CN106325813A - 一种随机数生成器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种随机数生成器。包括，第一信号线，于一第一控制信号的作用下可选择地与一供电电压连通或于浮空状态以感应随机的环境噪声；第二信号线，于第一控制信号的作用下可选择地与供电电压连通或于浮空状态以感应随机的环境噪声；差分电压放大单元，提供第一输入端、第二输入端和输出端，第一输入端和第一信号线连接，第二输入端与第二信号线连接，于一使能控制信号的作用下对第一输入端和第二输入端为浮空状态时感应的信号进行差分放大以产生随机数并自输出端输出。本发明通过感应环境中的随机噪声并将其差分放大，从而使得生成的随机数是真实的随机数，电路简单且占用面积小。

Description

一种随机数生成器及方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种随机数生成器。
背景技术
随机数分为真随机数和伪随机数，生成随机数的随机数生成器也相应的称之为真随机数生成器和伪随机数生成器，伪随机数生成器大部分是利用计算机软件由程序生成，使得其模拟的情景与真实情况处在差别，进而给计算结果带来了误差。真随机数产生器一般通过硬件构建，现有的真随机数产生器常常采用带隙基准电路和运算放大器等，其存在电路设计复杂，电路面积过大及电路功耗过高的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种随机数生成器，其能够感应环境中的随机噪声并将其放大,从而使得生成的随机数是真实的随机数。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种随机数生成器，其中，包括，
第一信号线，于一第一控制信号的作用下可选择地与一供电电压连通或位于浮空状态，所述第一信号线位于浮空状态时用以感应随机的环境噪声；
第二信号线，于所述第一控制信号的作用下可选择地与所述供电电压连通或位于浮空状态，所述第二信号线位于浮空状态时用以感应随机的环境噪声；
差分电压放大单元，提供第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端和所述第一信号线连接，所述第二输入端与所述第二信号线连接，于一使能控制信号的作用下对所述第一输入端和所述第二输入端为浮空状态时感应的信号进行差分放大以产生随机数并自所述输出端输出。
本发明的随机数生成器，所述差分电压放大单元采用SRAM存储器中的感应放大器。
本发明的随机数生成器，所述差分电压放大单元包括，
第一PMOS管，于所述第二输入端的电压作用下可控制地导通一第一节点和所述第一输入端；
第二PMOS管，于所述第一输入端的电压作用下可控制地导通所述第一节点和所述第二输入端；
第一NMOS管，于所述第二输入端的电压作用下可控制地导通所述第一输入端和第二节点；
第二NMOS管，于所述第一输入端电压作用下可选择地导通所述第二输入端和所述第二节点；
第一开关器件，于所述使能控制信号的控制下连接所述第一节点与一电源电压；
所述第二节点与地电压连接，所述输出端自所述第一输入端引出。
本发明的随机数生成器，所述差分电压放大单元包括，
第一PMOS管，于所述第二输入端的电压作用下可控制地导通一第一节点和所述第一输入端；
第二PMOS管，于所述第一输入端的电压作用下可控制地导通所述第一节点和所述第二输入端；
第一NMOS管，于所述第二输入端的电压作用下可控制地导通所述第一输入端和第二节点；
第二NMOS管，于所述第一输入端电压作用下可选择地导通所述第二输入端和所述第二节点；
第一开关器件，于所述使能控制信号的控制下连接所述第二节点与地电压；
所述第一节点与电源电压连接，所述输出端自所述第一输入端引出。
本发明的随机数生成器，所述输出端通过一缓冲器与所述第一输入端连接。
本发明的随机数生成器，还包括，
一第三开关器件，于所述第一控制信号的作用下可控制地导通所述供电电压和所述第一信号线；
一第四开关器件，于所述第一控制信号的作用下可控制地导通所述供电电压和所述第二信号线。
本发明的随机数生成器，所述供电电压为地电压或电源电压。
