CN209447149U - 真随机数发生器、包括其的控制系统、电子装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于集成电路设计的技术领域，为了解决现有技术中基于硬件生成的随机数发生器存在精度不够和电路复杂的技术问题，本实用新型提供一种真随机数发生器、控制系统、电子装置；所述真随机数发生器包括多个并列连接的随机数产生电路，多个分别与所述随机数源产生模块中每个随机数产生电路连接的线性反馈移位寄存器；其中，基于所述多个线性反馈移位寄存器的配置，从所述多个线性反馈移位寄存器的输出端中选择任意一路作为随机数的结果输出，或者将所述多个线性反馈移位寄存器的输出端按照预定运算处理后，作为随机数的结果输出。因此，在保证随机数发生精度的基础上，同时具有低功耗、低成本的优点。

Description

真随机数发生器、包括其的控制系统、电子装置

技术领域

本实用新型涉及集成电路设计的技术领域，尤其涉及随机数发生器的技术 领域，更具体地，涉及一种真随机数发生器、控制系统、电子装置。

背景技术

随着计算机技术的普及和广泛应用，对随机数的依赖越来越多，例如，在 计算机仿真、验证码的生成、密钥的生成、数字签名和身份认证等方面；很多 地方要求有使用方便、安全快捷的随机数产生方法。例如，在密钥生成的应用 中，要产生一个理想的密钥，仅仅靠人类主观的来输入一个密码是无法达到要 求的；因为那样会有太强的主观性，所以一般都会采用随机数来生成所需要的 密钥，这也使得基于各种理论的随机数的发生器得到了广泛的应用。

发明人在实现本实用新型的过程中发现：软件型的随机数产生电路方便快 捷，但是安全性不高，而且必须借助电脑运行，在一些重要场合往往不方便使 用，而且有安全漏桐。目前大多数硬件随机数发生器方案通常可归为三大类：a、 直接放大，b、离散时间混浊，c、振荡器采样。其中：

1、直接放大技术，是使用高增益高带宽放大器来处理由热噪声或散射噪声 引起的电压变化，运种方案的缺点是采用运种方法时设计人员必须要考虑其它 一些因素，如系统热噪声通常与基底噪声及电源电压波动等局部特征耦合在一 起，如果电路没有正确屏蔽，运些因素便会使热噪声源的随机性受到影响。

2、离散时间混浊法，是使用模拟信号处理技术产生随机位流，一般来说， 单独使用这种技术本身尚不足产生随机序列，因为电路的不准确性限制了A/D 转换分辨率，也降低了系统产生随机序列的能力；所以为获得非确定随机性， 运种技术常常要与其它技术配合使用。

3、振荡器采样，也是随机数发生器(简称RNG)设计中最流行的方法。发明 人发现目前市面上常用的基于振荡器采样设计的随机数发生器，通常是利用两 个独立工作的高、低频振荡器之间的相对关系来得到非确定噪声源，用高抖动 低频振荡器采样高频振荡器，从而产生随机数序列，然后增加复杂的电路来改 善随机数发生精度，例如需要使用大量的反相器和异或门，这样导致其成本高、 电路功耗也较高、且不易集成；所以这种纯粹依赖硬件生成的随机数发生器， 依然存在随机数发生精度不够，并且还需要提供很复杂、成本高的硬件电路。

实用新型内容

为了解决现有技术中基于硬件生成的随机数发生器存在精度不够和电路复 杂的技术问题，本实用新型提供一种真随机数发生器、控制系统、电子装置， 采用简洁电路设计，达到低价、快速产生随机数的目的；在保证随机数发生精 度的基础上，同时具有低功耗、低成本的优点。

