随机数(random)
一、随机数概述
想要讨论随机数，首先应该明确一下随机数的定义。毕竟这个东西比较虚，并不像算法那样明确。在各大网上也没有给出很好的定义。
那...就不死抠定义了。
随机数一般来说符合下面这几个性质。
- 它产生时后面那个数与前面的毫无关系
- 给定样本的一部分和随机算法，无法推出样本的剩余部分
- 其随机样本不可重现
另外还要说一下统计学伪随机数概念，划重点:
统计学伪随机性。统计学伪随机性指的是在给定的随机比特流样本中，1 的数量大致等于 0 的数量，同理，“10”“01”“00”“11”四者数量大致相等。类似的标准被称为统计学随机性。满足这类要求的数字在人类“一眼看上去”是随机的。（摘自百度词条）
实际上这也是在计算机中对伪随机数优劣的概念。
二、演示功能概述
本文章通过 Air780 的核心板烧录底层固件(LuatOS-SoC_V1112_EC618_FULL.soc)和修改 LuatOS 示例代码(点此链接查看 crypto 的 demo 例子),来演示有关随机数的各种 API 的功能。
三、硬件准备
3.1 Air780E 核心板
使用 Air780E 核心板，如下图所示：
淘宝购买链接：Air780E 核心板淘宝购买链接 ；
此核心板的详细使用说明参考：Air780E 产品手册 中的 << 开发板 Core_Air780E 使用说明 VX.X.X.pdf>>，写这篇文章时最新版本的使用说明为：开发板 Core_Air780E 使用说明 V1.0.5.pdf ；核心板使用过程中遇到任何问题，可以直接参考这份使用说明 pdf 文档。
3.2 SIM 卡
中国大陆环境下，可以上网的 sim 卡,一般来说，使用移动，电信，联通的物联网卡或者手机卡都行；
3.3 PC 电脑
WINDOWS 系统，其他暂无特别要求；
3.4 数据通信线
USB 数据线，暂无特别要求；
四、软件环境
4.1 Luatools 工具
要想烧录 LuatOS 固件到 4G 模组中，需要用到合宙的强大的调试工具：Luatools；
详细使用说明参考：Luatools 工具使用说明 。
Luatools 工具集具备以下几大核心功能：
- 一键获取最新固件：自动连接合宙服务器，轻松下载最新的合宙模组固件。
- 固件与脚本烧录：便捷地将固件及脚本文件烧录至目标模组中。
- 串口日志管理：实时查看模组通过串口输出的日志信息，并支持保存功能。
- 串口调试助手：提供简洁的串口调试界面，满足基本的串口通信测试需求。
Luatools 下载之后， 无需安装， 解压到你的硬盘，点击 Luatools_v3.exe 运行，出现如下界面，就代表 Luatools 安装成功了.
4.2 准备需要烧录的代码
首先要说明一点： 脚本代码， 要和固件的 soc 文件一起烧录。
4.2.1 烧录的底层固件文件
底层 core 下载地址：LuatOS 固件版本下载地址
Air780E 的底层固件在 Luatools 解压后目录的 LuatOS-SoC_V1112_EC618_FULL.soc
4.2.2 烧录的脚本代码
首先要下载 Air780 的 LuatOS 示例代码到一个合适的项目目录,示例代码网站: https://gitee.com/openLuat/LuatOS-Air780E
下载流程参考下图:
下载的文件解压,找到 LuatOS-Air780E-master\demo\crypto\main.lua,如图:
- 正确连接电脑和 4G 模组电路板
使用带有数据通信功能的数据线，不要使用仅有充电功能的数据线；
- 识别 4G 模组的 boot 引脚
在下载之前，要用模组的 boot 引脚触发下载， 也就是说，要把 4G 模组的 boot 引脚拉到 1.8v，或者直接把 boot 引脚和 VDD_EXT 引脚相连。我们要在按下 BOOT 按键时让模块开机，就可以进入下载模式了。
具体到 Air780E 开发板:
1、当我们模块没开机时，按着 BOOT 键然后长按 PWR 开机。
2、当我们模块开机时，按着 BOOT 键然后点按重启键即可。
- 识别电脑的正确端口
判断是否进入 BOOT 模式：模块上电，此时在电脑的设备管理器中，查看串口设备， 会出现一个端口表示进入了 boot 下载模式，如下图所示：
当设备管理器出现了 3 个连续数字的 com 端口，并且每个数字都大于 4，这时候， 硬件连接上就绪状态，恭喜你，可以进行烧录了！
- 新建项目
首先，确保你的 Luatools 的版本，大于等于 3.0.6 版本的。
在 Luatools 的左上角上有版本显示的，如图所示：
Luatools 版本没问题的话， 就点击 LuaTOols 右上角的“项目管理测试”按钮，如下图所示：
这时会弹出项目管理和烧录管理的对话框，可以新建一个项目,如下图：
- 开始烧录
