CN101025976A - 使用反电动势（bemf）值生成随机数 - Google Patents

使用反电动势（bemf）值生成随机数 Download PDF

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Abstract

用于生成随机数的方法和设备，如用于控制对数据处理系统的访问的安全协议的随机数。处理器生成关于反电动势(BEMF)值的随机数。BEMF值较佳地响应于向电路施加电流而获得。该电路较佳地包括一线圈，且电流的施加较佳地感应出线圈的相对较小的移动。该随机数较佳地是多比特数字值，且随机数中每个比特的确定与相对应的BEMF值是偶数还是奇数有关。线圈较佳地包括一个用于将传感器定位至邻近可旋转存储介质的音圈电动机(VCM)的线圈，且较佳地，在该介质处于非旋转状态时生成该随机数。

Description

使用反电动势（BEMF）值生成随机数
技术领域
本发明一般涉及数字数据处理系统，更具体地，但非限制地，涉及用于生成与反电动势(BEMF)电压有关的随机数的设备和方法。
背景技术
在数字数据处理设备领域，一种持续趋势是提供具有较高等级的功能性和互连性的设备。这一趋势总体上已经导致这些设备可以存储或访问的机密或个人信息的量更大了。
这种趋势在提高个人便利和个体生产力的同时，也事与愿违地增加了未经授权访问和分发这种消息的机会。因为许多此类消费电子设备是便携式手持设备，而这些设备很容易放错地方或被盗，使问题雪上加霜。
一些设备开发商已经实现安全系统，试图降低第三方进入此类设备中信息的能力。此类安全系统经常实现一种依赖于生成真正的随机数的能力的安全协议。
尽管本领域中已经提出了各种系统，但仍需继续改进，借以方便并有效地生成真正的随机数而设备却无显著电消耗。本发明的较佳实施例一般涉及这些以及其他的改进。
发明内容
本发明的较佳实施例一般涉及用于生成随机数的方法和设备，比如在用于控制对数据处理系统的访问的安全协议中使用的随机数。
根据诸较佳实施例，处理器生成与反电动势(BEMF)值有关的随机数。该处理器最好是可编程处理器，但或可实现为硬件处理器。
较佳地，BEMF值响应于向一个电路施加电流来获得。该电路较佳地包括线圈，且该电流的施加较佳地诱发该线圈做相对较小的移动。
该随机数较佳地是一个多比特数值，而该随机数的每个比特的确定与相应BEMF值是偶数还是奇数有关。所述线圈较佳地包括一个用于将传感器定位至邻近可旋转存储介质的音圈电机(VCM)的线圈，且随机数较佳地在该介质处于非旋转状态时生成。
在阅读以下的详细描述并浏览相关联的附图后，表征权利要求中的本发明的以上和各种其他特征和优势即会明了。
附图说明
图1是根据本发明的较佳实施例构造并操作的磁盘驱动器块数据存储设备的平面图。
图2示出图1所示设备的简化功能图。
图3提供用于控制图1所示设备的音圈电机(VCM)的操作的控制电路的示意性表示。
图4示出根据较佳实施例的在设备的相关联斜坡加载/卸载表面上的选定传感器，以说明由图3所示电路诱发的相对较小的“摆动”移动。
图5示出的是优选使用由图3和图4获得的反电动势(BEMF)电压以生成用于安全协议的真正随机数的功能框图表示。
图6提供说明根据本发明较佳实施例所执行的各步骤的随机数生成例程的流程图。
图7提供图6的例程所生成的随机数的柱状分布。
图8提供图7数据的自相关分析结果。
图9示出用于图7数据的功率频谱密度图。
具体实施方式
现在参考附图，图1提供了一个磁盘驱动器块数据存储设备100的俯视图。用驱动器100来显示可以有利地实践本发明的较佳实施方式的示例性环境。然而，将会理解，权利要求书中的本发明并不局限于此。
设备100包括一个用基板104和顶盖106形成的基本密封的外壳102。内置的轴电机108被配置成旋转多个存储介质110。由相应的数据传感器112的阵列来访问介质110。较佳地，传感器(“磁头”)由通过介质110的高速旋转而建立的流体流(fluidic current)在毗邻该介质处以流体动力学方式支撑。
尽管图1中用的是两个磁性记录磁盘和四个相应的磁头，但其他数量的磁头和磁盘(如单个磁盘等等)以及其他类型的介质(如光学介质等等)也可以按需有选择地使用。当然，其他的实现环境既不要求介质，也不要求磁头。
