_init(115200);

//初始化 USART

LED_Init();

//初始化 LED

KEY_Init();

//初始化 KEY

LCD_Init();

//初始化 LCD

usmart_dev.init(84);

//初始化 USMART

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,"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 LED0

random=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