CN111596892B - 一种软随机数发生方法及发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种软随机数发生方法及发生器，所述方法包括：获取被索引编号的若干个随机源，其中各随机源的末端加入有与其对应的拼接函数；循环利用所有随机源和与各随机源对应的拼接函数拼接出初始随机数，其中，所述拼接函数仅基于与其对应的随机源的索引编号，对初始随机数中对应的占位值进行运算操作；将所述初始随机数输入至随机函数，经所述随机函数处理后得到第二随机数，完成软随机数发生。本发明能够实现同软件产生真随机数，彻底解决了现有单纯使用软件只能生成伪随机数的问题。

Description

一种软随机数发生方法及发生器
技术领域
本发明具体涉及一种软随机数发生方法及发生器。
背景技术
真正意义上的随机数，也就是真随机数，是使用物理现象产生的。比如掷钱币、骰子、转轮、使用电子元件的噪音、核裂变等等，这样的随机数发生器叫做物理性随机数发生器，它们的缺点是技术要求比较高。
在电子设备中真随机数使用较多的是电子元件中的噪音等较为高级、复杂的物理过程来生成，其结果是不可预测的，更是不可预见的。
而软件中的随机函数是按照一定算法模拟产生的，其结果是确定的，是可见的。可以认为这个可预见的结果其出现的概率是100％。所以用软件随机函数所产生的“随机数”并不随机，而是伪随机数。伪随机数其实是有规律的。只不过这个规律周期比较长，但还是可以预测的。主要原因就是伪随机数是软件使用算法模拟出来的，这个过程并不涉及到物理过程，所以自然不可能具有真随机数的特性。
现有技术中真随机数的产生方法都是依赖于硬件电路来实现的，这样无疑增加设备的设计复杂度和设备的成本。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种软随机数发生方法及发生器，能够实现同软件产生真随机数，彻底解决了现有单纯使用软件只能生成伪随机数的问题。
为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种软随机数发生方法，包括：
获取被索引编号的若干个随机源，其中各随机源的末端加入有与其对应的拼接函数；
循环利用所有随机源和与各随机源对应的拼接函数拼接出初始随机数，其中，所述拼接函数仅基于与其对应的随机源的索引编号，对初始随机数中对应的占位值进行运算操作；
将所述初始随机数输入至随机函数，经所述随机函数处理后得到第二随机数，完成软随机数发生。
可选地，一个随机源对应一个索引编号；或者多个随机源对应一个索引编号。
可选地，当一个随机源对应一个索引编号时，各随机源均设有约定位宽，各随机源的约定位宽相同或者不同，
初始随机数中与各随机源对应的占位值域为[0，2n-1]，n表示随机源的位宽；
当多个随机源对应一个索引编号时，各随机源均设有约定位宽，对应于同一个索引编号的随机源的约定位宽相同，且对应于初始随机数中的同一个占位值；对应于不同索引编号的随机源的约定位宽相同或者不同；
初始随机数中与各随机源对应的占位值域为[0，2n-1]，n表示随机源的位宽。
可选地，所述拼接函数仅基于与其对应的随机源的索引编号，对初始随机数中对应的占位值进行运算操作，具体包括：
当索引编号为IDX的随机源被调用时，拼接函数使用算法映射到初始随机数中第IDX个占位值上进行运算操作，得到始随机数中索引编号为IDX的随机源对应的位宽的值。
可选地，所述经所述随机函数处理后得到第二随机数步骤之后还包括：
重复执行将所述第二随机数赋值给初始随机数，然后再将所述初始随机数输入至所述随机函数，经所述随机函数处理后得到第二随机数。
可选地，所述随机函数为时钟函数或线性求余函数。
可选地，所述运算操作包括算术运算、关系运算或逻辑运算。
第二方面，本发明提供了一种软随机数发生器，包括：
获取单元，用于获取被索引编号的若干个随机源，其中，各随机源的末端加入有与其对应的拼接函数；
初始随机数产生单元，用于循环利用所有随机源和与各随机源对应的拼接函数拼接出初始随机数，其中，所述拼接函数仅基于与其对应的随机源的索引编号，对初始随机数中对应的占位值进行运算操作；
生成单元，将所述初始随机数输入至随机函数，经所述随机函数处理后得到第二随机数，完成软随机数的发生。
可选地，一个随机源对应一个索引编号；或者多个随机源对应一个索引编号。
可选地，当一个随机源对应一个索引编号时，各随机源均设有约定位宽，各随机源的约定位宽相同或者不同；
初始随机数中与各随机源对应的占位值域为[0，2n-1]，n表示随机源的位宽；