为了实现上述目的，本实用新型提供的技术方案包括：

本实用新型一方面提供一种真随机数发生器，其特征在于，包括：

随机数源产生模块，包括多个并列连接的随机数产生电路，并且每个随机 数产生电路包括产生随机数源的振荡电路；

数字后处理模块，包括多个分别与所述随机数源产生模块中所述每个随机 数产生电路连接的线性反馈移位寄存器；

其中，所述数字后处理模块基于所述多个线性反馈移位寄存器的配置，从 所述多个线性反馈移位寄存器的输出端中选择任意一路作为随机数的结果输 出，或者将所述多个线性反馈移位寄存器的输出端按照预定运算处理后，作为 随机数的结果输出。

本实用新型优选的实施方式中，所述多个并列连接随机数产生电路包括第 一种随机数产生电路和第二种随机数产生电路，所述第一种随机数产生电路包 括两个异或连接的振荡环，所述第二种随机数产生电路也包括两个异或连接的 振荡环，并且所述第一种随机数产生电路中至少一个振荡环的结构与所述第二 种随机数产生电路中至少一个振荡环的结构不同。

本实用新型进一步优选的实施方式中，所述第一种随机数产生电路包括异 或连接的Gal19类型振荡环和Fibo18a类型振荡环；所述第二种随机数产生电 路包括两个异或连接的Fibo18a类型振荡环。

本实用新型进一步优选的实施方式中，所述第一种随机数产生电路的数量 为2路，所述第二种随机数产生电路的数量也为2路。

本实用新型优选的实施方式中，所述预定运算为异或算法。

本实用新型优选的实施方式中，每个所述线性反馈移位寄存器接收到每个 随机数产生电路输出的随机噪声源后，反馈位同时异或随机噪声源的输出。

本实用新型优选的实施方式中，所述每个随机数产生电路中一个低频振荡 器的上升沿通过D触发器对高频振荡器的输出进行采样，振荡器的抖动引起每 次采样时刻的不确定性，从而在每次采样产生1位随机数。

本实用新型第二方面还提供一种包括真随机数发生器的控制系统，其特征 在于，包括如上述第一方面任意一种所述真随机数发生器，以及与所述真随机 数发生器连接的随机数接收单元。

本实用新型优选的实施方式中，所述控制系统为SoC类型的控制系统。

本实用新型第三方面还提供一种电子装置，其特征在于，包括如第二方面 提供的控制系统，以及与所述控制系统连接的外围器件。

采用本实用新型提供的上述实施方式，通过硬件电路模块生成真随机数源， 在物理随机源基础上，配合使用数字后处理电路，既保证了在物理随机源发生 异常时随机数的质量，又利用数字处理电路提高了随机数生成的效率，因此， 通过简洁电路设计达到低价，快速产生随机数的目的。而且从多个线性反馈移 位寄存器的输出端中选择任意一路作为随机数的结果输出，或者将多个线性反 馈移位寄存器的输出端按照预定运算处理后，作为随机数的结果输出；这样更 好改进随机数的随机性。进一步优选的实施方式中，将第一种随机数产生电路 中至少一个振荡环的结构与第二种随机数产生电路中至少一个振荡环的结构不 同，这样不仅可以进一步保证随机数的随机性，而且还可以结合不同需求，采 用不同的随机数源，能够满足更多中实际需求。

实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说 明书变得显而易见，或者通过实施本实用新型的技术方案而了解。本实用新型 的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构 和/或流程来实现和获得。

