本發(fā)明涉及電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

背景技術(shù)：

隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是信息安全芯片或者信息安全系統(tǒng)中不可缺少的一部分，對(duì)于很多加密系統(tǒng)來說，其安全性完全取決于所使用的密鑰和一些協(xié)議中的參數(shù)等。若采用傳統(tǒng)模型產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列作為密鑰，如果攻擊者擁有足夠的計(jì)算能力，則完全可以預(yù)測(cè)到偽隨機(jī)數(shù)的產(chǎn)生規(guī)律，從而破解密鑰。對(duì)于使用偽隨機(jī)數(shù)的安全系統(tǒng)來說，采用軟件方法產(chǎn)生的偽隨機(jī)數(shù)，并不能保證足夠的不確定性，這使得偽隨機(jī)數(shù)成為加密系統(tǒng)性能提高的瓶頸。一個(gè)安全系統(tǒng)，即使其他部分足夠安全，如果使用了偽隨機(jī)數(shù)進(jìn)行加密，也會(huì)使得整個(gè)安全系統(tǒng)變得很脆弱，容易受到攻擊。因此，現(xiàn)代密碼學(xué)中，以維斯特沙米爾阿德勒曼(RSA，Rivest Shamir Adleman)公鑰密碼算法和數(shù)字簽名算法為代表的非對(duì)稱密鑰加密體制中，或者其他類型的安全協(xié)議中，需要安全可靠的、不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)數(shù)，以防系統(tǒng)被破解，這些系統(tǒng)都需要用到高質(zhì)量的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。

真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器往往以某一個(gè)隨機(jī)物理過程作為參考隨機(jī)源，通過特定的電路對(duì)隨機(jī)源的信號(hào)進(jìn)行采樣并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。目前隨機(jī)數(shù)發(fā)生器方案通常可以歸納為三大類，分別為直接放大法、離散事件混沌法以及振蕩器采樣法，前兩種方法都需要采用模擬電路，十分依賴于工藝技術(shù)，主要用于客戶訂制的單元設(shè)計(jì)，但無法跨工藝重用，振蕩器采樣技術(shù)可以使用普通邏輯單元，因此在安全芯片設(shè)計(jì)中比較受歡迎。

本申請(qǐng)的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，目前基于振蕩器采樣技術(shù)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，有的硬件開銷小，但是使用了諸如PLL(Phase Locked Loop，鎖相環(huán))等特殊功能資源，使得重用性比較差，有的過于依賴于振蕩器的抖動(dòng)特性，使得分布不夠均勻，或者需要非常多的硬件資源來消除對(duì)振蕩器抖動(dòng)特性的依賴，增加了系統(tǒng)硬件資源開銷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施方式的目的在于提供一種真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，使得采用普通邏輯器件構(gòu)成的簡(jiǎn)易電路結(jié)構(gòu)，不僅產(chǎn)生好的隨機(jī)數(shù)序列，而且與制作工藝無關(guān)，可作為單獨(dú)的數(shù)據(jù)電路模塊，實(shí)現(xiàn)在不同工藝的芯片設(shè)計(jì)中的重用，還增加了反饋機(jī)制，可以消除無反饋時(shí)長(zhǎng)時(shí)間工作出現(xiàn)的偽隨機(jī)性。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實(shí)施方式提供了一種真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括：

隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路、真隨機(jī)數(shù)生成電路、偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器PRNG與隨機(jī)數(shù)截取器；

所述隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路、所述真隨機(jī)數(shù)生成電路、所述PRNG依次相連；所述隨機(jī)數(shù)截取器的第一輸入端與所述真隨機(jī)數(shù)生成電路的輸出端連接，第二輸入端與所述PRNG的輸出端連接，輸出端與所述隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路的輸入端連接；

所述隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路，用于生成隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)；

所述真隨機(jī)數(shù)生成電路，用于對(duì)所述隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)進(jìn)行采樣和擴(kuò)散，得到真隨機(jī)數(shù)序列；

所述PRNG，用于根據(jù)所述真隨機(jī)數(shù)序列輸出輸出串行或并行的隨機(jī)數(shù)序列；

所述隨機(jī)數(shù)截取器，用于從所述隨機(jī)數(shù)序列中截取預(yù)設(shè)長(zhǎng)度的隨機(jī)數(shù)序列，并反饋至所述隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路；

