随机性在许多嵌入式应用中扮演着至关重要的角色，从加密安全到游戏和模拟。
但是您知道您可以使用可配置逻辑块（CLB）直接在8位微控制器上实现基于硬件的伪随机数生成器（PRNG）吗？
在本文中，我们将探讨如何创建一个利用 CLB 和 SPI 外设的 PRNG。这种硬件驱动的方法以最小的CPU开销实现了高效和连续的随机数生成。
什么是 PRNG ？
伪随机数生成器（Pseudo-Random Number Generator， PRNG）通过确定性算法生成模拟真正随机性的数字序列，这些序列是可重复的，因此非常适合资源受限的环境，在这些环境中，高效和可控的随机性对您的设计至关重要。
第一个图说明了 PRNG 整体操作所需的逻辑。第二张图强调了8位左反馈移位寄存器所需的逻辑，这是负责生成伪随机序列的关键组件。
图 1 ：使用 LFSR 、 CLB 和 SPI 实现 PRNG 的概念概述。
图 2:PRNG LFSR 配置框图。
原理图
PRNG通过以下方式实现：
- 线性反馈移位寄存器（ LFSR ）： 根据特定轻敲确定的反馈函数生成伪随机序列。
- SPI ：作为移位寄存器有效地处理输出。
PRNG 以非零种子值初始化，确保连续运行并防止执行期间锁定。
实现概述
硬件需求
- 带有CLB和SPI外设的单片机 PIC16F13145
- Curiosity Nano 开发板
- 带有 CLB 和 SPI 外设的微控制器（例如PIC16F13145）
用于配置的 MPLAB ® 代码配置器（ MCC ）
配置步骤
- 配置CLB：配置CLB以实现PRNG和8位LFSR子模块所需的逻辑。l参考上面的图表进行指导。在模式1中使用SPI移位并观察伪随机输出。
- 分配一个稳定的时钟源（例如HFINTOSC）来驱动外设。
代码示例
PRNG输出通过SPI （SS， SDI， SCK）和UART验证伪随机数，由板载开关使用
int main(void) {
SYSTEM_Initialize();
SPI_Open(CLIENT_CONFIG);
__delay_ms(100);
while (1) {
if (SWITCH_GetValue() == 0) {
if (SPI1_IsRXReady()) printf("\n\rRead byte: %x", SPI1_ByteRead());
}
}
}
测试及结果
通过UART或示波器观察SPI引脚上的输出来验证PRNG。生成的序列表现出一致的伪随机行为，如下所示：
图 3 ：在测试期间捕获的样本 PRNG 输出。
基于 CLB 的 PRNGs 应用
- 加密功能
- 数据爬
- 游戏的算法
- 仿真和建模
通过利用基于硬件的逻辑，这种方法减少了 CPU 工作负载，简化了系统设计。
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