附图说明

图1为本实用新型一实施例提供一种真随机数发生器的示意图。

图2为本实用新型另一实施例提供一种真随机数发生器的示意图。

图3为本实用新型又一实施例提供一种真随机数发生器的示意图。

图4为本实用新型又一实施例提供的真随机数发生器中第一路随机数产生 电路的示意图。

图5为本实用新型又一实施例提供的真随机数发生器中第三路随机数产生 电路的示意图。

图6为本实用新型为本实用新型实施例提供的真随机数发生器中线性反馈 移位寄存器的示意图。

图7为本实用新型实施例提供一种包括真随机数发生器的控制系统的示意 图。

图8为本实用新型实施例提供一种电子装置的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实 用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分 理解并据以实施。需要说明的是，这些具体的说明只是让本领域普通技术人员 更加容易、清晰理解本实用新型，而非对本实用新型的限定性解释；并且只要 不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互 结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组控制器可执行指令的控 制系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下， 可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。而且注意本实用新型实施 例中的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第N”仅为了区分不同 的实体，但不意指这些实体存在结构和组成上的区别，也不一定是对先后进行 限制，具体地还需根据根据不同实施例的记载，进行区分；例如，有些实施例 中“第一”、“第二”对应的真随机数产生电路可以相同、有些实施例也可以 不同。

下面通过附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案进行详细描述：

实施例

如图1所示，本实施例提供一种真随机数发生器，该真随机数发生器包括：

随机数源产生模块100，包括多个并列连接的随机数产生电路(例如，第 一随机数产生电路110、第二随机数产生电路120……第N随机数产生电路 130)，并且每个随机数产生电路包括产生随机数源的振荡电路；

其中，关于随机数产生电路中产生随机数源的振荡电路具体实现方式，可 以参见下文结合图4或图5的描述；当然本实施例不限于此，还可以采用其他 类型的振荡器，或者其他能产生随机数源的电路，只要能够通过简洁电路设计 达到低价，快速产生随机数的目的，都可以作为实现本实施例的具体实现方案。

数字后处理模块200，包括多个分别与随机数源产生模块中每个随机数产 生电路连接的线性反馈移位寄存器(例如第一线性反馈移位寄存器210、第二 线性反馈移位寄存器220……第N线性反馈移位寄存器230)；

其中，数字后处理模块200的输出端的构造关系设置成：基于线性反馈移 位寄存器(例如输出配置控制器240)的配置，从多个线性反馈移位寄存器(例 如第一线性反馈移位寄存器210、第二线性反馈移位寄存器220……第N线性 反馈移位寄存器230)的输出端中选择任意一路作为随机数的结果输出，或者 将多个线性反馈移位寄存器(例如第一线性反馈移位寄存器210、第二线性反 馈移位寄存器220……第N线性反馈移位寄存器230)的输出端按照预定运算 处理后，作为随机数的结果输出。

因此，本实施例采用了物理随机源(物理方法)加数字后处理电路(数学 方法)的实现真随机数发生器的架构，物理随机源产生的随机数作为数字后处 理电路的种子数据，数字后处理电路，利用物理随机源产生的种子数据，进行 迭代运算，最终输出真随机数供外部密码系统使用；既保证了在物理随机源发 生异常时随机数的质量，又利用数字处理电路提高了随机数生成的效率，因此， 通过简洁电路设计达到低价，快速产生随机数的目的。而且从多个线性反馈移 位寄存器的输出端中选择任意一路作为随机数的结果输出，或者将多个线性反 馈移位寄存器的输出端按照预定运算处理后，作为随机数的结果输出；这样更 好改进随机数的随机性。

如图2所示，本申请另一实施例在上述实施例的基础上，对随机数源产生 模块100进一步优化改进。具体地，随机数源产生模块100中多个并列连接随 机数产生电路包括第一种随机数产生电路140和第二种随机数产生电路150， 第一种随机数产生电路140包括第一振荡环142，第二振荡环144，以及与第一 振荡环142、第二振荡环144连接的异或模块146，即第一种随机数产生电路 140包括两个异或连接的振荡环142、振荡环144；第二种随机数产生电路150 包括第三振荡环152，第四振荡环154，以及与第三振荡环152，第四振荡环154 连接的异或模块156，即第二种随机数产生电路150也包括两个异或连接的振 荡环152、振荡环154；并且第一种随机数产生电路140中至少一个振荡环的结 构与第二种随机数产生电路150中至少一个振荡环的结构不同，即第一振荡环 142与第三振荡环152，第四振荡环154中至少一个不同；和/或，第二振荡环 144与第三振荡环152，第四振荡环154中至少一个不同。同样地，数字后处理 模块200中也包括与第一种随机数产生电路140连接的第一种线性反馈移位寄 存器250，与第二种随机数产生电路150连接的第二种线性反馈移位寄存器260， 以及配置数字后处理模块采用何种方式输出的输出配置控制器240。当然第一种线性反馈移位寄存器250和第二种线性反馈移位寄存器260可以采用相同的 线性反馈移位寄存器(例如，图6所示线性反馈移位寄存器)，也可以采用不 同的线性反馈移位寄存器。