本发明还提供一种随机数生成方法，用于上述的随机数生成器，包括以下步骤：
步骤1，第一控制信号的作用下所述第一信号线和所述第二信号线被充电至高电平或放电至低电平；
步骤2，断开所述第一信号线与所述供电电压的连接，及所述第二信号线与所述供电电压的连接，使所述第一信号线和所述第二信号线处于浮空状态，所述第一信号线和所述第二信号线于浮空状态下感应随机的环境噪声使得电压发生变化；
步骤3，开启所述差分电压放大单元，所述差分电压放大单元对所述第一输入端和所述第二输入端为浮空状态时感应的信号进行差分放大以产生随机数并自所述输出端输出。
本发明的随机数生成方法，所述步骤3中差分电压放大单元于所述使能控制信号的作用下开启。
本发明的随机数生成方法，步骤2中所述第一信号线和所述第二信号线处于浮空状态并保持设定时间。
有益效果：由于采用以上技术方案，本发明感应环境中的随机噪声并将其差分放大，从而使得生成的随机数是真实的随机数。
附图说明
图1为本发明的一种电路示意图；
图2为本发明的工作波形图；
图3为本发明的另一种电路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
参照图1，本发明提供一种随机数生成器，其中，包括，
第一信号线BL，于一第一控制信号PRCHB的作用下可选择地与一供电电压连通或位于浮空状态，第一信号线位于浮空状态时用以感应随机的环境噪声；
第二信号线BLB，于第一控制信号PRCHB的作用下可选择地与供电电压连通或位于浮空状态，第二信号线位于浮空状态时用以感应随机的环境噪声；
差分电压放大单元，提供第一输入端、第二输入端和输出端，第一输入端和第一信号线BL连接，第二输入端与第二信号线BLB连接，于一使能控制信号SAE/SAEB的作用下对第一输入端和第二输入端的为浮空状态时感应的信号进行差分放大以产生随机数并自该输出端输出。
本发明的随机数生成器，差分电压放大单元可以如图1所示，包括，
第一PMOS管MP0，于第二输入端的电压作用下可控制地导通一第一节点CM1和第一输入端；
第二PMOS管MP1，于第一输入端的电压作用下可控制地导通第一节点CM1和第二输入端；
第一NMOS管MN2，于第二输入端的电压作用下可控制地导通第一输入端和第二节点CM2；
第二NMOS管MN1，于第一输入端电压作用下可选择地导通第二输入端和第二节点CM2；
第一开关器件MN0，于使能控制信号SAE的控制下连接第二节点CM2与低电压VSS；第一节点CM1与电源电压VDD连接，输出端自第一输入端引出。
本发明的随机数生成器，还包括，
一第三开关器件，于第一控制信号PRCHB的作用下可控制地导通供电电压和第一信号线BL；
一第四开关器件，于第一控制信号PRCHB的作用下可控制地导通供电电压和第二信号线BLB。
图1中第三开关器件采用PMOS管MP2，于第一控制信号PRCHB的作用下可控制地导通电源电压VDD和第一信号线BL；第四开关器件采用PMOS管MP3，于第一控制信号PRCHB的作用下可控制地导通电源电压VDD和第二信号线BLB；此时供电电压为电源电压；
上述的电路工作过程描述如下：
第一阶段：使能控制信号SAE置为低电平VSS，第一控制信号PRCHB也置为低电平VSS，此时差分电压放大单元处于非工作状态，第一信号线BL和第二信号线BLB预充电至高电平VDD；
第二阶段：第一控制信号PRCHB也置为高电平VDD，关闭预充电通路，使得第一信号线BL和第二信号线BLB处于浮空(floating)状态；
第三阶段：让第一信号线BL和第二信号线BLB维持一段时间的浮空状态，在这个过程中，第一信号线BL和第二信号线BLB接收环境噪声的随机影响，具有一电压差；
第四阶段：使能控制信号SAE由低变高开启差分电压放大单元对第一信号线BL和第二信号线BLB的电压差进行放大，之后差分电压放大单元的输出Q即为随机输出。
作为一种优选的实施例，若第一信号线BL的电压高于第二信号线BLB的电压，则输出端Q输出的随机数为逻辑1；反之，若第一信号线BL的电压低于第二信号线BLB的电压，则输出端Q输出的随机数为逻辑0。