所述隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路，還根據(jù)所述隨機(jī)數(shù)截取器反饋的隨機(jī)數(shù)序列調(diào)整所述隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)。

本發(fā)明實(shí)施方式相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，可以通過普通邏輯器件構(gòu)成的簡(jiǎn)易電路結(jié)構(gòu)，不僅可以產(chǎn)生好的隨機(jī)數(shù)序列，而且與制作工藝無關(guān)，可以作為單獨(dú)的數(shù)據(jù)電路模塊，實(shí)現(xiàn)在不同工藝的芯片設(shè)計(jì)中的重用，還增加了反饋機(jī)制，可以消除無反饋時(shí)長(zhǎng)時(shí)間工作出現(xiàn)的偽隨機(jī)性。

另外，所述隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路具體包括：環(huán)形振蕩器陣列以及第一異或門；其中，所述環(huán)形振蕩器陣列包括N個(gè)環(huán)形振蕩器，N為自然數(shù)；所述N個(gè)環(huán)形振蕩器均與所述第一異或門連接；第i個(gè)所述環(huán)形振蕩器包括M_i個(gè)反相器，M_i為自然數(shù)，M_i的值各不相同，i為環(huán)形振蕩器并聯(lián)的次序；所述N個(gè)環(huán)形振蕩器，用于在接收到第一使能信號(hào)時(shí)開始工作，還用于將所述反饋的隨機(jī)數(shù)序列作為頻率選擇開關(guān)信號(hào)FSEL，并根據(jù)所述FSEL選擇振蕩頻率；其中，所述振蕩頻率由有效串聯(lián)的反相器數(shù)目決定；所述N個(gè)環(huán)形振蕩器的輸出信號(hào)經(jīng)過所述第一異或門進(jìn)行異或運(yùn)算后，得到所述隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)。

隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路包括N個(gè)環(huán)形振蕩器構(gòu)成的環(huán)形振蕩器陣列和第一異或門，N個(gè)環(huán)形振蕩器的輸出信號(hào)均與第一異或門連接，經(jīng)過第一異或門的異或運(yùn)算后，得到隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)。其中，各環(huán)形振蕩器分別由取值各不相同的M_i個(gè)反相器串聯(lián)構(gòu)成，有效串聯(lián)的反相器數(shù)目決定了各環(huán)形振蕩器的振蕩頻率，從而間接影響各環(huán)形振蕩器的輸出信號(hào)，并最終影響隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)，因此，可以通過控制各環(huán)形振蕩器有效串聯(lián)的反相器數(shù)目，達(dá)到控制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)的目的。同時(shí)，N個(gè)環(huán)形振蕩器，還用于將反饋的隨機(jī)數(shù)序列作為頻率選擇開關(guān)信號(hào)FSEL，從而可以根據(jù)FSEL動(dòng)態(tài)的選擇振蕩頻率，并動(dòng)態(tài)控制隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)。

另外，每個(gè)所述環(huán)形振蕩器還包括與門以及多路選擇器；在第i個(gè)所述環(huán)形振蕩器中，所述與門、所述M_i個(gè)反相器、所述多路選擇器依次首尾連接形成第一環(huán)路，M_i＝4K_i+1，K_i為自然數(shù)，K_i的值各不相同；第2K_i+1個(gè)反相器的輸出端還與所述多路選擇器的輸入端連接，所述與門、第1個(gè)反相器至第2K_i+1個(gè)反相器、所述多路選擇器依次首尾連接形成第二環(huán)路；所述N個(gè)環(huán)形振蕩器根據(jù)所述FSEL選擇所述第一環(huán)路工作或者選擇所述第二環(huán)路工作；在所述第一環(huán)路工作時(shí)，所述振蕩頻率為4K_i+3個(gè)門延遲產(chǎn)生的頻率，在所述第二環(huán)路工作時(shí)，所述振蕩頻率為2K_i+3個(gè)門延遲產(chǎn)生的頻率。