因此，将第一种随机数产生电路140中至少一个振荡环的结构与第二种随 机数产生电路150中至少一个振荡环的结构不同，这样不仅可以进一步保证随 机数的随机性，而且还可以结合不同需求，采用不同的随机数源，能够满足更 多中实际需求。

本实施例优选的实施方式中，第一种随机数产生电路140的数量为2路， 第二种随机数产生电路150的数量也为2路。当然本实施例可以不限于此，还 可以设置更多不同种类的随机数产生电路140，也可以设置更多不同种类的随 机数产生电路150；还可以设置其他数量的第一种随机数产生电路140、第二种 随机数产生电路150。

具体地，如图3、如图4所示，第一种随机数产生电路140包括第一路随 机数产生电路162、第二路随机数产生电路164，而且第一种随机数产生电路 140包括异或连接的Gal19类型振荡环和Fibo18a类型振荡环。如图3、如图5 所示，第二种随机数产生电路150包括第三路随机数产生电路166、第四路随 机数产生电路168，而且第二种随机数产生电路150也包括两个异或连接的 Fibo18a类型振荡环。

如图4、图5所示，本实施例优选的实施方式中，每个随机数产生电路的 具体实现方式中一个低频振荡器的上升沿通过D触发器对高频振荡器的输出进 行采样，振荡器的抖动(Jitter)引起每次采样时刻的不确定性，从而在每次采 样产生1位随机数。

如图6所示，本实施例优选的实施方式中，每个线性反馈移位寄存器接收 到每个随机数产生电路输出的随机噪声源后，反馈位同时异或随机噪声源的输 出。

本实施例中，数字后处理电路采用了31位的线性反馈移位寄存器(简称 LFSR)，反馈位同时异或随机噪声源的输出，具体描述如下表1所示：

表1、线性反馈移位寄存器的描述

线性反馈移位寄存器具有以下优点：

1、LSFR结构简单，非常适合于硬件的实现；

2、运行速度快，每个硬件系统时钟周期即可输出1bit数据；

3、可以产生大周期序列，长度可达到2^31比特；

4、可产生具有良好统计性质的序列，即序列中每位接近均匀分布。

这种线性反馈移位寄存器是由长度为k的线性反馈寄存器实现的；其中， 数字化噪声信号的输入与移位寄存器的循环移位同步，反馈的位与数字化噪声 信号当前的位进行异或运算后反馈到移位寄存器的最低位，移位寄存器的低8 位作为输出。

本实施例优选的实施方式中，预定运算为异或算法；而输出配置控制器240 可以是指每个线性反馈移位寄存器中关于是否输出的配置，也可以是一个单独 用于控制每个线性反馈移位寄存器如何输出的控制器件。

以图3为例，采用四个独立的模块随机源；由4路随机数产生电路输出 RNG_OUT<3:0>。每一路随机数产生电路由两个振荡器环路异或形成。随机数产 生电路测试是从第一个随机数产生电路输出的。四个线性反馈移位寄存器分别 配置为lsfr_0,lsfr_1,lsfr_2,lsfr_3；则共4组随机数的输出方式有以下五种：