传感器112形成磁头组组件(“HSA”或致动器)114。更为具体地，每个传感器112较佳地由相应的柔性悬架(“颈曲”)116支撑，后者进而由刚性致动器臂118支撑。较佳地，通过向音圈电机(VCM)122施加电流，致动器114绕磁盘轴承组件120转动。这样，VCM 122的受控操作致使传感器122与限定于介质表面上的轨迹(未示出)对齐，以向其存储数据或从中检索数据。
较佳地，当设备未使用时，传感器112移动(卸载)到位于介质最外周边附近的斜面结构124上。斜面结构124用于提供各个表面，这些表面在介质110处于非旋转状态时可以安全放置诸传感器112。当需要设备I/O操作时，轴电机108把介质110加速到足够支撑传感器110的速度，传感器112从斜面结构124移动(加载)到邻近介质110的支撑位置。
尽管为了说明较佳实施例的目的而提供了斜面结构，但这并非是必需的。例如，利用如图1所示的可旋转介质和可移动传感器的实施方式可以替代地利用其他支撑构型，比如接触起停(CSS)法，其中使传感器停靠在介质110最内周边附近的纹路停放区。
图1还显示便于致动器114与外置设备印刷电路板(PCB)128上的设备控制电子设备之间的电子通信的柔性电路组件126。
图2提供图1中设备100的功能框图。可编程控制器130为该设备提供顶层通信和控制。接口(I/F)块132便于I/O通信并用设备100相关联的主机设备(未示出)传送。读/写(R/W)信道134在写操作期间对要从主机写入介质110的数据加以调节，而读操作期间对从介质110中检索的先前存储的数据重新构造以传送至主机。
前置放大器/驱动器电路(前置放大器)136在写期间向中选传感器(selectedtransducer)施加必要的写电流，而在读期间施加必要的读偏置电流和信号前置放大作用。前置放大器136较佳地安装在致动器114的一侧，如图1所示。
伺服电路138使用在设备制造期间写入介质110的伺服数据为传感器112提供闭环位控。伺服电路138较佳地被配置成执行多个控制功能，包括中选传感器112借以追踪介质上的相应轨迹的轨迹追踪操作、中选传感器112借以从初始轨迹移动到目的轨迹的寻道操作、以及传感器借以从斜面结构124移开或移至斜面结构124的磁头加载/卸载操作。
伺服电路138向VCM 122的线圈140施加必要的电流，以实施以上各种操作。伺服电路138还较佳地包括轴电机驱动器电路(未单独示出)，以可控地操作轴电机108。对执行这些以及其他伺服功能的要求的处理较佳地由DSP 141或伺服电路138的其他处理设备来提供，比如ARM。或者，在单一处理器环境中，伺服处理可由顶层控制器130提供。
图3提供图2的伺服电路138的相关部分的概括示意性表示。VCM控制电路142较佳地使用H-桥路驱动器电路144，以提供通过VCM线圈140的双向电流。开关设备S1-S4用数字表示为146、148、150和152，并且较佳地包括合适的场效应管(FET)。开关设备S1-S4排列在Vc电压电源154和基准线(接地)156之间。
这样，通过对开关S1和S4的选择性激励(感应的源-漏极导通)电流沿第一方向通过线圈140，而通过对开关S2和S3的选择性激励电流沿第二相反方向通过线圈140。
测流电阻器158较佳地放在与线圈140串联的位置，如图所示。线圈140(RM)和测流电阻器(RS)各自的稳态阻抗较佳地都在几个欧姆的数量级上。信号线160、162和164提供反馈分接头，以分别向VCM控制电路142提供信号VCM+、IS+和IS-。线路160与164之差将表示线圈140及测流电阻器158上的总压降；而线路162与164之差将表示测流电阻器158的电压降。
在设备的输入/输出(I/O)操作期间，伺服电路138操作，以将传感器112定位至邻近旋转中的介质110。命令VCM控制电路142提供一指定电流(大小和方向)流过线圈140。至少在某些操作模式中，可使用关系IM＝VS/RS来监控这个电流，其中IM是流过线圈140和测流电阻器158的实际电流，VS是从路径162和164获得的电压，而RS是测流电阻器158的已知(或测量的)阻抗。
这时应该注意到，有许多方式可以在设备的这种I/O操作期间生成随机数。例如，本领域一般已经提出旋转介质、加载传感器、然后执行数据读取操作。使用所得读数的各种特性，可以获得名义随机数的群体分布。
