STM32 如何生成随机数

目录

一、引言

二、STM32 随机数发生器概述

三、工作原理

1.噪声源

2.线性反馈移位寄存器（LFSR）

3.数据寄存器（RNG_DR）

4.监控和检测电路：

5.控制和状态寄存器

6.生成流程

四、使用方法

1.使能随机数发生器

2.读取随机数 

3.错误处理

五、注意事项

1.随机数的质量

2.安全性

3.性能考虑

六、总结

一、引言

        在嵌入式系统开发中，随机数的生成常常是一个重要的需求。无论是用于加密、模拟、游戏还是其他需要不确定性的应用场景，可靠的随机数生成器都是必不可少的。STM32 系列微控制器提供了内置的随机数发生器（RNG），本文将详细介绍 STM32 随机数发生器的工作原理、使用方法以及一些注意事项。

二、STM32 随机数发生器概述

STM32 的随机数发生器是基于硬件的真随机数生成器，它利用了物理随机源来产生随机数。这个物理随机源通常是一个基于热噪声或其他物理现象的电路，能够产生高度随机的数字序列。

随机数发生器的主要特点包括：

1. 真随机数生成：与软件生成的伪随机数不同，STM32 的随机数发生器生成的是真正的随机数，具有更高的安全性和不可预测性。
2. 高速生成：能够快速生成随机数，满足实时应用的需求。
3. 内置硬件：不需要外部设备或软件库的支持，直接在微控制器内部生成随机数。

三、工作原理

1.噪声源

• 环形振荡器：这是产生随机数种子的关键部分。多个环形振荡器被集成在电路中，每个环形振荡器都会产生一定频率的振荡信号。由于制造工艺的微小差异以及电路中的各种随机因素，这些环形振荡器的输出频率和相位都存在一定的随机性。这些振荡器的输出信号被组合在一起，通常是通过异或运算等方式，产生一个初始的随机种子信号。这种基于物理现象产生的随机信号具有真正的随机性，是生成高质量随机数的基础。

2.线性反馈移位寄存器（LFSR）

• 种子处理：从环形振荡器输出的随机种子信号被馈入到线性反馈移位寄存器中。LFSR 是一种特殊的电路结构，它可以对输入的种子信号进行处理和变换。通过特定的反馈逻辑和移位操作，LFSR 能够将初始的随机种子扩展和变换为更复杂的随机序列。这样可以增加随机数的复杂性和随机性，使其更难以被预测。
• 时钟控制：LFSR 由专用时钟（PLL48CLK）按恒定频率提供时钟信息。这意味着随机数的生成过程是在一个稳定的时钟控制下进行的，保证了随机数生成的稳定性和可靠性。同时，由于随机数的生成与系统的主时钟（HCLK）频率无关，因此不受系统其他部分的时钟干扰，能够独立地生成高质量的随机数。

3.数据寄存器（RNG_DR）

随机数存储：经过 LFSR 处理后的随机数会被传送到数据寄存器（RNG_DR）中进行存储。当程序需要获取随机数时，就可以从这个数据寄存器中读取到生成的 32 位随机数值。数据寄存器起到了暂时存储随机数的作用，以便后续的程序使用。

4.监控和检测电路：

• 时钟监测：系统会监视专用时钟 PLL48CLK 的状态。如果时钟频率过低，可能会影响随机数的生成质量，甚至导致随机数生成异常。通过对时钟的监测，可以及时发现这种异常情况，并在必要时采取相应的措施，例如触发中断或设置相应的状态标志。
• 种子异常检测：同时，电路还会对输入到 LFSR 的模拟种子信号进行监测。如果种子信号出现异常序列，例如连续出现相同或有规律的信号，这可能意味着随机数生成过程中出现了问题。检测到这种异常情况后，系统也会设置相应的状态标志或触发中断，以便程序进行处理。

5.控制和状态寄存器

• 控制寄存器（RNG_CR）：用于控制随机数发生器的启用和中断的使能等功能。通过设置控制寄存器的相关位，可以开启或关闭随机数发生器，以及控制是否允许中断的产生。这为程序对随机数发生器的操作提供了灵活的控制手段。
• 状态寄存器（RNG_SR）：显示随机数发生器当前的一些状态信息，例如随机数是否准备就绪（通过 DRDY 位表示）、是否出现时钟异常或种子异常等。程序可以通过读取状态寄存器的相关位来了解随机数发生器的工作状态，以便进行相应的操作。

6.生成流程

STM32 的随机数发生器通过以下步骤生成随机数：

1. 物理随机源产生随机噪声信号。
2. 随机噪声信号经过放大、滤波等处理后，被转换为数字信号。
3. 数字信号经过一系列的算法处理，生成最终的随机数。

四、使用方法

1.使能随机数发生器

• 在使用随机数发生器之前，需要先使能它。可以通过设置 RCC（Reset and Clock Control）寄存器中的相应位来实现。
• 例如，在使用 STM32F4 系列微控制器时，可以使用以下代码使能随机数发生器：

RCC_AHB2PeriphClockCmd(RCC_AHB2Periph_RNG, ENABLE);

2.读取随机数 

• 一旦随机数发生器被使能，就可以通过读取 RNG_DR（Random Number Generator Data Register）寄存器来获取随机数。
• 以下是一个读取随机数的示例代码：

uint32_t randomNumber;
while (RNG_GetFlagStatus(RNG_FLAG_DRDY) == RESET);
randomNumber = RNG_GetRandomNumber();

• 在上述代码中，首先等待随机数发生器准备好新的随机数，然后通过读取 RNG_DR 寄存器获取随机数。

3.错误处理

• 在使用随机数发生器时，可能会出现一些错误情况，例如随机数发生器未准备好、时钟错误等。
• 可以通过检查 RNG_SR（Random Number Generator Status Register）寄存器中的相应标志位来判断是否发生了错误，并采取相应的处理措施。

五、注意事项

1.随机数的质量

• 虽然 STM32 的随机数发生器生成的是真随机数，但随机数的质量仍然可能受到一些因素的影响，例如环境温度、电源噪声等。
• 在对随机数质量要求较高的应用中，可以考虑对生成的随机数进行进一步的处理，例如使用加密算法进行加密或进行统计测试。

2.安全性

• 随机数在加密和安全应用中起着关键作用。因此，在使用随机数发生器时，需要确保随机数的安全性，避免被攻击者预测或篡改。
• 可以采取一些措施来提高随机数的安全性，例如使用硬件加密模块、定期更新随机数种子等。

3.性能考虑

随机数发生器的生成速度可能会影响系统的性能。在对性能要求较高的应用中，可以考虑使用多个随机数发生器或采用其他随机数生成方法来提高生成速度。

六、总结

        STM32 的随机数发生器是一个强大的工具，可以为嵌入式系统提供可靠的随机数。通过了解其工作原理和使用方法，开发人员可以在自己的项目中充分利用这个功能，实现更加安全和可靠的应用。同时，在使用随机数发生器时，需要注意随机数的质量、安全性和性能等方面的问题，以确保系统的稳定性和可靠性。