1、lsfr_0输出

2、lsfr_1输出

3、lsfr_2输出

4、lsfr_3输出

5、lsfr_0^lsfr_1^lsfr_2^lsfr_3输出(即四个线性反馈移位寄存器输出异 或处理后，作为最后的输出)；需要说明的是，输出方式由寄存器决定。

如图7所示，本实施例还提供一种包括真随机数发生器的控制系统400， 包括如上述图1-图6及其对应解释中任意一种的真随机数发生器300，以及与 真随机数发生器连接的随机数接收单元410。该控制系统400可以是片上系统 (System on Chip，简称SoC)，也可以是FPGA，还可以是其他类型的专用处理 器或专用硬件(诸如ASIC)等。而随机数接收单元410可以是任何需要用到随机 数的器件，例如加密处理器。

如图8所示，本实施例还提供一种电子装置500，其包括如上述提供的控 制系统400，以及与控制系统400连接的外围器件510。具体地，电子装置500 可以是POS机，这样对应的外围器件可以是显示器、输入键盘、语音播报模块、 人脸识别传感器等；电子装置500还可以是二维码扫描装置，这样对应的外围 器件可以是扫描摄像头；电子装置500还可以是家用监控设备，这样对应的外 围器件可以是摄像头、网络模块等。

最后需要说明的是，上述说明仅是本实用新型的最佳实施例而已，并非对 本实用新型做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实 用新型技术方案范围内，都可利用上述揭示的做法和技术内容对本实用新型技 术方案做出许多可能的变动和简单的替换等，这些都属于本实用新型技术方案 保护的范围。

Claims (10)

1.一种真随机数发生器，其特征在于，包括：

随机数源产生模块，包括多个并列连接的随机数产生电路，并且每个随机数产生电路包括产生随机数源的振荡电路；

数字后处理模块，包括多个分别与所述随机数源产生模块中所述每个随机数产生电路连接的线性反馈移位寄存器；

其中，所述数字后处理模块的输出端的构造关系设置成：基于所述多个线性反馈移位寄存器的配置，从所述多个线性反馈移位寄存器的输出端中选择任意一路作为随机数的结果输出，或者将所述多个线性反馈移位寄存器的输出端按照预定运算处理后，作为随机数的结果输出。

2.根据权利要求1所述的发生器，其特征在于，所述多个并列连接随机数产生电路包括第一种随机数产生电路和第二种随机数产生电路，所述第一种随机数产生电路包括两个异或连接的振荡环，所述第二种随机数产生电路也包括两个异或连接的振荡环，并且所述第一种随机数产生电路中至少一个振荡环的结构与所述第二种随机数产生电路中至少一个振荡环的结构不同。

3.根据权利要求2所述的发生器，其特征在于，所述第一种随机数产生电路包括异或连接的Gal19类型振荡环和Fibo18a类型振荡环；所述第二种随机数产生电路包括两个异或连接的Fibo18a类型振荡环。

4.根据权利要求2所述的发生器，其特征在于，所述第一种随机数产生电路的数量为2路，所述第二种随机数产生电路的数量也为2路。

5.根据权利要求1所述的发生器，其特征在于，所述预定运算为异或算法。

6.根据权利要求1所述的发生器，其特征在于，每个所述线性反馈移位寄存器接收到每个随机数产生电路输出的随机噪声源后，反馈位同时异或随机噪声源的输出。

7.根据权利要求1-6中任意一种所述的发生器，其特征在于，所述每个随机数产生电路中一个低频振荡器的上升沿通过D触发器对高频振荡器的输出进行采样，振荡器的抖动引起每次采样时刻的不确定性，从而在每次采样产生1位随机数。

8.一种包括真随机数发生器的控制系统，其特征在于，包括如权利要求1-7中任意一种所述真随机数发生器，以及与所述真随机数发生器连接的随机数接收单元。

9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统为SoC类型的控制系统。

10.一种电子装置，其特征在于，包括如权利要求8或9所述的控制系统，以及与所述控制系统连接的外围器件。