选择 780E 板子对应的底层 core 和刚改的 main.lua 脚本文件。下载到板子中。
点击下载后，我们需要进入 boot 模式才能正常下载。
如果没进入 boot 模式会出现下图情况:
当我们模块没开机时，按着 BOOT 键然后长按 PWR 开机,进入下载。
当我们模块开机时，按着 BOOT 键然后点按重启键即可。可以进入下载,如图:
五、API 说明
5.1 crypto.trng(len)
生成真随机数
参数
| 传入值类型 |
解释 |
|---|---|
| int |
数据长度 |
返回值
| 返回值类型 |
解释 |
|---|---|
| string |
指定随机数字符串 |
例子
-- 生成 32 位随机数 ir
local r = crypto.trng(4)
local _, ir = pack.unpack(r, "I")
5.2 math.random([n [,m]])
生成伪随机数
参数
| 传入值类型 |
解释 |
|---|---|
| int |
生成随机数范围 |
| int |
生成随机数范围 |
返回值
| 返回值类型 |
解释 |
|---|---|
| local |
随机数字 |
例子
--无参调用，产生[0, 1)之间的浮点随机数。
local num = math.random()
--一个参数 n，产生[1, n]之间的整数
local num = math.random(n)
--两个参数，产生[n, m]之间的整数。
local num = math.random(n,m)
5.3 math.randomseed(n)
用法：接收一个整数 n 作为随即序列的种子。
参数
| 传入值类型 |
解释 |
|---|---|
| int |
种子数据 |
返回值
无
例子
--得到了正常的随机数
math.randomseed(os.time())
for i=0, 10 do
local n = math.random(10)
end
--一系列相同的数,这种在一个 for 循环内设置随机数的写法 seed 几乎是一样导致。
for i=0, 10 do
math.randomseed(os.time())
local n = math.random(10)
end
六、功能演示
6.1 修改示例
首先找到 LuatOS-Air780E-master\demo\crypto\main.lua 脚本文件,复制一份 main.lua 文件到任意目录,我复制到 D:\Desktop\LuatOS-Air780E-master\random 这个目录
然后修改代码:
-- LuaTools需要PROJECT和VERSION这两个信息
PROJECT = "cryptodemo"
VERSION = "1.0.0"
log.info("main", PROJECT, VERSION)
-- sys库是标配
_G.sys = require("sys")
-- Air780E的AT固件默认会为开机键防抖, 导致部分用户刷机很麻烦
if rtos.bsp() == "EC618" and pm and pm.PWK_MODE then
pm.power(pm.PWK_MODE, false)
end
if wdt then
--添加硬狗防止程序卡死，在支持的设备上启用这个功能
wdt.init(9000)--初始化watchdog设置为9s
sys.timerLoopStart(wdt.feed, 3000)--3s喂一次狗
end
sys.taskInit(function()
sys.wait(1000)
-- ---------------------------------------
log.info("随机数测试")
math.randomseed(os.time())
for i=1, 10 do
sys.wait(100)
log.info("crypto", "真随机数",string.unpack("I",crypto.trng(4)))
log.info("crypto", "伪随机数",math.random()) -- 输出的是浮点数,不推荐
log.info("crypto", "伪随机数",math.random(100)) --输出1-100之间随机数
log.info("crypto", "伪随机数",math.random(1, 65525)) -- 不推荐
end
log.info("crypto", "ALL Done")
sys.wait(100000)
end)
-- 用户代码已结束---------------------------------------------
-- 结尾总是这一句
sys.run()
-- sys.run()之后后面不要加任何语句!!!!!
