【正点原子STM32连载】 第二十八章 硬件随机数实验 摘自【正点原子】MiniPro STM32H750 开发指南_V1.1

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第二十八章 硬件随机数实验

本章，我们将介绍STM32H750的硬件随机数发生器。我们使用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LED0指示程序运行状态。 本章分为如下几个小节： 28.1 随机数发生器简介 28.2 硬件设计 28.3 程序设计 28.4 下载验证

28.1 随机数发生器简介

STM32H750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。 28.1.1 RNG框图 下面先来学习RNG框图，通过学习RNG框图会有一个很好的整体掌握，同时对之后的编程也会有一个清晰的思路。STM32H750的随机数发生器框图如图28.1.1.1所示：

图28.1.1.1 随机数发生器(RNG)框图 随机数发生器有2个时钟域：AHB时钟域和RNG时钟域。AHB时钟域的时钟来自AHB2，用于访问相关寄存器等，通过AHB2ENR的RNGEN位（bit6）使能。 RNG时钟域时钟为rng_clk，rng_clk由D2CCIP2R寄存器的RNGSEL[1:0]位选择具体的时钟源，具体选择关系为：0，hsi8_ck；1，pll1_q_ck；2，lse_ck；3，lsi_ck。我们一般选择pll1_q_ck作为rng_clk的时钟源（实验中调用sys_stm32_clock_init函数时设置了pll1_q_ck为240MHZ），因此设置RNGSEL[1:0]=1即可。AHB2ENR和D2CCIP2R这两个寄存器我们就不做介绍了，大家参考手册。 从RNG框图整体上知道，RNG有两个输入和一个输出。具体如下表：

表28.1.1.1 RNG内部输入/输出信号 STM32H750的随机数发生器（RNG）采用模拟电路实现，由内部两个模拟噪声源产生种子，经过采样和归一化处理，再经过线性移位寄存器和判断逻辑，最终输出到RNG_DR，生成32 位随机数。 每个模拟噪声源由3个环形振荡器组成，振荡器产生的输出经过异或运算产生种子，经过采样归一化处理后，输出到RNG内部的线性移位寄存器。采样频率由rng_clk时钟提供，因此，随机数质量与 HCLK 频率无关。当将大量种子引入线性移位寄存器后，经过判断逻辑，最终输出到数据寄存器 (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。

28.1.2 RNG寄存器

RNG控制寄存器（RNG_CR） RNG控制寄存器描述如图28.1.2.1所示：

图28.1.2.1 RNG_CR寄存器 该寄存器我们只关心RNGEN位，该位用于使能随机数发生器，所以必须设置为1。 RNG状态寄存器（RNG_SR） RNG状态寄存器描述如图28.1.2.2所示：

图28.1.2.2 RNG_SR寄存器 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。 RNG数据寄存器（RNG_DR） RNG数据寄存器描述如图28.1.2.3所示：

图28.1.2.3 RNG_DR寄存器 RNG_DR寄存器是只读寄存器，我们可以读取该寄存器获得32位随机数值。此寄存器在最多216个AHB时钟周期后，又可以提供新的随机数值。 28.2 硬件设计

1. 例程功能 本实验使用STM32H750自带的硬件随机数生成器（RNG），获取随机数，并显示在LCD屏幕上。按KEY0可以获取一次随机数。同时程序自动获取0~9范围内的随机数，显示在屏幕上。LED0闪烁用于提示程序正在运行。
2. 硬件资源 1）RGB灯 RED : LED0 - PB4 2）独立按键 KEY0 - PA1 3）串口1(PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面) 4）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动) 5）RNG（硬件随机数生成器）
3. 原理图 RNG属于STM32H750内部资源，通过软件设置好就可以了。本实验通过配合按键获取随机数和通过LCD显示。

28.3 程序设计

28.3.1 RNG的HAL库驱动 RNG在HAL库中的驱动代码在stm32h7xx_hal_rng.c文件（及其头文件）中。

1. HAL_RNG_Init函数 RNG的初始化函数，其声明如下： HAL_StatusTypeDef HAL_RNG_Init(RNG_HandleTypeDef *hrng); 函数描述： 用于初始化RNG。 函数形参： 形参1是RNG_HandleTypeDef结构体类型指针变量，其定义如下：

typedef struct
{
  RNG_TypeDef                 		*Instance;    	/* RNG基地址 */
  RNG_InitTypeDef               	Init;         	/* RNG初始化配置结构体 */
  HAL_LockTypeDef               	Lock;         	/* RNG锁设置 */
  __IO HAL_RNG_StateTypeDef   	State;        	/* RNG设备访问状态 */
  __IO  uint32_t                	ErrorCode;    	/* RNG错误代码 */
  uint32_t                      	RandomNumber; 	/* RNG最后生成的随机数 */
} RNG_HandleTypeDef;