每個(gè)環(huán)形振蕩器還包括與門以及多路選擇器，與門、M_i個(gè)反相器及多路選擇器的第一輸入端依次首尾連接，形成第一環(huán)路，與門、第1個(gè)反相器至第2K_i+1個(gè)反相器以及多路選擇器的第二輸入端依次首尾連接，形成第二環(huán)路，其中，M_i＝4K_i+1，K_i為自然數(shù)，K_i的值各不相同。當(dāng)各環(huán)形振蕩器根據(jù)FSEL選擇第一環(huán)路工作時(shí)，各環(huán)形振蕩器的振蕩頻率為4K_i+3個(gè)門延遲產(chǎn)生的頻率，當(dāng)N個(gè)環(huán)形振蕩器根據(jù)FSEL選擇第二環(huán)路工作時(shí)，各環(huán)形振蕩器的振蕩頻率為2K_i+3個(gè)門延遲產(chǎn)生的頻率。這樣處理，可以對(duì)每個(gè)環(huán)形振蕩器的反向器環(huán)長(zhǎng)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)的選擇配置，實(shí)現(xiàn)振蕩頻率的動(dòng)態(tài)更改，降低產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)對(duì)振蕩器電路抖動(dòng)的依賴性，提高隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的真隨機(jī)性。

另外，所述真隨機(jī)數(shù)生成電路具體包括第二異或門與線性反饋移位寄存器LFSR；所述第二異或門的第一輸入端與所述第一異或門的輸出端連接，所述第二異或門的第二輸入端與所述LFSR的輸出端連接；所述第二異或門的輸出端與所述LFSR的輸入端連接；所述LFSR的輸出端與所述隨機(jī)數(shù)截取器的輸入端連接，還與所述PRNG的輸入端連接；所述第二異或門，用于對(duì)所述隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)與采樣得到的所述真隨機(jī)數(shù)序列進(jìn)行異或運(yùn)算；所述LFSR，用于對(duì)所述第二異或門的輸出信號(hào)進(jìn)行偏移糾正，對(duì)所述隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)位流進(jìn)行均衡分配，得到所述真隨機(jī)數(shù)序列。

真隨機(jī)數(shù)生成電路包括第二異或門與線性反饋移位寄存器LFSR，第二異或門對(duì)輸入的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)及LFSR反饋的真隨機(jī)數(shù)序列進(jìn)行異或運(yùn)算后，再將得到的運(yùn)算結(jié)果輸入至LFSR中，通過LFSR對(duì)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)進(jìn)行偏移糾正及均衡分配，得到真隨機(jī)數(shù)序列。這種電路結(jié)構(gòu)，一方面，可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)的采樣和擴(kuò)散，另一方面，可以糾正生成隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)的過程中，振蕩器電路產(chǎn)生的相位偏移，并對(duì)隨機(jī)數(shù)位流進(jìn)行均衡分配。經(jīng)過上述處理后產(chǎn)生的真隨機(jī)數(shù)序列具有良好的統(tǒng)計(jì)性能，極大增強(qiáng)了真隨機(jī)數(shù)序列的隨機(jī)性。

另外，所述隨機(jī)數(shù)截取器具體包括：信號(hào)翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器與數(shù)據(jù)鎖存模塊；所述信號(hào)翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器的輸入端為所述隨機(jī)數(shù)截取器的輸入端，與所述真隨機(jī)數(shù)生成電路的輸出端連接，所述信號(hào)翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器的輸出端與所述數(shù)據(jù)鎖存模塊的使能端連接，所述數(shù)據(jù)鎖存模塊的輸入端與所述PRNG的輸出端連接，輸出端為所述隨機(jī)數(shù)截取器的輸出端；所述信號(hào)翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器，用于記錄真隨機(jī)數(shù)序列信號(hào)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)；所述數(shù)據(jù)鎖存模塊，用于在所述翻轉(zhuǎn)次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)時(shí)，截取當(dāng)前的隨機(jī)數(shù)序列，并反饋至所述N個(gè)環(huán)形振蕩器的頻率選擇開關(guān)，作為所述FSEL。