这种方法的一个局限是需要启动介质的加速并加载传感器以与之交互。这会消耗大量电力，对于以电池为基础或因其他原因电源受限制的系统尤其不利。还需要花费大量时间把介质110加速到操作速度、加载传感器112、然后执行必要的访问。这令人不悦地拖延了安全系统快速解析访问请求并做出授权或阻止对设备访问的决定的能力。
因此，VCM控制电路140较佳地被配置成便于由设备100生成真正的随机数，而无需启动介质110的加速、或者在介质110上加载传感器112。随机数较佳地通过感应线圈140生成低电平的反电动势(BEMF)电压来获得。BEMF较佳地通过感应出传感器112小量“摆动”，即在相应斜面结构上做振荡运动来生成，一般如图4所示，解释如下。
在该操作期间，VCM控制电路142对BEMF值进行采样。如图5所示，向随机数生成器块166提供这些BEMF值，该块使用选定算法由此生成真正的随机数(RN)值。随机数生成块166较佳地实现为伺服DSP 141(图2)的一部分，并配备执行随机数生成器操作的相关编程，但也可替代地以硬件方式实现为硬件处理器。
随机数生成器块166将RN值送往安全协议168。安全协议168随后使用这些RN值来授权或拒绝访问。因为一旦生成了随机数，实际上已知有多种常规方式可实现一种安全协议，对实际安全协议即没有必要做进一步讨论，故此省略。
将会认识到，BEMF是与电路中正常电流流向相反的电压(EMF)。BEMF尤其可与线圈在磁场中的运动相反地感应产生，比如线圈140及VCM 122的周围磁性电路。这种情况下，BEMF一般会随着线圈速度、以及众多其他参数的提高而增加。研究发现，在速度特别低时，BEMF值会受各种无法预料的参数如信号噪声和电子偏移支配。较佳地，这些参数要善加利用，讨论如下。
图6提供了随机数生成例程200的流程图，说明了实现图5所示系统的较佳步骤。在步骤202，首先执行校准操作。较佳地执行该校准以导出足以允许在适合范围内测量BEMF值的系数值。
较佳地，步骤202包含由图3所示的电路对线圈140在选定方向上施加一个初始的相对小电流。这感应得线圈(以及传感器112)在公共旋转方向上小量移动，如图4所示。在这种移动期间，较佳地在路径160、162和164进行电压的测量。这些测量较佳地使用以下公式：
V＝(RM+RS)IM+BEMF+α    (1)
式中V是在线圈140和测流电阻器158上测量的电压，IM是所注入电流的大小，RM是线圈140的阻抗，RS是测流电阻器158的阻抗，BEMF是由线圈运动感应出的反电动势，而α是系数。可以推出，当系数α设定为以下值时：
α＝-(RM+RS)×IM    (2)
那么
V＝BEMF    (3)
这样，VCM控制电路142可以在任何特定时间通过确定在路径160和164上检测的实际电压并应用由公式(2)所确定的α系数来确定BEMF值。如先前所述，以这种方式获得的BEMF值较佳地会被噪声、偏移和其他随机影响所支配。
一旦完成校准步骤202，图6的流程前进到步骤204，这时向系统注入新的电流值。较佳地通过相对于所确定的BEMF修改先前施加的电流来执行该步骤，如根据以下关系式：
IM2＝-(IM1+(BEMF1)×(β))    (4)
其中IM2是新的电流值，IM1是先前施加的电流值，BEMF1是最新确定的BEMF值，而β是比例因子。注意，公式(4)中的IM2的极性与IM1反方向。这样，IM2的施加会感应线圈140及传感器112在与由IM1先前所感应的相反方向上的移动(见例如，图4)。这是较佳的，但并非必需。
注意，使用BEMF值来放大新的电流值是较佳的，但不是必须的。例如，在一些可选实施例中，在每个方向施加相同大小的电流，或者根据预选的配置改变电流大小。
一旦在步骤204注入新的电流，则在步骤206确定新的BEMF值。这个值较佳地由VCM控制电路142提供给随机数生成器166(图5)，用于在步骤208由此生成随机数(图6)。
尽管为了简化说明而未示出，设想到VCM控制电路142使用一系列模数转换器(ADC)来提供在路径160、162和164上检测到的电压的多比特数字表示。为确定BEMF值而执行的计算也较佳地以数字化方式执行，这样，提供给随机数生成器166的BEMF值是给定大小(例如，8比特、16比特等等)的多比特值。
