Arduino - 随机数

Arduino - 生成随机数

在涉及游戏、模拟或不可预测行为的项目中，生成随机数是一个常见需求。Arduino 核心提供了生成伪随机数的简单函数。

理解伪随机性

计算机，包括微控制器，是确定性机器。它们本身无法生成真正的随机数。相反，它们使用数学公式生成一系列看似随机的数字，但如果您知道起始点，这些数字实际上是可以预测的。这被称为伪随机序列，而起始点则称为种子（seed）。

如果每次都使用相同的种子，您将得到完全相同的“随机”数字序列。为了让我们的程序感觉真正随机，我们必须提供一个不可预测的种子。

播种生成器：randomSeed(seed)

randomSeed() 函数使用一个种子值初始化伪随机数生成器。它应该只调用一次，通常在您的 setup() 函数中。为了获得一个好的种子，我们需要一个不可预测的来源。在 Arduino 上，一种常见的技术是读取未连接的模拟引脚上的电噪声。

示例

// 使用浮空模拟引脚的环境噪声为生成器播种。
// 这使得每次电路板上电时序列都不同。
randomSeed(analogRead(A0));

生成数字：random()

一旦播种，random() 函数就会生成序列中的下一个数字。它有两种用法。

random() 语法

// 生成一个介于 0 和 (max - 1) 之间的随机数
long randomNumber = random(max);

// 生成一个介于 min 和 (max - 1) 之间的随机数
long randomNumber = random(min, max);

重要提示：范围中的最大值是不包含的（exclusive）。例如，random(1, 7) 将返回集合 {1, 2, 3, 4, 5, 6} 中的一个数字，这非常适合模拟标准骰子投掷。

实用示例：数字骰子投掷

这个 sketch 模拟每两秒投掷一次六面骰子，并将结果打印到串口监视器。

/*
  数字骰子模拟器

  这个 sketch 演示了如何正确地播种并生成
  特定范围内的随机数。
*/

void setup() {
  // 启动串口通信以显示结果
  Serial.begin(9600);

  // 等待串口连接。对于原生 USB 端口的开发板（例如 Leonardo）需要此行
  while (!Serial) {
    ; // 等待
  }

  // 播种随机数生成器。使用浮空模拟引脚是一种简单的方法，
  // 可以在每次上电时获得不同的种子。
  randomSeed(analogRead(A0));

  Serial.println("--- 随机骰子投掷 ---\n");
}

void loop() {
  // 生成一个 1 到 6（包含）之间的随机数。
  // random() 的上限是独占的，所以我们使用 7。
  long dieRoll = random(1, 7);

  Serial.print("您掷出了：");
  Serial.println(dieRoll);

  // 等待 2 秒钟，然后进行下一次投掷
  delay(2000);
}

关于数据：位和字节

理解数字的存储方式会很有帮助。数据的基本单位是位（bit），它可以是 0 或 1。8 个位组成一组称为字节（byte）。一个字节可以表示 2^8 = 256 种不同的值（通常是 0 到 255）。

• random() 函数返回一个 long 类型的值，它是一个 4 字节（32 位）的数字，允许非常大的可能值范围。
• 位在字节中的位置决定了它的值。最右边的位是最低有效位（LSB，Least Significant Bit），最左边的位是最高有效位（MSB，Most Significant Bit）。