6.1 烧录固件
6.1.1 正确连接电脑和 4G 模组电路板
使用带有数据通信功能的数据线，不要使用仅有充电功能的数据线；
6.1.2 识别 4G 模组的 boot 引脚
在下载之前，要用模组的 boot 引脚触发下载， 也就是说，要把 4G 模组的 boot 引脚拉到 1.8v，或者直接把 boot 引脚和 VDD_EXT 引脚相连。我们要在按下 BOOT 按键时让模块开机，就可以进入下载模式了。
具体到 Air780E 开发板:
1、当我们模块没开机时，按着 BOOT 键然后长按 PWR 开机。
2、当我们模块开机时，按着 BOOT 键然后点按重启键即可。
6.1.3 识别电脑的正确端口
判断是否进入 BOOT 模式：模块上电，此时在电脑的设备管理器中，查看串口设备， 会出现一个端口表示进入了 boot 下载模式，如下图所示：
当设备管理器出现了 3 个连续数字的 com 端口，并且每个数字都大于 4，这时候， 硬件连接上就绪状态，恭喜你，可以进行烧录了！
6.1.4 用 Luatools 工具烧录
- 新建项目
首先，确保你的 Luatools 的版本，大于等于 3.0.6 版本的。
在 Luatools 的左上角上有版本显示的，如图所示：
Luatools 版本没问题的话， 就点击 LuaTOols 右上角的“项目管理测试”按钮，如下图所示：
这时会弹出项目管理和烧录管理的对话框，可以新建一个项目,如下图：
- 开始烧录
选择 780E 板子对应的底层 core 和刚改的 main.lua 脚本文件。下载到板子中。
点击下载后，我们需要进入 boot 模式才能正常下载。
如果没进入 boot 模式会出现下图情况:
当我们模块没开机时，按着 BOOT 键然后长按 PWR 开机,进入下载。
当我们模块开机时，按着 BOOT 键然后点按重启键即可。可以进入下载,如图:
6.3 对应 Log
[2024-10-18 15:30:52.567] 工具提示: soc log port COM5打开成功
[2024-10-18 15:30:52.595] 工具提示: ap log port COM6打开成功
[2024-10-18 15:30:52.598] 工具提示: 用户虚拟串口 COM9
[2024-10-18 15:30:52.677] 工具提示: 用户log保存在D:\Desktop\LuaTools\log\trace_2024-10-18_153052.txt 如果有问题交给FAE
[2024-10-18 15:30:52.676][000000000.009] am_service_init 851:Air780E_A17
[2024-10-18 15:30:52.686][000000000.023] Uart_BaseInitEx 1049:uart 0 rx cache 256 dma 256
[2024-10-18 15:30:52.687][000000000.225] self_info 122:model Air780E_A17 imei 868327075469021
[2024-10-18 15:30:52.688][000000000.227] I/pm poweron: Power/Reset
[2024-10-18 15:30:52.689][000000000.227] I/main LuatOS@EC618 base 23.11 bsp V1112 32bit
[2024-10-18 15:30:52.690][000000000.227] I/main ROM Build: Sep 3 2024 15:55:27
[2024-10-18 15:30:52.691][000000000.235] D/main loadlibs luavm 262136 14360 14392
[2024-10-18 15:30:52.692][000000000.235] D/main loadlibs sys 277872 53984 81264
[2024-10-18 15:30:52.694][000000000.246] I/user.main cryptodemo 1.0.0
[2024-10-18 15:30:53.486][000000001.276] I/user.随机数测试
[2024-10-18 15:30:53.596][000000001.386] I/user.crypto 真随机数 -2126957010 5
[2024-10-18 15:30:53.607][000000001.388] I/user.crypto 伪随机数 0.4636298
[2024-10-18 15:30:53.611][000000001.389] I/user.crypto 伪随机数 50
[2024-10-18 15:30:53.613][000000001.390] I/user.crypto 伪随机数 46998
[2024-10-18 15:30:53.690][000000001.491] I/user.crypto 真随机数 -309051301 5
[2024-10-18 15:30:53.693][000000001.492] I/user.crypto 伪随机数 0.6394390
[2024-10-18 15:30:53.706][000000001.501] I/user.crypto 伪随机数 10
[2024-10-18 15:30:53.714][000000001.502] I/user.crypto 伪随机数 38883
[2024-10-18 15:30:53.802][000000001.604] I/user.crypto 真随机数 -1863938574 5
[2024-10-18 15:30:53.805][000000001.605] I/user.crypto 伪随机数 0.9536643
[2024-10-18 15:30:53.807][000000001.607] I/user.crypto 伪随机数 25
[2024-10-18 15:30:53.811][000000001.608] I/user.crypto 伪随机数 16512