当然，作为另一种实施例，若第一信号线BL的电压高于第二信号线BLB的电压，则输出端Q输出的随机数可以为逻辑0；反之，若第一信号线BL的电压低于第二信号线BLB的电压，则输出端Q输出的随机数可以为逻辑1。
上述的第一信号线BL和第二信号线BLB的电压差的正负完全由环境噪声对第一信号线BL和第二信号线BLB的随机影响决定，在自然界中环境噪声具有真实的随机性，因而确保了随机输出的随机性，同时，本发明的差分电压放大单元结构简单，相比运算放大器会占用更小的面积，图2为本发明的波形示意图。其中第一信号线BL(以实线表示)和第二信号线BLB(以虚线表示)在浮空状态时的电压具有很大的随机性，确保两者的差分信号的随机性。
本发明的一种随机数生成器，差分电压放大单元还可以如图3所示，包括，
第一PMOS管MP0，于第二输入端的电压作用下可控制地导通一第一节点CM1和第一输入端；
第二PMOS管MP1，于第一输入端的电压作用下可控制地导通第一节点CM1和第二输入端；
第一NMOS管MN2，于第二输入端的电压作用下可控制地导通第一输入端和第二节点CM2；
第二NMOS管MN1，于第一输入端电压作用下可选择地导通第二输入端和第二节点CM2；
第二开关器件Mp3，于使能控制信号SAEB的控制下连接第一节点CM1与一电源电压VDD；第二节点CM2与低电压VSS连接，输出端自第一输入端引出。
图3中第三开关器件采用NMOS管MN3，于第一控制信号PRCHB的作用下可控制地导通低电压VSS和第一信号线BL；第四开关器件采用PMOS管MP3，于第一控制信号PRCHB的作用下可控制地导通电源电压VDD和第二信号线BLB；此时供电电压为低电压VSS。
图3所示电路的工作过程如下：
第一阶段：使能控制信号SAE置为低电平VSS，第一控制信号PRCHB也置为低电平VSS，此时差分电压放大单元处于非工作状态，第一信号线BL和第二信号线BLB预放电至低电平VSS；
第二阶段：第一控制信号PRCHB也置为高电平VDD，关闭预放电通路，使得第一信号线BL和第二信号线BLB处于浮空(floating)状态；
第三阶段：让第一信号线BL和第二信号线BLB维持一段时间的浮空状态，在这个过程中，第一信号线BL和第二信号线BLB接收环境噪声的随机影响，具有一电压差；
第四阶段：使能控制信号SAE由低变高开启差分电压放大单元对第一信号线BL和第二信号线BLB的电压差进行放大，之后差分电压放大单元的输出Q即为随机输出。
本发明的一种随机数生成器，上述的输出端为信号输入端通过一缓冲器Buffer引出，用于对输出信号进行整形并加强输出信号，以输出方波信号。
上述的差分电压放大单元可以采用SRAM存储器中的感应放大器，SRAM存储器的感应放大器通常由三个NMOS管和两个PMOS管构成，除差分电压放大单元外，还有SRAM存储阵列，SRAM存储阵列位线预充电电路及差分电压感应放大器的输出端的缓冲器Buffer，其中SRAM存储阵列的第一位线BL和存储阵列的第二位线BLB作为差分电压感应放大器的差分输入，放大后的差分信号经过缓冲器Buffer自输出端输出Q，本发明可以基于SRAM存储器的感应放大器，通过预先对第一位线BL和第二位线BLB充电，然后关闭充电通路，并使得第一位线BL和第二位线BLB保持一定时间的浮空状态，接收外部噪声的影响以具有随机的电压差，实现输出随机数的目的。
本发明还提供一种随机数生成方法，用于上述的随机数生成器，包括以下步骤：
步骤1，第一控制信号PRCHB的作用下第一信号线BL和第二信号线BLB被充电至高电平或放电至低电平；
步骤2，断开第一信号线BL与供电电压的连接，及第二信号线BLB与供电电压的连接，使第一信号线BL和第二信号线BLB处于浮空状态，第一信号线BL和第二信号线BLB于环境噪声的作用下电压发生变化；
步骤3，开启差分电压放大单元，差分电压放大单元对第一输入端和第二输入端为浮空状态时感应的信号进行差分放大以产生随机数并自输出端输出。
本发明的随机数生成方法，步骤3中差分电压放大单元于使能控制信号的作用下开启。
本发明的随机数生成方法，作为一种优选的实施例，若第一信号线BL的电压高于第二信号线BLB的电压，则输出端Q输出的随机数为逻辑1；反之，若第一信号线BL的电压低于第二信号线BLB的电压，则输出端Q输出的随机数为逻辑0。