在一个较佳实施例中，随机数生成器166确定BEMF值是偶数还是奇数。这较佳地通过评估BEMF值的最低有效位(LSB)来确定，尽管同样可以使用其他方法。较佳地，如果BEMF值确定为偶数，则生成“0”比特，而如果BEMF值是奇数，则生成“1”比特。
步骤208的操作较佳地产生用于最终生成的随机数的所要求比特总数之中的一个比特。即，安全协议168(图5)将要求一个选定长度(例如，16比特、32比特、128比特等等)的随机数。此时，图6的流程较佳地回转穿越例程足够的次数，以填满该随机数。
因此，判定步骤210确定是否需要其它的随机数比特；如果需要，则进程返回步骤204-208，注入其它的电流值、确定BEMF值并由此获得RN比特。较佳地，步骤208的每次操作的结果是在缓冲器170(图5)的选定比特位置处加载当时确定的随机数比特。以这种方式，随机数可从个别的比特中顺序地组配而成。
一旦全部填充好了随机数，则在步骤212把最后的数字送往安全协议168，并在步骤214结束进程。
经验分析表明了前述较佳实施例在生成真正的随机数方面的的效力。一种特定的2.5英寸波形因数设备(2.5 inch form factor device)(与图1的设备100非常相像)被配置成执行图6的例程并收集576,000字节的BEMF值。这些数据被转换成72,000字节的随机数。
图7提供了把这些数据按8比特随机数字编组后(它提供从0到255的10进制值)的相关结果的柱状图。从图7可以看出，这些值的总体分布是基本统一的。
为了进一步评估数据的真正随机性，使用白噪声作为参考。将会认识到，白噪声是理论上满足以下两个条件的信号响应：
条件1：自相关序列(在不同时间随机进程的各值之间的相关性量度)除0点处的峰值之外应该等于零(这意味着在任意两个不同时刻的值是不相关的)。
条件2：功率频谱密度应该恒定(这意味着在所有频率上功率相等)。
图8说明的是一个自相关分析结果。默认计算的是总共20个延迟(lag)。如图8所示，在样本0处存在一峰值，而其余的样本基本等于0。因此，自相关序列基本符合上述条件1。
图9示出了计算出的功率频谱密度曲线。整个频谱的幅度基本是恒定的，这就意味着功率频谱密度基本符合上述条件2。
从上面可以看出，根据前面较佳实施例获得的数据基本上可被视为是白噪声，且由此生成的数字可被视为是构成了真正的随机数。
应该想到，可以用更精细的方案来替代上面所讨论的较佳方法，用在由模式生成器158对BEMF值的处理中。这些方案可包括，例如，对接收到的BEMF值应用组合逻辑运算。然而，因为已经发现较佳方法可以提供实际上的白噪声响应，在所揭示的实施例中将这种额外的处理认定为无此必要。然而，在其他应用中，据设想，觉得需要这种额外的处理，以增强所得比特分布的随机性。
尽管较佳实施例已经使用VCM线圈来生成随机数，但将会认识到，这并不是必要的；相反，可以根据这里提出的各个实施例，使用生成随机数的多种不同类型的设备和电路来获得BEMF值。因此，尽管作为例证，BEMF值是通过向处于磁场中的线圈施加电流而生成的，但这种方式并不是对权利要求书本发明的限制。
而且，尽管较佳实施例涉及所产生的随机数在控制对设备的访问的安全协议中的应用，但本发明并不局限于此。相反，可用任何所需方式来使用随机数，包括在认为生成随机数字乃有所裨益的任何和各种处理系统、应用和/或环境中使用。
为所附权利要求书之故，所引述的“第一装置”应理解为与前述讨论相一致，至少对应于所揭示的实现为是硬件或软件处理器的随机数生成器166。
应该理解，纵然前面在说明书中已经结合本发明各个实施例的详细结构和功能陈述本发明各个实施例的诸多特征和优点，但这种详细描述只是说明性的，在细节方面可以做出变化，特别是关于结构以及各部件的排列，可以在所附权利要求借以表达的术语的广泛一般意义所指示的最大程度上，在本发明的原则内进行。例如，具体元件可根据具体应用而变化，而不会脱离本发明的精神和范围。
此外，尽管这里描述的实施例涉及磁盘驱动器存储设备中的随机数字的生成，但本领域的技术人员应认识到，可以在多种其他类型的设备中使用该进程，而不会脱离权利要求书的精神和范围。

Claims (23)