隨機(jī)數(shù)截取器包括信號(hào)翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器與數(shù)據(jù)鎖存模塊，信號(hào)翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器記錄輸入的真隨機(jī)數(shù)序列信號(hào)的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，并在翻轉(zhuǎn)次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)時(shí)，使能數(shù)據(jù)鎖存模塊截取當(dāng)前輸入的隨機(jī)數(shù)序列，并反饋至N個(gè)環(huán)形振蕩器的頻率選擇開關(guān)，作為FSEL。這樣，實(shí)現(xiàn)了不定時(shí)的截取一段隨機(jī)數(shù)，反饋到環(huán)形振蕩器陣列中作為FSEL，使得真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以根據(jù)反饋的FSEL動(dòng)態(tài)的控制振蕩頻率，進(jìn)一步增加了隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源的隨機(jī)性，并消除了原有無反饋的反向器環(huán)電路由于長(zhǎng)時(shí)間工作而出現(xiàn)的偽隨機(jī)性。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的一種真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的環(huán)形振蕩器的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的隨機(jī)數(shù)截取器的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的各實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的闡述。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明各實(shí)施方式中，為了使讀者更好地理解本申請(qǐng)而提出了許多技術(shù)細(xì)節(jié)。但是，即使沒有這些技術(shù)細(xì)節(jié)和基于以下各實(shí)施方式的種種變化和修改，也可以實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)所要求保護(hù)的技術(shù)方案。

本發(fā)明的第一實(shí)施方式涉及一種真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，包括：隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路、真隨機(jī)數(shù)生成電路、偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器與隨機(jī)數(shù)截取器，其中，隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路、真隨機(jī)數(shù)生成電路、偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器依次相連；隨機(jī)數(shù)截取器的第一輸入端與真隨機(jī)數(shù)生成電路的輸出端連接，第二輸入端與偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的輸出端連接，輸出端與隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路的輸入端連接，具體電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路101，用于生成隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)，同時(shí)還用于根據(jù)隨機(jī)數(shù)截取器104反饋的隨機(jī)數(shù)序列調(diào)整隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)。

真隨機(jī)數(shù)生成電路102，用于對(duì)所述隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)進(jìn)行采樣和擴(kuò)散，得到真隨機(jī)數(shù)序列。

偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器103，用于根據(jù)所述真隨機(jī)數(shù)序列輸出串行或并行的隨機(jī)數(shù)序列。

隨機(jī)數(shù)截取器104，用于從所述隨機(jī)數(shù)序列中截取預(yù)設(shè)長(zhǎng)度的隨機(jī)數(shù)序列，并反饋至所述隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路。

不難發(fā)現(xiàn)，在本實(shí)施方式中，通過普通邏輯器件構(gòu)成的簡(jiǎn)易電路結(jié)構(gòu)，不僅可以產(chǎn)生好的隨機(jī)數(shù)序列，而且與制作工藝技術(shù)無關(guān)，可以作為單獨(dú)的數(shù)據(jù)電路模塊，實(shí)現(xiàn)在不同工藝的芯片設(shè)計(jì)中的重用，還增加了反饋機(jī)制，可以消除無反饋時(shí)長(zhǎng)時(shí)間工作出現(xiàn)的偽隨機(jī)性。

下面具體介紹隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路、真隨機(jī)數(shù)生成電路及隨機(jī)數(shù)截取器的具體構(gòu)成。其中，隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路包括N個(gè)環(huán)形振蕩器201至204構(gòu)成的環(huán)形振蕩器陣列和第一異或門205，真隨機(jī)數(shù)生成電路包括第二異或門206與線性反饋移位寄存器(LFSR)207，具體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路由一個(gè)環(huán)形振蕩器陣列和第一異或門205構(gòu)成，其中，環(huán)形振蕩器陣列由環(huán)形振蕩器21(圖2的201)、環(huán)形振蕩器22(圖2的202)、環(huán)形振蕩器23(圖2的203)直至環(huán)形振蕩器2N(圖2的204)并聯(lián)構(gòu)成，N為自然數(shù)，即環(huán)形振蕩器陣列包括N個(gè)并聯(lián)的環(huán)形振蕩器，N個(gè)環(huán)形振蕩器均與第一異或門連接。N個(gè)環(huán)形振蕩器，在接收到第一使能信號(hào)EN1時(shí)開始工作，N個(gè)環(huán)形振蕩器的輸出信號(hào)CLKOUT均進(jìn)入第一異或門205，經(jīng)過第一異或門205的異或運(yùn)算后，得到隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)。同時(shí)，N個(gè)環(huán)形振蕩器還會(huì)將反饋的隨機(jī)數(shù)序列作為頻率選擇開關(guān)信號(hào)(FSEL)，并根據(jù)FSEL選擇振蕩頻率，其中，振蕩頻率由有效串聯(lián)的反相器數(shù)目決定。