当多个随机源对应一个索引编号时，各随机源均设有约定位宽；对应于同一个索引编号的随机源的约定位宽相同，且对应于初始随机数中的同一个占位值；对应于不同索引编号的随机源的约定位宽相同或者不同；
初始随机数中与各随机源对应的占位值域为[0，2n-1]，n表示随机源的位宽。
可选地，所述拼接函数仅基于与其对应的随机源的索引编号，对初始随机数中对应的占位值进行运算操作，具体包括：
当索引编号为IDX的随机源被调用到时，拼接函数使用算法映射到初始随机数中第IDX个占位值上进行运算操作，得到初始随机数中索引编号为IDX的随机源对应的位宽的值。
可选地，所述软随机数发生器还包括：
循环单元，用于重复执行将所述第二随机数赋值给初始随机数，然后再将所述初始随机数输入至所述随机函数，经所述随机函数处理后得到第二随机数。
可选地，所述随机函数为时钟函数或线性求余函数。
可选地，所述运算操作包括算术运算、关系运算或逻辑运算。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明仅在系统中简单的添加拼接函数就能快速集成，而且占用内存少，执行方法快速，实现简单，另外可并发执行，可移植性强，节省产品的硬件成本，同时降低了硬件设计的复杂度，本发明能够适配嵌入式与非嵌入式的软件系统。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明一种实施例的软随机数发生方法的原理示意图；
图2为本发明一种实施例的拼接函数的工作过程示意图；
图3为本发明一种实施例的初始随机数产生过程示意图；
图4为本发明一种实施例中最终随机数产生过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例1
在嵌入式系统中存在多个中断处理函数、任务处理函数、调用内存申请函数、调用内存释放函数、多频调用函数等。
所述中断处理函数包含：按键中断、定时器中断、数据收发中断等；
所述任务处理函数包含：空闲系统任务、系统切换任务、系统编解码任务等；
所述多频调用函数包含：在不同的系统中，是有些区别的，比如说内存拷贝、内存初始化、系统延时、消息队列处理等；而在我们的系统中，比如有队列处理函数、IPC处理函数、音频流控函数、音频编解码函数等；
这些函数统称之为随机源，在一个嵌入式系统中，随着运行场景不断切换，这些随机源的调用是不可预知的。尤其是在多任务的系统中，系统任务的切换随时间片更加频繁，那随机源的调用次数，包含空闲任务函数调用次数、以及内存申请、释放次数，更多的是一些多频函数的调用次数；单位时间内调用产生次数的数值是不可预见的。
为此，本发明实施例中提供了一种软随机数发生方法，如图1至图4所示，包括以下步骤：
获取被索引编号的若干个随机源，其中，各随机源的末端加入有与其对应的拼接函数；
循环利用所有随机源和与各随机源对应的拼接函数拼接出初始随机数V1，其中，所述拼接函数仅基于与其对应的随机源的索引编号，对初始随机数V1中对应的占位值进行运算操作；
将所述初始随机数V1输入至随机函数，经所述随机函数处理后得到第二随机数V2，完成软随机数发生。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述随机源包括：
Figure GDA0004165965920000041
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述随机函数为时钟函数或线性求余函数；所述运算操作包括算术运算、关系运算或逻辑运算。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，一个随机源对应一个索引编号，各随机源均设有约定位宽，各随机源的约定位宽相同或者不同；
初始随机数V1中与各随机源对应的占位值域为[0，2n-1]，n表示随机源的位宽。
在本发明实施例的另一种具体实施方式中，多个随机源对应一个索引编号，各随机源均设有约定位宽；对应于同一个索引编号的随机源的约定位宽相同，且对应于初始随机数V1中的同一个占位值；对应于不同索引编号的随机源的约定位宽相同或者不同；
初始随机数V1中与各随机源对应的占位值域为[0，2n-1]，n表示随机源的位宽。
所述拼接函数仅基于与其对应的随机源的索引编号，对初始随机数V1中对应的占位值进行运算操作，具体包括：
当索引编号为IDX的随机源被调用到时，拼接函数使用算法映射到初始随机数V1中第IDX个占位值上进行运算操作，得到初始随机数中索引编号为IDX的随机源对应的位宽的值。
下面结合一具体实施方式对拼接函数的工作过程进行详细说明。