作为另一种实施例，若第一信号线BL的电压高于第二信号线BLB的电压，则输出端Q输出的随机数可以为逻辑0；反之，若第一信号线BL的电压低于第二信号线BLB的电压，则输出端Q输出的随机数可以为逻辑1。
步骤2中第一信号线BL和第二信号线BLB应当处于浮空状态并保持设定时间，以使得感应的电压最大程度地受环境随机噪声的影响，使得生成的随机数是真实的随机数。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种随机数生成器，其特征在于，包括，
第一信号线，于一第一控制信号的作用下可选择地与一供电电压连通或位于浮空状态，所述第一信号线位于浮空状态时用以感应随机的环境噪声；
第二信号线，于所述第一控制信号的作用下可选择地与所述供电电压连通或位于浮空状态，所述第二信号线位于浮空状态时用以感应随机的环境噪声；
差分电压放大单元，提供第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端和所述第一信号线连接，所述第二输入端与所述第二信号线连接，于一使能控制信号的作用下对所述第一输入端和所述第二输入端为浮空状态时感应的信号进行差分放大以产生随机数并自所述输出端输出。
2.根据权利要求1所述的随机数生成器，其特征在于，所述差分电压放大单元采用SRAM存储器中的感应放大器。
3.根据权利要求1所述的随机数生成器，其特征在于，所述差分电压放大单元包括，
第一PMOS管，于所述第二输入端的电压作用下可控制地导通一第一节点和所述第一输入端；
第二PMOS管，于所述第一输入端的电压作用下可控制地导通所述第一节点和所述第二输入端；
第一NMOS管，于所述第二输入端的电压作用下可控制地导通所述第一输入端和第二节点；
第二NMOS管，于所述第一输入端电压作用下可选择地导通所述第二输入端和所述第二节点；
第一开关器件，于所述使能控制信号的控制下连接所述第一节点与一电源电压；
所述第二节点与地电压连接，所述输出端自所述第一输入端引出。
4.根据权利要求1所述的随机数生成器，其特征在于，所述差分电压放大单元包括，
第一PMOS管，于所述第二输入端的电压作用下可控制地导通一第一节点和所述第一输入端；
第二PMOS管，于所述第一输入端的电压作用下可控制地导通所述第一节点和所述第二输入端；
第一NMOS管，于所述第二输入端的电压作用下可控制地导通所述第一输入端和第二节点；
第二NMOS管，于所述第一输入端电压作用下可选择地导通所述第二输入端和所述第二节点；
第一开关器件，于所述使能控制信号的控制下连接所述第二节点与地电压；
所述第一节点与电源电压连接，所述输出端自所述第一输入端引出。
5.根据权利要求1所述的随机数生成器，其特征在于，所述输出端通过一缓冲器与所述第一输入端连接。
6.根据权利要求1所述的随机数生成器，其特征在于，还包括，
一第三开关器件，于所述第一控制信号的作用下可控制地导通所述供电电压和所述第一信号线；
一第四开关器件，于所述第一控制信号的作用下可控制地导通所述供电电压和所述第二信号线。
7.根据权利要求1所述的随机数生成器，其特征在于，所述供电电压为地电压或电源电压。
8.一种随机数生成方法，其特征在于，用于权利要求1所述的随机数生成器，包括以下步骤：
步骤1，第一控制信号的作用下所述第一信号线和所述第二信号线被充电至高电平或放电至低电平；
步骤2，断开所述第一信号线与所述供电电压的连接，及所述第二信号线与所述供电电压的连接，使所述第一信号线和所述第二信号线处于浮空状态，所述第一信号线和所述第二信号线于浮空状态下感应随机的环境噪声使得电压发生变化；
步骤3，开启所述差分电压放大单元，所述差分电压放大单元对所述第一输入端和所述第二输入端为浮空状态时感应的信号进行差分放大以产生随机数并自所述输出端输出。
9.根据权利要求8所述的随机数生成方法，其特征在于，所述步骤3中差分电压放大单元于所述使能控制信号的作用下开启。
10.根据权利要求8所述的随机数生成方法，其特征在于，步骤2中所述第一信号线和所述第二信号线处于浮空状态并保持设定时间。
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