1）Instance：指向RNG寄存器基地址。 2）Init：是的RNG初始化结构体，其结构体类型RTC_InitTypeDef定义如下： typedef struct { uint32_t ClockErrorDetection; /* CED时钟错误检测 */ } RNG_InitTypeDef; 3）Lock：用于配置锁状态。 4）State：RNG设备访问状态。 5）ErrorCode ：RNG错误代码 6）RandomNumber ：该变量存储RNG最后生成的随机数 函数返回值： HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。 2. HAL_RNG_GenerateRandomNumber函数 HAL_RNG_GenerateRandomNumber是RNG生成随机数函数。其声明如下： HAL_StatusTypeDef HAL_RNG_GenerateRandomNumber(RNG_HandleTypeDef *hrng, uint32_t *random32bit); 函数描述： 该函数用于RNG生成随机数。 函数形参： 形参1是RNG_HandleTypeDef结构体类型指针变量，即RNG的句柄。 形参2是uint32_t类型指针变量，随机32位指针，生成随机变量。 函数返回值： HAL_StatusTypeDef枚举类型的值。 RNG配置步骤 1）使能随机数发生器时钟 调用__HAL_RCC_RNG_CLK_ENABLE函数使能随机数发生器时钟，实际是通过设置AHB2ENR寄存器的相关位。 2）初始化(使能)随机数发生器 通过调用HAL_RNG_Init函数初始化随机数发生器，然后自行调用RNG的MSP回调函数，并使能随机数发生器。 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。回调函数中一般编写与MCU相关的外设时钟初始化以及NVIC配置。 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HAL库中，通过调用HAL_RNG_GenerateRandomNumber函数判断DRDY位并读取随机数值。 通过以上3个步骤的设置，我们就可以使用STM32H7的随机数发生器（RNG）了。 28.3.2 程序流程图

图28.3.2.1 硬件随机数实验程序流程图 28.3.3 程序解析

1. RNG驱动代码 这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。RNG驱动源码包括两个文件：rng.c和rng.h。 rng.h头文件只有函数的声明，下面我们直接介绍rng.c的程序，先看RNG的初始化函数，其定义如下：

/**
 * @brief      	初始化RNG
 * @param       	无
 * @retval      	0,成功;1,失败
 */
uint8_t rng_init(void)
{
    uint16_t retry = 0;

    rng_handle.Instance = RNG;   
    HAL_RNG_DeInit(&rng_handle);
    HAL_RNG_Init(&rng_handle);	/* 初始化RNG */
while (__HAL_RNG_GET_FLAG(&rng_handle, RNG_FLAG_DRDY) == RESET 
&& retry = 10000)
    {
        return 1; /* 随机数产生器工作不正常 */
    }
    return 0;
}

rng_init函数中调用HAL_RNG_Init函数初始化RNG，然后等待RNG初始化完成，同时判断初始化过程是否超时。 我们用HAL_RTC_MspInit回调函数来编写RNG时钟配置等代码，其定义如下：

/**
 * @brief     	RNG底层驱动，时钟源设置和使能
 * @note        	此函数会被HAL_RNG_Init()调用
 * @param       	hrng:RNG句柄
 * @retval      	无
 */
void HAL_RNG_MspInit(RNG_HandleTypeDef *hrng)
{
    RCC_PeriphCLKInitTypeDef RNGClkInitStruct;

    /* 设置RNG时钟源，选择PLL，时钟为480MHz */
    RNGClkInitStruct.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_RNG;/* 设置RNG时钟源 */
    RNGClkInitStruct.RngClockSelection =RCC_RNGCLKSOURCE_PLL;/*RNG时钟源选择PLL*/
    HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&RNGClkInitStruct);

    __HAL_RCC_RNG_CLK_ENABLE();/* 使能RNG时钟 */
}

最后两个是我们获取随机数函数，它们的定义如下：

/**
 * @brief     	得到随机数
 * @param      	无
 * @retval     	获取 到的随机数(32bit)
 */
uint32_t rng_get_random_num(void)
{
    uint32_t randomnum;
    HAL_RNG_GenerateRandomNumber(&rng_handle, &randomnum);
    return randomnum;
}

/**
 * @brief       得到某个范围内的随机数
 * @param       min,max: 最小,最大值.
 * @retval      得到的随机数(rval),满足:min