[2024-10-18 15:30:53.928][000000001.717] I/user.crypto 真随机数 1261760763 5
[2024-10-18 15:30:53.934][000000001.719] I/user.crypto 伪随机数 0.6245894
[2024-10-18 15:30:53.937][000000001.720] I/user.crypto 伪随机数 54
[2024-10-18 15:30:53.940][000000001.721] I/user.crypto 伪随机数 21478
[2024-10-18 15:30:54.023][000000001.822] I/user.crypto 真随机数 936401639 5
[2024-10-18 15:30:54.027][000000001.824] I/user.crypto 伪随机数 0.9050973
[2024-10-18 15:30:54.036][000000001.833] I/user.crypto 伪随机数 1
[2024-10-18 15:30:54.039][000000001.834] I/user.crypto 伪随机数 44043
[2024-10-18 15:30:54.148][000000001.936] I/user.crypto 真随机数 1715074597 5
[2024-10-18 15:30:54.156][000000001.937] I/user.crypto 伪随机数 0.5631961
[2024-10-18 15:30:54.159][000000001.938] I/user.crypto 伪随机数 10
[2024-10-18 15:30:54.161][000000001.939] I/user.crypto 伪随机数 13488
[2024-10-18 15:30:54.258][000000002.049] I/user.crypto 真随机数 -1914839329 5
[2024-10-18 15:30:54.269][000000002.050] I/user.crypto 伪随机数 0.7684302
[2024-10-18 15:30:54.272][000000002.051] I/user.crypto 伪随机数 77
[2024-10-18 15:30:54.274][000000002.052] I/user.crypto 伪随机数 30056
[2024-10-18 15:30:54.366][000000002.154] I/user.crypto 真随机数 -974370001 5
[2024-10-18 15:30:54.371][000000002.155] I/user.crypto 伪随机数 0.2707427
[2024-10-18 15:30:54.375][000000002.165] I/user.crypto 伪随机数 11
[2024-10-18 15:30:54.380][000000002.166] I/user.crypto 伪随机数 46138
[2024-10-18 15:30:54.475][000000002.267] I/user.crypto 真随机数 -1427124973 5
[2024-10-18 15:30:54.489][000000002.268] I/user.crypto 伪随机数 0.3834128
[2024-10-18 15:30:54.492][000000002.270] I/user.crypto 伪随机数 88
[2024-10-18 15:30:54.495][000000002.271] I/user.crypto 伪随机数 12880
[2024-10-18 15:30:54.584][000000002.381] I/user.crypto 真随机数 427995234 5
[2024-10-18 15:30:54.596][000000002.382] I/user.crypto 伪随机数 0.3756179
[2024-10-18 15:30:54.601][000000002.383] I/user.crypto 伪随机数 23
[2024-10-18 15:30:54.604][000000002.384] I/user.crypto 伪随机数 20818
[2024-10-18 15:30:54.607][000000002.385] I/user.crypto ALL Done
七、总结
通过本章内容的学习，你可以学习到有关随机数的函数，例如：crypto.trng(len)#、math.random([n [,m]])、math.randomseed(n) 等函数。
八、扩展
8.1 注意事项
需要注意的是，Lua 中的随机数算法可能存在一些问题。例如，_math.random(1, 3276700)_返回的值最后两位必为 0，这是由于 Lua 本身的随机函数算法决定的。因此，在使用 Lua 生成随机数时，应当注意这些潜在的限制，并尽可能通过设置合适的随机种子来避免生成可预测的随机数序列。
通过以上方法，可以在 Lua 中有效地生成随机数，并确保每次运行程序时都能得到不同的随机数序列，从而满足各种需要随机性的应用场景。
8.2 设置随机数种子
为了确保每次运行程序时都能生成不同的随机数序列，需要使用_math.randomseed_来设置一个随机种子。通常，使用系统时间_os.time()_作为种子是一个简单而有效的方法：
math.randomseed(os.time())
然而，如果程序在很短的时间内多次运行，可能会发现生成的随机数序列几乎不变。这是因为_os.time()_返回的是秒级的时间戳，不够精确。为了解决这个问题，可以将时间戳转换为字符串，然后反转并截取高位数字作为种子：
math.randomseed(tonumber(tostring(os.time()):reverse():sub(1, 7)))
这种方法通过提高种子数值的变化量，使得即使在短时间内多次运行程序，也能产生更好的伪随机序列。
给读者的话
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