基于FPGA一种真随机数生成器的设计和实现 - 计算机应用与软件.PDF

第３０卷第１１期　　　 计算机应用与软件 Ｖｏｌ３０Ｎｏ．１１ ２０１３年１１月　　 ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＳｏｆｔｗａｒｅ Ｎｏｖ．２０１３ 基于ＦＰＧＡ一种真随机数生成器的设计和实现 吴　飞　李艳萍 （太原理工大学信息工程学院　山西太原０３００２４） 摘　要　　针对随机数在必威体育官网网址通信中的应用，设计并实现一种基于ＦＰＧＡ的真随机数生成器，将ＲＳ触发器的亚稳态作为随机源，减 小时钟信号的相位偏移，最小化内部元件的工艺差异，从而保证输出序列的随机性，对多个触发器的输出进行异或操作并且加入后 处理模块来提高随机序列的质量和增加每比特的熵。该设计在ＸｉｌｉｎｘＳｐａｒｔａｎ３ＸＣ３Ｓ４００平台上实现，产生的随机序列可通过ＮＩＳＴ 测试，满足设计要求。该真随机数发生器仅由普通逻辑单元组成，能快速移植到集成电路设计流程中，缩短开发周期。 关键词　　真随机数发生器　现场可编程门阵列　查找表　亚稳态　触发器　后处理 中图分类号　ＴＰ３０９　　　　文献标识码　Ａ　　　　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００３８６ｘ．２０１３．１１．０７０ ＤＥＳＩＧＮＡＮＤＩＭＰＬＥＭＥＮＴＡＴＩＯＮＯＦＡＴＲＵＥＲＡＮＤＯＭＮＵＭＢＥＲ ＧＥＮＥＲＡＴＯＲＢＡＳＥＤＯＮＦＰＧＡ ＷｕＦｅｉ　ＬｉＹａｎｐｉｎｇ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００２４，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ　　Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｒａｎｄｏｍｎｕｍｂｅｒｉｎｓｅｃｕｒｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｗｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｎｅｗＦＰＧＡｂａｓｅｄｔｒｕｅ ｒａｎｄｏｍｎｕｍｂｅｒｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＴＲＮＧ）ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＩｔｔａｋｅｓｔｈｅｍｅｔａｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＲＳｆｌｉｐｆｌｏｐａｓｔｈｅｒａｎｄｏｍｓｏｕｒｃｅｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｏｆ ｃｌｏｃｋｓｉｇｎａｌａｎｄｍｉｎｉｍｉｓｅｓｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｓｏａｓｔｏｇｕａｒａｎｔｅｅｔｈｅｒａｎｄｏｍｎｅｓｓｏｆｏｕｔｐｕｔｓｅｑｕｅｎｃｅ．Ｔｈｅｏｕｔｐｕｔｓ ｏｆｍｕｌｔｉｔｒｉｇｇｅｒｓａｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｈｅＸＯＲｏｐｅｒａｔｉｏｎｓａｎｄａｒｅａｄｄｅｄｔｈｅｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｄｕｌｅｆｏｒｅｎｈａｎｃｉｎｇｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｒａｎｄｏｍｓｅｑｕｅｎｃｅｓ ａｎｄｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｅｎｔｒｏｐｙｐｅｒｂｉｔ．ＴｈｉｓｄｅｓｉｇｎｈａｓｂｅｅｎｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｏｎＸｉｌｉｎｘＳｐａｒｔａｎ３ＸＣ３Ｓ４００ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｔｈｅｒａｎｄｏｍｓｅｑｕｅｎｃｅｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｃａｎｐａｓｓｔｈｅＮＩＳＴｔｅｓｔ，ａｎｄａｌｌｔｈｅｉｎｄｅｘｅｓｍｅｅｔｔｈｅｄｅｓｉｇｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｔｒｕｅｒａｎｄｏｍｎｕｍｂｅｒｇｅｎｅｒａｔｏｒｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｃｏｍｍｏｎｌｏｇｉｃｕｎｉｔｅｓ ｏｎｌｙ，ｉｔｃａｎｂｅｑｕｉｃｋｌｙｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｄｉｎｔｏＡＳＩＣｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｃｙｃｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　　ＴＲＮＧ　ＦＰＧＡ　Ｌｏｏｋｕｐｔａｂｌｅ　Ｍｅｔａｓｔａｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒｉｇｇｅｒ　Ｐｏｓｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ 进行了测试验证。 ０　引　言 １　真随机数生成器的设计 许多算法和系统都依赖于随机数，尤其真随机数在一些应 用包括加密应用中是必不可少的。虽然伪随机数生成器 １．１　亚稳态 （ＰＲＮＧ）被广泛应用，并由某种确定的算法产生序