第i個(gè)環(huán)形振蕩器又進(jìn)一步包括與門、M_i個(gè)反相器以及多路選擇器，具體電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，M_i為自然數(shù)，M_i的值各不相同，i為環(huán)形振蕩器并聯(lián)的次序。與門301、M_i個(gè)反相器302至306及多路選擇器307的第一輸入端依次首尾連接形成第一環(huán)路，其中，M_i＝4K_i+1，K_i為自然數(shù)，K_i的值各不相同，i為環(huán)形振蕩器并聯(lián)的次序。與門301、第1個(gè)反相器至第2K_i+1個(gè)反相器302至304及多路選擇器307的第二輸入端依次首尾連接形成第二環(huán)路，也即多路選擇器307的兩路輸入分別為第4K_i+1個(gè)反向器的輸出與第2K_i+1個(gè)反向器的輸出。當(dāng)?shù)趇個(gè)環(huán)形振蕩器根據(jù)FSEL選擇第一環(huán)路工作時(shí)，環(huán)形振蕩器的振蕩頻率為4K_i+3個(gè)門延遲產(chǎn)生的頻率，當(dāng)選擇第二環(huán)路工作時(shí)，環(huán)形振蕩器的振蕩頻率為2K_i+3個(gè)門延遲產(chǎn)生的頻率，實(shí)現(xiàn)了振蕩頻率的動(dòng)態(tài)選擇。

在圖3所示的環(huán)形振蕩器電路結(jié)構(gòu)中，當(dāng)使能信號(hào)EN為“0”時(shí)，環(huán)形振蕩器的輸出固定為“1”，環(huán)形振蕩器停止工作。當(dāng)使能信號(hào)EN為“1”時(shí)，根據(jù)頻率選擇信號(hào)FSEL的狀態(tài)，分別組成不同的閉合環(huán)路，當(dāng)FSEL為“1”時(shí)，器件301、302、303、304、305、306、307組成一個(gè)閉合環(huán)路(即第一環(huán)路)，環(huán)形振蕩器以第一環(huán)路的振蕩頻率進(jìn)行自振蕩，輸出一個(gè)高頻的振蕩時(shí)鐘信號(hào)CLKOUT，也即環(huán)形振蕩器輸出振蕩頻率為4K_i+3個(gè)門延遲產(chǎn)生的信號(hào)CLKOUT。當(dāng)FSEL為“0”時(shí)，器件301、302、303、304、307組成一個(gè)閉合環(huán)路(即第二環(huán)路)，此時(shí)環(huán)形振蕩器以第二環(huán)路的振蕩頻率進(jìn)行自振蕩，輸出一個(gè)高頻的振蕩時(shí)鐘信號(hào)CLKOUT，也即環(huán)形振蕩器輸出振蕩頻率為2K_i+3個(gè)門延遲產(chǎn)生的信號(hào)CLKOUT。通過FSEL，可以選擇環(huán)形振蕩器輸出振蕩頻率為4K_i+3個(gè)門延遲產(chǎn)生的頻率或者2K_i+3個(gè)門延遲產(chǎn)生的頻率，實(shí)現(xiàn)了振蕩頻率的動(dòng)態(tài)更改。

N個(gè)環(huán)形振蕩器組成的振蕩器陣列中，每個(gè)的環(huán)形振蕩器的參數(shù)K_i都不相同，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)形振蕩器中反向器環(huán)長(zhǎng)度動(dòng)態(tài)配置，降低了產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列對(duì)振蕩器電路抖動(dòng)特征的依賴，改善了隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的真隨機(jī)性，同時(shí)使得每個(gè)環(huán)形振蕩器的兩個(gè)振蕩頻率也都不相同，同時(shí)每個(gè)環(huán)形振蕩器選用的振蕩頻率，在隨機(jī)數(shù)序列產(chǎn)生過程中，可以動(dòng)態(tài)切換，最大限度的獲取到信號(hào)的隨機(jī)性。

真隨機(jī)數(shù)生成電路包括第二異或門206與線性反饋移位寄存器(LFSR)207，其中，第二異或門206的第一輸入端與第一異或門205的輸出端連接，第二異或門206的第二輸入端與LFSR207的輸出端連接，第二異或門206的輸出端與LFSR207的輸入端連接，LFSR的輸出端與隨機(jī)數(shù)截取器209的輸入端連接，同時(shí)還與偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器208的輸入端連接。第二異或門206，將輸入的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)與真隨機(jī)數(shù)序列進(jìn)行異或運(yùn)算后，將異或運(yùn)算結(jié)果輸出至LFSR207，LFSR207對(duì)輸入的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)進(jìn)行偏移糾正及隨機(jī)數(shù)位流均衡分配，輸出真隨機(jī)數(shù)序列。