一个32位宽的变量V，比如在某一个时刻V＝0x6F806B3D，若随机调用索引编号为1的随机源，则该随机源末尾处的拼接函数会对V11占位值按照下述过程进行累加：
每个随机源都约定占4bits位宽，则当前V11的占位值为3，进行此次累加完成后，此值则变成V＝0x6F806B4D；但当此值累加到0xF＝15时则进行翻转为V＝0x6F806B0D；比如下一刻，索引编号为6的随机源被调用，则该随机源末端的拼接函数会对V16＝F占位值进行累加，累加完成后0x60806B0D，其它的处理方式以此类推，具体参见图2和图3。
当选择了11个随机源，用于生成一个32位的随机数时，约定每个随机源占4位，高位由4个随机源占用。
所述拼接函数的工作过程为：
1)判断当前随机源索引是否为高4位随机源索引，如是则得到指定索引值，否则为原随机源索引值，索引值记为IDX；
2)然后根据索引IDX以及占位数，取出随机数V1的中的数值，并进行加1操作，再根据值域掩码(2位宽-1)去除溢出位，得到索引值IDX新的数值VAL。
3)再把随机数V1中索引IDX的占位数值都清0，然后把VAL进行算术移位到IDX上去。
到此处为止，本次拼接完成。
以公司蓝牙SOC芯片为例，在开机后拼接函数的调用次数每秒在6.5K次左右，如果是连接手机有音乐播放后，每秒在12K左右次调用。都是以低于毫秒级别调用拼接函数来拼接生成初始随机数V1V1。
在重复执行将所述初始随机数V1输入至所述随机函数，经所述随机函数处理后得到第二随机数V2，然后将所述第二随机数V2赋值给初始随机数V1，直至得到最终的真随机数过程中，循环调用是根据系统的需要来进行的，可以是毫秒级别的调用，或者更高单位级别的调用，所以说调用次数是无法预知的；
在具体实施过程中，为了降低系统的复杂度，可以选择蓝牙系统的时钟函数作为随机函数，运算操作选择‘异或’运算，如随机数V2＝V1^CLK，循环调用以秒级为单位进行的。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，为了实现生成的随机数满足一定分布规律，如正态分布或者平均分布等，在所述经所述随机函数处理后得到第二随机数V2步骤之后还包括：
重复执行将所述第二随机数V2赋值给初始随机数V1，然后再将所述初始随机数V1输入至所述随机函数，经所述随机函数处理后得到第二随机数V2；循环次数可以根据实际需要进行设置。
实施例2
基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了一种软随机数发生器，包括：
获取单元，用于获取被索引编号的若干个随机源，各随机源的末端加入有与其对应的拼接函数；
初始随机数产生单元，用于循环利用所有随机源和与各随机源对应的拼接函数拼接出初始随机数V1，其中，所述拼接函数仅基于与其对应的随机源的索引编号，对初始随机数V1中对应的占位值进行运算操作；
生成单元，用于重复执行将所述初始随机数V1输入至随机函数，经所述随机函数处理后得到第二随机数V2，完成软随机数的生成。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，一个随机源对应一个索引编号；各随机源均设有约定位宽，各随机源的约定位宽相同或者不同；
初始随机数V1中与各随机源对应的占位值域为[0，2n-1]，n表示随机源的位宽。
在本发明实施例的另一种具体实施方式中，多个随机源对应一个索引编号，各随机源均设有约定位宽；对应于同一个索引编号的随机源的约定位宽相同，且对应于初始随机数V1中的同一个占位值；对应于不同索引编号的随机源的约定位宽相同或者不同；
初始随机数V1中与各随机源对应的占位值域为[0，2n-1]，n表示随机源的位宽。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述拼接函数仅基于与其对应的随机源的索引编号，对初始随机数V1中对应的占位值进行运算操作，具体包括：
当索引编号为IDX的随机源被调用到时，拼接函数使用算法映射到初始随机数V1中第IDX个占位值上进行运算操作，得到初始随机数V1中索引编号为IDX的随机源对应的位宽的值。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述随机函数为时钟函数或线性求余函数。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述运算操作包括算术运算、关系运算或逻辑运算。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述软随机数发生器还包括：
