第13章 RNG介绍及应用
第十三章 RNG介绍及应用
1. RNG简介
STM32F407 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。
STM32F407 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 rng_clk，当种子上出现异常序列，或 rng_clk 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。
2. RNG使用示例
2.1 RNG初始化
#include "rng.h"
#include "delay.h"
RNG_HandleTypeDef rng_hangle;
// 初始化RNG
uint8_t RNG_Init(void)
{
uint16_t retry = 0;
rng_hangle.Instance = RNG;
HAL_RNG_DeInit(&rng_hangle);
HAL_RNG_Init(&rng_hangle);
while(__HAL_RNG_GET_FLAG(&rng_hangle, RNG_FLAG_DRDY) == RESET && retry < 10000)
{
retry++;
delay_us(10);
}
if(retry >= 10000)
{
return 1;
}
return 0;
}
void HAL_RNG_MspInit(RNG_HandleTypeDef *hRNG)
{
__HAL_RCC_RNG_CLK_ENABLE();
}
2.2 获取随机数
// 获取随机数
uint32_t rng_get_random(void)
{
uint32_t random_num = 0;
HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&rng_hangle, &random_num);
return random_num;
}
// 获取范围内的随机数
uint32_t rng_get_random_range(int min, int max)
{
uint32_t random_num = 0;
HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&rng_hangle, &random_num);
return (random_num % (max - min + 1)) + min;
}
2.3 主函数测试
#include "bsp_init.h"
#include "stdio.h"
#include "usmart.h"
#include "rng.h"
int main(void)
{
uint32_t random_number;
uint8_t i = 0;
uint8_t key;
bsp_init();
usmart_dev.init(84);
LCD_ShowString(30,50,200,16,16,"RNG Test");
while(RNG_Init())
{
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"RNG Init Error");
delay_ms(1000);
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"RNG Trying...");
}
LCD_ShowString(30,110,200,16,16,"RNG Init Success");
while(1)
{
key = key_scan(0);
if(key == KEY0_Press)
{
random_number = rng_get_random();
LCD_ShowNum(128, 150, random_number, 10, 16);
}
if((i % 20) == 0)
{
LED_TOGGLE(LED0_GPIO_Pin);
random_number = rng_get_random_range(0,100); // 获取100以内的随机数
LCD_ShowNum(128, 170, random_number, 10, 16);
}
i++;
delay_ms(10);
}
}
3. RNG常见函数（HAL库）
3.1 RNG 初始化与配置
3.1.1 HAL_RNG_Init()
函数原型:
HAL_StatusTypeDef HAL_RNG_Init(RNG_HandleTypeDef *hrng)
参数:
hrng: RNG 句柄指针
配置结构体:
typedef struct {
RNG_TypeDef *Instance; // RNG寄存器基地址
uint32_t State; // RNG状态机
uint32_t Lock; // 锁定状态
__IO uint32_t ErrorCode; // 错误代码
} RNG_HandleTypeDef;
功能: 初始化 RNG 外设，使能时钟和硬件
示例配置:
RNG_HandleTypeDef hrng;
hrng.Instance = RNG;
if (HAL_RNG_Init(&hrng) != HAL_OK) {
// 错误处理
Error_Handler();
}
3.1.2 HAL_RNG_DeInit()
函数原型:
HAL_StatusTypeDef HAL_RNG_DeInit(RNG_HandleTypeDef *hrng)
功能: 反初始化 RNG 外设，禁用时钟
3.2 随机数生成
3.2.1 HAL_RNG_GenerateRandomNumber()
函数原型:
HAL_StatusTypeDef HAL_RNG_GenerateRandomNumber(
RNG_HandleTypeDef *hrng,
uint32_t *random32bit)
参数:
random32bit: 指向存储生成的32位随机数的变量
功能: 生成一个32位随机数
示例:
uint32_t random_value;
if (HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&hrng, &random_value) == HAL_OK) {
// 使用随机数
