[嵌入式] M-Arch（3）第二个示例：随机数

前言

回顾下之前的章节：

第一章节中我们描述了整个框架的核心设计思路以及主要的文件架构
第二章节中我们基于一个简单的定时器OS实现了串口的数据打印，并完成了通用crc模块的设计和测试

本文我们将给出通用的随机数设计和示例。

真随机数和伪随机数

先来啰嗦的说一下随机数的概念，真随机数指通过物理现象来产生的随机数，比如噪声，核裂变等，伪随机数是通过软件算法可重复生成的随机数。

简单理解：

输入固定时，真随机数的输出不一样，伪随机数是一样的。
伪随机数的随机来源于输入的随机，当输入的样本足够大并且变化无"特定"规律时，输出看起来就是随机的。

通过查阅手册可知，F1xx的低端MCU不包含硬件随机数模块，F2xx以及以上的MCU包含硬件随机数模块。

我们先在GD32F450上实现硬件随机数和软件随机数，然后通过宏的方式进行重构，做一个统一的随机数接口设计。

真随机数

真随机数厂家给的代码查看gd32f4xx_trng.c（兆易），stm32f4xx_rng.c（STM，STM的库真是难下...），产生随机数的过程还是老套路：

初始化：初始化时钟，使能功能。
产生随机数：中断方式或者判断已产生OK寄存器。

使能的方法（具体查看手册）：

TRNG使能位
0:?禁止TRNG模块（降低功耗）
1:?使能TRNG模块

读取寄存器的方法（具体查看手册）：

DRDY?随机数准备状态位
读TRNG_DATA寄存器会清零该位，当一个新的随机数产生时被置位。
0:?TRNG数据寄存器的内容无效
1:?TRNG数据寄存器的内容有效

那么，封装的代码就有了（GD32）：

void?rnd_init(void)
{
????rcu_periph_clock_enable(RCU_TRNG);
????trng_deinit();
????trng_enable();

????while?(trng_flag_get(TRNG_FLAG_DRDY)?==?RESET);????
????get_hard_rand_data();
}

uint32_t?get_hard_rand_data(void)
{
????while?(trng_flag_get(TRNG_FLAG_DRDY)?==?RESET);
????return?trng_get_true_random_data();
}

伪随机数

伪随机数使用的是C语言的srand(seed)和rand()函数，它需要一个seed作为输入，在系统中，需要保证seed的伪随机性，我们可以利用定时器或者AD的噪声。

我们采用定时器的方式，具体做法是：在定时器中断中让变量自行增长，由于数据范围比较宽（0x00000000~0xFFFFFFFF），表现出来的rand()就有一定的随机性。

代码如下（soft_rand_seed_plus函数放到定时器中断中）：

uint32_t?get_soft_rand_data(void)
{
????srand(soft_rand_seed);
????return?__RBIT(rand());
}

void?soft_rand_seed_plus(void)
{
????soft_rand_seed++;
}

测试结果展示

其中第一个是硬件随机数，第二个是软件随机数，如果我不说，估计还不好猜吧。

GD32：random data =?0x8D08B123, 0xB1705FCC
GD32：random data =?0x38FCE689, 0x8554BB34
GD32：random data =?0x709C3F2C, 0x2D6283A4
GD32：random data =?0x5798FA3E, 0x1346A578
GD32：random data =?0xA8DAE363, 0xDB7E11E8
GD32：random data =?0xEFFBC555, 0xF7593608
GD32：random data =?0x91E995D9, 0xC0EDF290
GD32：random data =?0xD6A4A5F4, 0x68CBCC40
GD32：random data =?0xFB497089, 0x54F768DE
GD32：random data =?0xA1B7B834, 0xBCD05FCE
GD32：random data =?0x1913F1F6, 0x8AE47B36
GD32：random data =?0x8B9C6C72, 0xA6C283A6
GD32：random data =?0x2C4C8BB8, 0x9EFAA57A
GD32：random data =?0x58DAAA90, 0x31DE91EA
GD32：random data =?0x7F48BC18, 0x05E9360A
GD32：random data =?0x5AFF76EA, 0xCDCD0A92
GD32：random data =?0x33A7FD66, 0x13F32C42
GD32：random data =?0x721C40DB, 0xDBD7E8DC
GD32：random data =?0x858A4BBD, 0x77E03FCC
GD32：random data =?0x2ADCB48C, 0x40247B34
GD32：random data =?0xB65B1D7C, 0xA80243A4
GD32：random data =?0x18C310D8, 0x943A6578
GD32：random data =?0xD9494940, 0xBC1E91E8
GD32：random data =?0xC164FE4E, 0x8A29B608
GD32：random data =?0xF6E600F3, 0x260D0A90
GD32：random data =?0x5CC1CDE2, 0x1E332C40
GD32：random data =?0x89AEFA50, 0xD11718DE

重构

前面说到有些MCU支持真随机数，有些MCU不支持真随机数，那么我们可以用一个宏区分开，并对外只提供一个产生随机数的接口。

宏

#if?defined(GD32F450)
#define?SUPPORT_HARD_RNG????//?支持硬件随机数
#endif

#if?defined(GD32F10X_MD)
//?#define?SUPPORT_HARD_RNG????//?支持硬件随机数
#endif

代码重构

重构后，对外接口代码为：rnd_init和get_rand_data。

uint32_t?soft_rand_seed?=?0;

void?rnd_init(void)
{
#ifdef?SUPPORT_HARD_RNG
????rcu_periph_clock_enable(RCU_TRNG);
????trng_deinit();
????trng_enable();

????while?(trng_flag_get(TRNG_FLAG_DRDY)?==?RESET);????
????get_rand_data();
#endif
}

uint32_t?get_rand_data(void)
{
#ifdef?SUPPORT_HARD_RNG
????while?(trng_flag_get(TRNG_FLAG_DRDY)?==?RESET);
????return?trng_get_true_random_data();
#else
????srand(soft_rand_seed);
????return?__RBIT(rand());
#endif
}

void?soft_rand_seed_plus(void)
{
#ifdef?SUPPORT_HARD_RNG
#else
????soft_rand_seed++;
#endif
}

进一步，由于软件随机数跟具体的MCU无关，那么，我们可以把这一块的代码移植到通用模块中，放到common文件夹下。

io_rng.c

void?rnd_init(void)
{
#ifdef?SUPPORT_HARD_RNG
????rcu_periph_clock_enable(RCU_TRNG);
????trng_deinit();
????trng_enable();

????while?(trng_flag_get(TRNG_FLAG_DRDY)?==?RESET);????
????get_rand_data();
#endif
}

uint32_t?get_rand_data(void)
{
#ifdef?SUPPORT_HARD_RNG
????while?(trng_flag_get(TRNG_FLAG_DRDY)?==?RESET);
????return?trng_get_true_random_data();
#else
????return?get_soft_rand_data();
#endif
}

common.c

#include?"io.h"
#include?"common.h"

static?uint32_t?soft_rand_seed?=?0;

uint32_t?get_soft_rand_data(void)
{
????srand(soft_rand_seed);
????return?__RBIT(rand());
}

void?soft_rand_seed_plus(void)
{
????soft_rand_seed++;
}

结果演示

STM32F1-COM3，GD32F4-COM9

--EOF--

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