循环单元，用于重复执行将所述第二随机数V2赋值给初始随机数V1，然后再将所述初始随机数V1输入至所述随机函数，经所述随机函数处理后得到第二随机数V2，实现生成的随机数满足一定分布规律，如正态分布或者平均分布等。
其余部分均与实施例1相同。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (12)

1.一种软随机数发生方法，其特征在于，包括：
获取被索引编号的若干个随机源，其中各随机源的末端加入有与其对应的拼接函数；循环利用所有随机源和与各随机源对应的拼接函数拼接出初始随机数，其中，所述拼接函数仅基于与其对应的随机源的索引编号，对初始随机数中对应的占位值进行运算操作；
将所述初始随机数输入至随机函数，经所述随机函数处理后得到第二随机数，完成软随机数发生；
所述拼接函数仅基于与其对应的随机源的索引编号，对初始随机数中对应的占位值进行运算操作，具体包括：
当索引编号为IDX的随机源被调用时，拼接函数使用算法映射到初始随机数中第IDX个占位值上进行运算操作，得到初始随机数中索引编号为IDX的随机源对应的位宽的值。
2.根据权利要求1所述的一种软随机数发生方法，其特征在于：一个随机源对应一个索引编号；或者多个随机源对应一个索引编号。
3.根据权利要求2所述的一种软随机数发生方法，其特征在于：当一个随机源对应一个索引编号时，各随机源均设有约定位宽，各随机源的约定位宽相同或者不同，初始随机数中与各随机源对应的占位值域为[0，2n-1]，n表示随机源的位宽；
当多个随机源对应一个索引编号时，各随机源均设有约定位宽，对应于同一个索引编号的随机源的约定位宽相同，且对应于初始随机数中的同一个占位值；对应于不同索引编号的随机源的约定位宽相同或者不同；
初始随机数中与各随机源对应的占位值域为[0，2n-1]，n表示随机源的位宽。
4.根据权利要求1所述的一种软随机数发生方法，其特征在于：所述经所述随机函数处理后得到第二随机数步骤之后还包括：
重复执行将所述第二随机数赋值给初始随机数，然后再将所述初始随机数输入至所述随机函数，经所述随机函数处理后得到第二随机数。
5.根据权利要求1所述的一种软随机数发生方法，其特征在于：所述随机函数为时钟函数或线性求余函数。
6.根据权利要求1所述的一种软随机数发生方法，其特征在于：所述运算操作包括算术运算、关系运算或逻辑运算。
7.一种软随机数发生器，其特征在于，包括：
获取单元，用于获取被索引编号的若干个随机源，其中，各随机源的末端加入有与其对应的拼接函数；
初始随机数产生单元，用于循环利用所有随机源和与各随机源对应的拼接函数拼接出初始随机数，其中，所述拼接函数仅基于与其对应的随机源的索引编号，对初始随机数中对应的占位值进行运算操作；
生成单元，将所述初始随机数输入至随机函数，经所述随机函数处理后得到第二随机数，完成软随机数的发生；
所述拼接函数仅基于与其对应的随机源的索引编号，对初始随机数中对应的占位值进行运算操作，具体包括：
当索引编号为IDX的随机源被调用时，拼接函数使用算法映射到初始随机数中第IDX个占位值上进行运算操作，得到初始随机数中索引编号为IDX的随机源对应的位宽的值。
8.根据权利要求7所述的一种软随机数发生器，其特征在于，一个随机源对应一个索引编号；或者多个随机源对应一个索引编号。
9.根据权利要求8所述的一种软随机数发生器，其特征在于，当一个随机源对应一个索引编号时，各随机源均设有约定位宽，各随机源的约定位宽相同或者不同；
初始随机数中与各随机源对应的占位值域为[0，2n-1]，n表示随机源的位宽；
当多个随机源对应一个索引编号时，各随机源均设有约定位宽；对应于同一个索引编号的随机源的约定位宽相同，且对应于初始随机数中的同一个占位值；对应于不同索引编号的随机源的约定位宽相同或者不同；
初始随机数中与各随机源对应的占位值域为[0，2n-1]，n表示随机源的位宽。
10.根据权利要求7所述的一种软随机数发生器，其特征在于，所述软随机数发生器还包括：
循环单元，用于重复执行将所述第二随机数赋值给初始随机数，然后再将所述初始随机数输入至所述随机函数，经所述随机函数处理后得到第二随机数。
11.根据权利要求7所述的一种软随机数发生器，其特征在于，所述随机函数为时钟函数或线性求余函数。
12.根据权利要求7所述的一种软随机数发生器，其特征在于，所述运算操作包括算术运算、关系运算或逻辑运算。
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