1.一种方法，其包括生成与反电动势BEMF值有关的随机数的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，还包括一个向一电路施加电流的步骤，并且其中所述生成步骤的BEMF值从所述电流的施加中获得。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述施加步骤的电路包括一配置成将传感器定位至邻近可旋转介质的线圈，且其中所述施加步骤的所述电流系当介质处于非旋转状态时施加至所述线圈。
4.如权利要求1所述的方法，还包含测量所述线圈上的电压并相对于所述电压确定BEMF值的步骤。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生成步骤包括生成与BEMF值是偶数还是奇数有关的所述随机数的一个比特。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生成步骤的随机数包含n个比特，且其中通过向电路施加电流脉冲的步骤、测量相关联的BEMF值的步骤、以及评估所述BEMF值以设定每个所述比特的步骤，来单独生成所述随机数的每个比特。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
对一线圈施加第一量值的电流；以及
随后对所述线圈施加相对于所述第一量值的电流和BEMF值所确定的第二量值的电流。
8.如权利要求1所述的方法，还包括向对设备提供访问控制的安全协议提供所述随机数的步骤。
9.一种设备，其包括一配置成生成与反电动势BEMF值有关的随机数的处理器。
10.如权利要求9所述的设备，还包括配置成对一电路施加电流的控制电路，并且其中所述BEMF值系响应于所述电流的施加而获得。
11.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述处理器还被配置成标识线圈上的电压，并相对于所述电压确定BEMF值。
12.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述处理器被配置成生成与所述BEMF值是偶数还是奇数有关的所述随机数的一个比特。
13.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述随机数字包含n个比特，且其中通过对电路线圈施加电流脉冲并测定所产生的BEMF值、以及通过评估所产生的BEMF值以设定每个比特的处理器操作，来单独地生成所述随机数的每个比特。
14.如权利要求9所述的设备，还包括一控制电路，其被配置成向一线圈施加第一量值的电流、测量相关联的BEMF值、以及随后向所述线圈施加与所述第一量值的电流和BEMF值有关的电流的第二大小。
15.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述线圈包括音圈电机VCM的线圈。
16.如权利要求14所述的设备，其特征在于，所述线圈被配置成将传感器定位至邻近可旋转介质，并且其中电流由控制电路在该介质处于非旋转状态时施加到所述线圈。
17.如权利要求14所述的设备，还包括与所述线圈串联的测流电阻器，其中所述控制电路检测所述线圈及测流电阻器上的组合压降。
18.如权利要求14所述的设备，还包括被配置成响应于控制电路向线圈提供所述电流的H-桥路驱动器电路。
19.如权利要求14所述的设备，还包括一耦合到所述线圈的传感器和一配置成接触性地支撑所述传感器的斜面结构，其中由所述控制电路施加至所述线圈的电流诱发所述传感器在所述斜面结构上双向滑动。
20.如权利要求9所述的设备，其特征在于，所述处理器包括具有生成所述随机数的相关联编程的可编程处理器。
21.一种设备，所述设备包括：
线圈；以及
用于生成与由所述线圈生成的反电动势BEMF有关的随机数的第一装置。
22.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述第一装置包括处理器。
23.如权利要求21所述的设备，其特征在于，它是一种数据存储设备。
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