在许多电子系统中，生成随机数是一个重要的功能，尤其是在需要安全性和通信可靠性的场合。然而，对于具有相同硬件和软件的设备来说，生成唯一的随机地址是一个挑战。本文将介绍一种利用微控制器生成随机数的创新方法，该方法通过硬件限制和编程技巧来提高随机性。
在微控制器中，模拟数字转换器（ADC）已经被用来生成真正的随机数。但是，当无法为随机化分配模拟输入引脚，或者ADC在电路附近的电磁场和静电场影响下饱和时，就会遇到一些限制。本文使用Atmega328p微控制器来展示如何克服这些限制。不是尝试读取一个浮动的（假设是随机的）输入信号，而是创建一个内部信号，并利用硬件无法完全合成信号的限制。这为提供了一个机会来随机化一些位。
Atmega328p（以及其他AVR和大多数具有内部ADC的控制器）的ADC使用可编程复用器将不同的引脚路由到主转换器。除了将其连接到控制器的输入引脚外，它还可以连接到一些内部预定义的电压，对于Atmega328p来说，这些电压是0V和1.1V的带隙电压。参考电压也可以改变，但在这种方法中不使用改变它的效果。使用这两个电压，在ADC上合成了一个振幅为1.1V的脉动方波脉冲。当假设有方波脉冲时，ADC应该读取“0”表示低脉冲，“1023”表示高脉冲。但是，由于内部电容的存在，改变电压水平需要一些时间，而这个时间正好是ADC每次转换所需的时间。因此，在完全线性的微控制器电路中，形成了一个由于多种因素（如供电电压、温度，以及最重要的是，当在其他组件的自然频率范围内操作时，振荡倾向于利用系统的非常有趣的动态）而高度非线性的子系统。
为了减少这种效应，使用了一些编码技术。比如使用“种子”，使用位移动，以及随机改变合成信号的频率。首先，使用前一次转换的结果作为起点（就像在伪随机数中所做的那样）；位移动是使用处理器的标准移位指令完成的；最后一个是通过在每次转换后改变ADC的时钟频率来完成的。
以下是生成8位随机数的示例代码。通过增加位深度或使用多个随机数生成器，可以获得更宽的数字。
int N = 20; // 20对于uint8来说效果很好，可以增加以减少模式。
// 每个循环大约需要80微秒在16MHz的主时钟上
// 这将每1.5毫秒生成一个随机数。
for (int i = 0; i < N; i++) {
// 在输入上合成一个电压
if (i % 2 == 0)
ADMUX = 0b01001110; // [A] // 高（1.1V）。// 参见Atmega328p数据手册表23-3和23-4
else
ADMUX = 0b01001111; // [A] // 低（0V）
ADCSRA |= 1 << ADSC; // 开始一次转换。参见Atmega328p数据手册第207页
uint8_t low, high; // ADSC在转换完成时被清除
while ((ADCSRA >> ADSC) & 2); // 等待转换完成
low = ADCL; // 不要交换这个顺序。必须首先获取低值。
high = ADCH; // 值总是在0-3之间
V ^= low;
V ^= high;
// 让旋转移动这个数字；
uint8_t last = V % 2;
V >>= 1;
V |= last << 7; // “7”将需要改变为K-1以使用K位宽的数据类型
// 禁用ADC
ADCSRA = 0;
// 启用ADC，随机选择时钟预分频器在2和128之间。
// 由于每次转换需要13个ADC周期，在16MHz系统时钟下，
// ADC现在每次转换将需要1.6微秒到104微秒（平均75微秒）。
ADCSRA = 0b10000000 | ((V % 4) << 1); // 参见Atmega328p数据手册表23-5
}
在测量信号时，可以通过改变参考电压来增加非线性。这将需要嵌入到上述代码的[A]点中。
最终数字可以通过添加一个伪随机数生成器，以真实数字作为种子来补充。
为了使ADC读取更加随机，可以使信号更加不稳定（例如，使用可变时钟速率），或者使信号移动得非常快。当ADC读取非常快的信号时，不确定性会增加。这可以通过将振荡系统更多地移动到共振点来实现。这意味着只有ADC时钟的一个可能频率会为信号提供最大的上升和下降时间，从而获得更不稳定的ADC读取。
随机数的位宽可以增加。