printf("Random number: %lu\n", random_value);
}
3.2.2 HAL_RNG_GetRandomNumber()
函数原型:
uint32_t HAL_RNG_GetRandomNumber(RNG_HandleTypeDef *hrng)
功能: 直接返回32位随机数 (简化版)
示例:
uint32_t random_value = HAL_RNG_GetRandomNumber(&hrng);
3.3 中断模式随机数生成
3.3.1 HAL_RNG_GenerateRandomNumber_IT()
函数原型:
HAL_StatusTypeDef HAL_RNG_GenerateRandomNumber_IT(RNG_HandleTypeDef *hrng)
功能: 启动中断模式下的随机数生成
3.3.2 随机数就绪回调函数
// 用户需重写此函数
void HAL_RNG_ReadyDataCallback(RNG_HandleTypeDef *hrng, uint32_t random32bit)
{
// 处理生成的随机数
printf("Interrupt generated random number: %lu\n", random32bit);
}
3.3.3 错误回调函数
// 用户需重写此函数
void HAL_RNG_ErrorCallback(RNG_HandleTypeDef *hrng)
{
// 处理RNG错误
printf("RNG error detected: 0x%08lX\n", hrng->ErrorCode);
}
3.4 DMA 模式随机数生成
3.4.1 HAL_RNG_GenerateRandomNumber_DMA()
函数原型:
HAL_StatusTypeDef HAL_RNG_GenerateRandomNumber_DMA(
RNG_HandleTypeDef *hrng,
uint32_t *pData,
uint32_t Length)
参数:
-
pData: 指向存储随机数的缓冲区 -
Length: 要生成的随机数数量
功能: 使用DMA生成多个随机数
示例:
#define RANDOM_NUM_COUNT 100
uint32_t random_buffer[RANDOM_NUM_COUNT];
// 启动DMA传输
if (HAL_RNG_GenerateRandomNumber_DMA(&hrng, random_buffer, RANDOM_NUM_COUNT) != HAL_OK) {
// 错误处理
}
3.4.2 DMA 传输完成回调
// 用户需重写此函数
void HAL_RNG_ReadyDataCallback(RNG_HandleTypeDef *hrng, uint32_t random32bit)
{
// 当使用DMA时，此回调在每次生成随机数时被调用
}
3.4.3 DMA 传输完整回调
// 用户需重写此函数
void HAL_RNGEx_RandomNumberGeneratedCallback(RNG_HandleTypeDef *hrng)
{
// 当所有随机数生成完成时调用
printf("All random numbers generated via DMA\n");
}
3.5 RNG 状态与错误处理
3.5.1 状态检查函数
// 获取RNG状态
HAL_RNG_StateTypeDef HAL_RNG_GetState(RNG_HandleTypeDef *hrng);
// 获取错误代码
uint32_t HAL_RNG_GetError(RNG_HandleTypeDef *hrng);
3.5.2 常见错误代码
#define HAL_RNG_ERROR_NONE 0x00000000U // 无错误
#define HAL_RNG_ERROR_SEED 0x00000001U // 种子错误
#define HAL_RNG_ERROR_CLOCK 0x00000002U // 时钟错误
#define HAL_RNG_ERROR_BUSY 0x00000004U // RNG忙
#define HAL_RNG_ERROR_TIMEOUT 0x00000008U // 超时错误
#define HAL_RNG_ERROR_DMA 0x00000010U // DMA错误
3.5.3 错误处理示例
uint32_t random_value;
HAL_StatusTypeDef status = HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&hrng, &random_value);
if (status != HAL_OK) {
uint32_t error_code = HAL_RNG_GetError(&hrng);
if (error_code & HAL_RNG_ERROR_SEED) {
// 种子错误处理
printf("RNG seed error detected\n");
}
if (error_code & HAL_RNG_ERROR_CLOCK) {
// 时钟错误处理
printf("RNG clock error detected\n");
}
}
3.6 RNG 健康检查
3.6.1 HAL_RNGEx_RecoverSeedError()
函数原型:
HAL_StatusTypeDef HAL_RNGEx_RecoverSeedError(RNG_HandleTypeDef *hrng)
功能: 尝试从种子错误中恢复
示例:
if (HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&hrng, &random_value) != HAL_OK) {
if (HAL_RNG_GetError(&hrng) & HAL_RNG_ERROR_SEED) {
// 尝试恢复种子错误
if (HAL_RNGEx_RecoverSeedError(&hrng) == HAL_OK) {
// 重新尝试生成随机数
HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&hrng, &random_value);
}
}
}
浙公网安备 33010602011771号