目前，在振蕩器采樣技術(shù)的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)中，主要是利用振蕩器電路在振蕩頻率上產(chǎn)生的抖動(dòng)現(xiàn)象和相位漂移，環(huán)形振蕩器對(duì)電源電壓波動(dòng)或輸入信號(hào)中的直流分量特別敏感，極易受到電源電壓波動(dòng)或輸入信號(hào)中直流分量的影響，任何的噪聲波動(dòng)，都會(huì)影響到振蕩器的抖動(dòng)現(xiàn)象，抖動(dòng)現(xiàn)象是一個(gè)平均值為零的隨機(jī)變量。除了時(shí)鐘抖動(dòng)外，兩個(gè)獨(dú)立時(shí)鐘之間的相位漂移也具有隨機(jī)特性，因而抖動(dòng)信號(hào)和相位漂移適合在數(shù)字電路中作為真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的噪聲源。通過LFSR對(duì)輸入的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)進(jìn)行偏移糾正，可以對(duì)位流進(jìn)行均衡分配，得到具有良好的統(tǒng)計(jì)性能的真隨機(jī)數(shù)序列，增強(qiáng)真隨機(jī)數(shù)序列的隨機(jī)性。

如圖4所示，隨機(jī)數(shù)截取器209包括信號(hào)翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器401與數(shù)據(jù)鎖存模塊402，其中，信號(hào)翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器的輸入端為隨機(jī)數(shù)截取器的輸入端，與真隨機(jī)數(shù)生成電路的輸出端連接，信號(hào)翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器的輸出端與數(shù)據(jù)鎖存模塊的使能端連接，數(shù)據(jù)鎖存模塊的輸入端與PRNG的輸出端連接，輸出端為隨機(jī)數(shù)截取器的輸出端。

信號(hào)翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器401，對(duì)輸入的真隨機(jī)數(shù)序列信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)，一旦觀測(cè)到真隨機(jī)數(shù)序列信號(hào)有翻轉(zhuǎn)就進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，以記錄真隨機(jī)數(shù)序列的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，其中，真隨機(jī)數(shù)序列從“1”到“0”的翻轉(zhuǎn)或者從“0”到“1”的翻轉(zhuǎn)均計(jì)為一次翻轉(zhuǎn)。當(dāng)信號(hào)翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器記錄的翻轉(zhuǎn)次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)次數(shù)時(shí)，例如100次，使能數(shù)據(jù)鎖存模塊402的第二使能信號(hào)EN2為有效信號(hào)，即第二使能信號(hào)為1。數(shù)據(jù)鎖存模塊402，在第二使能信號(hào)為1時(shí)，對(duì)當(dāng)前的隨機(jī)數(shù)序列鎖存一次，截取預(yù)設(shè)長(zhǎng)度的當(dāng)前隨機(jī)數(shù)序列，并反饋至N個(gè)環(huán)形振蕩器的頻率選擇開關(guān)，作為FSEL。數(shù)據(jù)鎖存模塊402在鎖存當(dāng)前的隨機(jī)數(shù)序列后，使能第二使能信EN2號(hào)為0，使數(shù)據(jù)鎖存模塊402保持鎖存的數(shù)據(jù)，同時(shí)將信號(hào)翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器401清零，重新開始進(jìn)行計(jì)數(shù)，也即數(shù)據(jù)鎖存模塊402在第二使能信號(hào)為1時(shí)，對(duì)輸入的隨機(jī)數(shù)進(jìn)行鎖存，而在第二使能信號(hào)為0時(shí)，保持所存數(shù)據(jù)。

隨機(jī)數(shù)截取器209通過信號(hào)翻轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器401和數(shù)據(jù)鎖存模塊402，實(shí)現(xiàn)了不定時(shí)的截取一段隨機(jī)數(shù)，反饋到反環(huán)形振蕩器陣列中作為FSEL，消除了原有無反饋反向器環(huán)電路由于長(zhǎng)時(shí)間工作出現(xiàn)的偽隨機(jī)性，同時(shí)，使得真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以根據(jù)反饋的FSEL動(dòng)態(tài)的控制振蕩頻率，進(jìn)一步增加了隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源的隨機(jī)性。

本實(shí)施方式中，N個(gè)環(huán)形振蕩器組成的振蕩器陣列中，每個(gè)環(huán)形振蕩器的參數(shù)K_i都不相同，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)形振蕩器中反向器環(huán)長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)配置，降低了產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)序列對(duì)振蕩器電路抖動(dòng)特征的依賴，改善了隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的真隨機(jī)性，通過LFSR可以最大可能的消除隨機(jī)數(shù)發(fā)生器電路設(shè)計(jì)中，環(huán)形振蕩器之間的相位漂移，得到具有良好的統(tǒng)計(jì)性能的真隨機(jī)數(shù)序列，增強(qiáng)真隨機(jī)數(shù)序列的隨機(jī)性，隨機(jī)數(shù)截取器實(shí)現(xiàn)了不定時(shí)的截取一段隨機(jī)數(shù)，并反饋到反環(huán)形振蕩器陣列中作為FSEL，消除了原有無反饋反向器環(huán)電路由于長(zhǎng)時(shí)間工作出現(xiàn)的偽隨機(jī)性，同時(shí)，使得真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器可以根據(jù)反饋的FSEL動(dòng)態(tài)的控制振蕩頻率，進(jìn)一步增加了隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源的隨機(jī)性。

本發(fā)明的第二實(shí)施方式涉及一種真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，第二實(shí)施方式在第一實(shí)施方式的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步改進(jìn)，主要改進(jìn)之處在于：在本發(fā)明第二實(shí)施方式中，通過LFSR對(duì)輸入的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)進(jìn)行偏移糾正，可以對(duì)位流進(jìn)行均衡分配，得到具有良好的統(tǒng)計(jì)性能的真隨機(jī)數(shù)序列，增強(qiáng)真隨機(jī)數(shù)序列的隨機(jī)性。

線性移位寄存器LFSR為48比特LFSR，并且該LFSR的特征多項(xiàng)式為f(x)＝x⁴⁸+x⁷+x⁵+x⁴+x²+x+1，其中，x指示寄存器，x的指數(shù)指示寄存器的序號(hào)。通過48比特LFSR對(duì)輸入的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)進(jìn)行偏移糾正，可以對(duì)輸入的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)的位流進(jìn)行均衡分配，得到具有更好的統(tǒng)計(jì)性能的真隨機(jī)數(shù)序列，極大增強(qiáng)真隨機(jī)數(shù)序列的隨機(jī)性。

本發(fā)明的第三實(shí)施方式涉及一種真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，第三實(shí)施方式在第二實(shí)施方式的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步改進(jìn)，主要改進(jìn)之處在于：在本發(fā)明第三實(shí)施方式中，具體給出了隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路中，環(huán)形振蕩器陣列的環(huán)形振蕩器數(shù)目的最佳取值范圍為：N的取值范圍為4～10，這樣，可以在資源和性能之間到達(dá)折中效果。

環(huán)形振蕩器陣列中環(huán)形振蕩器的數(shù)量會(huì)影響隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路采集隨機(jī)信號(hào)的效率，環(huán)形振蕩器的數(shù)目越多，其輸出的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生源信號(hào)的隨機(jī)性就會(huì)越好，但是環(huán)形振蕩器的數(shù)目越多，所消耗的硬件資源也會(huì)越多，所以要在資源和性能之間做一個(gè)折中。本發(fā)明實(shí)施方式的隨機(jī)信號(hào)發(fā)生源電路結(jié)構(gòu)中，采用4到10個(gè)環(huán)形振蕩器就足以達(dá)到美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST，National Institute of Standards and Technology)的隨機(jī)性測(cè)試要求。下面以8個(gè)環(huán)形振蕩器組成的環(huán)形振蕩器陣列為例，介紹各個(gè)環(huán)形振蕩器的參數(shù)情況，見表1，其中，表1中的頻率按一個(gè)門的延時(shí)為1ns計(jì)算。

表1

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，上述各實(shí)施方式是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的具體實(shí)施例，而在實(shí)際應(yīng)用中，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作各種改變，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。